捷联惯导基于星体跟踪器的高精度初始对准算法

捷联惯导与小视场星体跟踪器构成惯性/天文组合导航系统,导航精度受导航初始误差和器件误差的综合影响。基于此,提出一种捷联惯导与小视场星体跟踪器相组合的初始对准算法,对导航初始姿态误差和惯性器件误差进行估计修正。捷联惯导初始对准过程完成之后,在地面准静基座条件下做速度和位置阻尼条件下的惯导更新解算,利用捷联惯导系统的速度误差量测及小视场星体跟踪器的导航误差角测量量,设计组合粗对准算法和组合精对准算法,用于对捷联惯导系统的初始对准误差和惯性器件误差做进一步有效估计。仿真结果表明:对中等精度导航级捷联惯导系统,组合对准后水平姿态精度可提高到2’’,方位精度可提高到5’’。     

基于GPS的弹载捷联惯导动基座传递对准技术

针对载机未装备主惯导系统的弹载捷联惯导初始对准问题,提出了一种基于机载GPS信息的动基座传递对准算法。首先利用惯性凝固思想设计了基于比力积分和GPS速度信息的惯性系粗对准算法,粗略估计弹载惯导的初始姿态;然后通过分析惯导系统在惯性系下的导航误差方程,设计了基于GPS信息的"速度+位置"匹配卡尔曼滤波精对准算法,对粗对准误差做进一步估计补偿。车载试验结果为:与车载激光捷联惯导输出相比,水平和方位对准精度分别为6’和18’。试验验证了该算法的有效性,为未装备机载主惯导的弹载捷联惯导的快速初始化提供了工程应用参考。     

舰载平台式惯导系统的传递对准

舰载子惯导系统在海上应急启动时需要利用主惯导的信息进行传递对准,以达到快速、高精度启动的目的.同时必须对惯性器件的某些误差进行标定和补偿,以满足舰载惯导系统需要长时间高精度导航的要求.文中对平台式惯导系统采用速度加姿态匹配传递对准方法进行了研究,建立了基于KaIman滤波器的传递对准滤波方程,并在实际系统中对所设计的方案进行了静态和跑车试验,验证了方案的正确性和工程应用的可行性.     

舰载导弹用捷联惯导系统校准技术研究

舰载导弹惯导系统初始对准结束后即转入待机发射状态，为了保证导弹长时间待机发射后惯导系统的导航精度，惯导系统在待机过程中需要进行校准。针对舰载导弹武器系统作战使用要求，进行了导弹惯导系统射前校准技术研究，设计了一种采用速度匹配方法对惯导系统进行校准的方案，给出了校准滤波器的模型和校准过程中的修正方法。通过舰载试验对该方案进行了试验验证，试验结果表明该方案具有校准时间短、校准精度高、可以适应舰船各种机动航行等优点，保证了舰载导弹惯导系统长时间待机发射后的导航定位精度。     

一种制导炸弹MINS／GPS导航系统误差分析与分配

研究了对准误差和惯性敏感器主要误差对制导炸弹捷联惯导位置误差的影响,并从捷联惯导位置导航精度要求反推出对准误差和微机械惯性敏感器工具误差的分配原则和方法.分析了微机械陀螺和微机械加速度计的误差模型,并说明在短时间工作过程中均可简化为零偏叠加随机噪声.捷联惯导系统误差模型研究和弹道仿真表明,水平姿态对准误差和惯性敏感器零偏是制导炸弹惯导误差的主要误差源,用GPS辅助的组合导航可对所有主要误差源的误差进行估计并补偿.根据理论分析和仿真结果,以及误差源的误差和系统导航位置误差存在的正比关系,分析了MINS/GPS制导炸弹捷联导航的误差分配原则和方法,并给出了误差分配样例.     

粒子群优化算法在传递对准中的应用

给出了一种基于粒子群优化算法的捷联惯导传递对准算法。简单分析了传递对准任务要求和主子惯导惯性器件输出之间的关系,将传递对准问题作为参数优化问题进行求解,给出了基于粒子群优化算法进行传递对准的数学模型。定义了传递对准的优化目标函数,介绍了粒子群优化算法及其应用于传递对准的具体算法设置。用粒子群优化算法求解目标函数的最小值,可获得主子惯导之间的失准角,进行一次校正即可完成传递对准过程。通过计算机仿真对算法进行了验证分析,在仿真条件下（陀螺精度为0.1°/h）,能达到方位0.1°的精度。与其他对准算法一样,算法受载体机动条件的影响较大,一般需要姿态机动来提高陀螺的信噪比。     

舰船捷联惯导传递对准仿真验证系统设计

为解决船用捷联惯导系统传递对准仿真中载体机动方式与实际差别较大的问题,提出了基于舰船空间运动的传递对准精度考核的仿真验证系统,提高载体机动方式仿真逼真度。仿真验证系统通过舰船空间运动建模,提供接近真实运动环境的空间运动参数;通过设计空间变换算法,实现了空间运动参数与主惯导惯性器件模拟输入的转化;通过杆臂及挠曲变形计算,实现了子惯导惯性器件模拟输入的转化;文中给出了各模块的算法及解算流程。速度+姿态传递对准算法仿真验证结果为10 s内水平失准角精度优于0.02;方位失准角精度优于0.05。仿真验证试验结果表明了该方案的可行性和实用性,该方案为其他领域的传递对准方案分析及验证提供了有效的参考依据。     

基于水平阻尼的星光/惯性组合校准技术

根据星光/惯性组合导航系统舰载使用特点,考虑以SINS、CNS、LOG三者组合,设计组合校准方案。在SINS/CNS/LOG组合过程中,利用惯导系统的短期高精度特性,设计基于水平阻尼的卡尔曼滤波器对惯导舒勒周期进行补偿。星光/惯性组合校准技术建立在水平阻尼基础上,借助星光导航的航向和位置信息完成惯导位置误差、失准角和陀螺漂移的修正,从而实现组合系统长航时、远航程高精度导航。最后通过仿真对比试验验证星光/惯性组合导航系统校准方案的有效性。仿真结果表明:SINS/LOG组合后,惯导24 h位置误差CEP≤1.48 n mile,且位置误差会随时间积累;而SINS/CNS/LOG组合系统采用星光信息24 h一点校方案,第一次和第二次点校后,48 h和72 h惯导位置误差CEP≤0.5 n mile。由此可见,采用星光信息后,该组合方案能够显著提高惯导导航精度,达到延长惯导系统重调周期目的。     

一种动基座传递对准算法性能评估的工程方法

在东北天地理坐标系下,推导了捷联惯导动基座传递对准模型.在此基础上,提出了一种在不具备精确标定设备的试验条件下,进行动基座传递对准算法性能评估的工程方法.该方法基于安装误差角滤波估计结果,对子惯导的初始姿态进行修正,并重新进行子惯导的导航解算;通过比较初始姿态修正前后子惯导的导航误差,对传递对准算法的性能进行定性分析.基于试验数据的处理结果表明,所建立的对准模型和采用的对准算法性能评估方法具有重要的工程应用价值.     

基准信息时间延迟对速度匹配传递对准性能的影响分析

传递对准过程中,由于主惯导的解算和传输延迟,子惯导解算信息与进行匹配的基准信息不能完全同步,有些情况下时间延迟较大.采用捷联惯导速度匹配传递对准,仿真分析了舰船几种典型运动状态下基准信息时间延迟对姿态误差角、陀螺漂移、加速度计零偏估计效果的影响.仿真结果表明,对准过程中舰船匀速和匀加速运动,基准信息延迟几乎不会影响对准性能;对准过程中舰船变加速直线运动,加速度变化时基准信息延迟影响卡尔曼滤波器估计精度,速度稳定后,影响会慢慢减小;对准过程中舰船进行转弯和大规模的机动运动,基准信息延迟会严重影响速度匹配传递对准性能,方位误差角估计误差达到10′左右,陀螺漂移和加速度计零偏的估计时间和精度显著下降.     

信息时标不一致对传递对准的影响及修正

为了解决传递对准中主子惯导信息时标不一致带来的问题,首先从原理上分析了其对传递对准滤波产生的影响,进而设计有效的修正方法。针对时标不一致引起的主子惯导输出不一致、滤波周期随机和量测滞后的影响,先利用子惯导的硬件中断获取主子惯导时标差,接着采用多项式拟合内插法计算主惯导信息时标处的子惯导信息进行量测匹配,实施等周期滞后滤波,最后利用外推法对随机时标差进行补偿。仿真结果显示,时标不一致对传递对准的影响与原理分析结论一致,修正之后滤波精度提高了几倍。可见,此修正方法依据准确的时标获取、滤波匹配,比将时标不一致考虑为系统状态的方法更可靠,能够保证高精度快速传递对准滤波的实现,具有重要的工程价值。     

双主惯导对子惯导的高精度传递对准方法

激光陀螺惯性导航系统在旋转调制过程中会产生锯齿形速度误差,影响舰载武器系统子惯导传递对准精度。通过分析锯齿形误差产生的机理,提出了一种基于不同旋转控制策略的双惯导数据融合方法,估计并补偿主惯导惯性元件误差,从而减小主惯导锯齿形速度误差波动幅度。仿真结果表明,补偿后主惯导速度锯齿形速度误差峰峰值减小了一个数量级,子惯导传递对准后的水平角精度提高了1.5″,方位角精度提高了3′。     

一种大安装偏差快速传递对准中的闭环卡尔曼滤波算法

在大安装偏差快速传递对准中,模型线性化误差会导致卡尔曼滤波器(KF)估计有偏。针对该问题,提出了一种基于闭环卡尔曼滤波器(CLKF)的传递对准方法。基于安装关系估计值与主惯导姿态建立子惯导粗基准,使子惯导载体系失准角为小角度,从而降低了线性化误差对KF估计精度的影响。进一步采用状态反馈机制修正子惯导状态与安装关系估计值,使子惯导基准载体系和计算载体系逐渐逼近标称载体系,以保证系统在整个传递对准过程中始终处于良好的线性状态。仿真结果表明,CLKF估计精度不随系统非线性增强而下降,与无迹卡尔曼滤波器(UKF)相当且优于KF;CLKF计算量仅为UKF的3%,与KF相当,显著提高了线性滤波器的估计精度,同时有效避免了采用非线性滤波器而引起计算量较大的问题。     

舰载导弹惯导系统姿态变化量匹配法传递对准

针对捷联惯导系统的动基座传递对准问题,采用姿态变化量匹配法,在不依赖舰船自主机动运动而仅仅依靠外界风浪随机干扰的情况下,对系泊状态下的舰载导弹捷联惯导系统传递对准进行仿真研究。仿真结果表明:在三种海况下,姿态变化量匹配法可以使3个失准角估计在短时间内均达到要求精度;随着舰船摇摆频率和幅度的增大,失准角的估计精度会进一步得到提高。研究表明姿态变化量匹配法具有对准算法简单、对准速度快、精度高等优点;利用一定强度的风浪,通过该种匹配方法能够成功的解决动基座传递对准问题。     

大方位失准角下舰载机快速传递对准技术

为解决舰载主惯导与机载子惯导之间大失准角问题,同时满足对准快速性的需求,提出了从舰载机进入弹射位置开始,到舰载机飞离甲板时间内,基于虚拟惯导(VINS),综合利用舰载主惯导信息、跑道航向信息以及激光多普勒测速仪(LDV)信息,利用速度匹配方法实现舰/机惯导传递对准的方法,并建立了传递对准误差模型。该模型利用舰艇坐标系与跑道坐标系之间的方向余弦矩阵,将舰载坐标系与机载坐标系之间的大失准角问题,转化为机载坐标系与跑道坐标系之间的小方位失准角问题。考虑弹射过程舰艇及舰载机的运动模型,利用数学仿真对传递对准误差模型进行了验证,并与UKF滤波方法进行了对比。仿真结果表明,该方法可以在8 s内实现舰/机惯导的传递对准,对准性能与UKF滤波方法相当,且对准过程不需要舰艇进行任何机动运动。     

机载武器极区传递对准算法

针对高纬度地区经线收敛导致以真北向作为航向参考的导航算法失效的问题,并结合战机在极区内具备正常导航和作战能力的需求,提出了基于格网导航力学编排的极区传递对准算法.首先以格林威治子午线作为航向参考,在此基础上定义了格网导航坐标系同时给出了格网导航力学编排及其误差方程,解决了极区内相对经线定向定位困难的问题.其次在格网导航坐标系下设计了主子惯导信息的“速度+姿态”匹配传递对准算法,估计和校正弹载子惯导的误差.仿真结果表明,该算法可避免载机进行费时的方位机动,仅需一次简单的摇翼机动就可令弹载惯导5 s 内方位对准精度达到5',为战机在极区内仍具有导弹攻击能力提供了工程应用参考.     

基于伪地球坐标系的捷联惯导全球动基座初始对准算法

由捷联惯导系统建模原因造成的导航误差随纬度升高会被急剧放大,是实现惯导系统全球初始对准所面临的主要问题之一,且现有多种编排方案共存的全球初始对准算法也不利于初始对准算法在全球范围内统一。另一方面,极地地区越来越小的地球自转水平分量,使得极点及其附近的静态自对准是无法实现的,且动基座初始对准也有利于提高导航系统的快速反应能力。基于此,提出了采用伪地球坐标系惯导编排来实现惯导系统的全球动基座初始对准,消除由惯导建模造成对全球初始对准性能的影响,并期望探索一种统一导航编排的全球初始对准算法。最后通过仿真证明了该算法的可行性。     

系泊状态舰载捷联惯导初始对准算法设计

系泊状态下舰船因风浪影响而产生摇摆,陀螺输出信息中信噪比很低,地球自转角速度信息难以提取出来,从而给舰载捷联惯导的初始对准带来困难.针对这一问题,研究了摇摆状态下捷联惯导系统的初始对准技术,基于舰载武器特点建立了捷联惯导系统在系泊状态下的误差模型,采用卡尔曼滤波和自适应滤波进行精对准,并根据摇摆频率与地球自转角速度频带的不同设计了巴特沃思低通滤波器对惯性器件的输出信息进行预滤波,从而一定程度上隔离舰船晃动.理论分析和仿真结果表明,该方案能有效地解决舰船系泊状态下捷联惯导系统的初始对准问题,而且具有较高的精度,研究结果对舰载捷联惯导初始对准具有一定的参考价值.     

基于惯性参考系基准的快速传递对准方法

研究了以惯性参考系为基准的新型传递对准方法。推导了计算惯性坐标系和计算体坐标系传递对准动态误差模型,并给出了相应的"速度+姿态"观测方程。基于惯性参考系的对准方法通过链式法则将子惯导输出的姿态矩阵描述为三个变换矩阵之积,其中两个变换矩阵通过对准时间和主惯导提供的位置信息可得到精确求解,剩余的变换矩阵(子惯导体坐标系至惯性坐标系间的变换矩阵)通过子惯导陀螺仪的输出进行解算,其误差通过传递对准估计得到的失准角进行补偿。对提出的两种对准方法进行摇摆实验验证,方位对准误差优于4’(1)。与传统基于导航坐标系的方法相比,基于惯性坐标系的方法直接将误差定位到惯性坐标系上,具有算法简便的特点。     

基于鲁棒滤波的无人机着陆相对导航方法

针对无人机在移动平台上进行起降时的相对导航问题,提出了一种基于鲁棒高阶容积滤波的惯导/视觉相对导航方法。建立了相对导航系统模型,基于无人机与移动平台之间的相对运动给出了系统的相对惯导方程,并针对系统中传感器的量测特性给出了导航敏感器的测量方程。针对相对导航系统非线性较强且量测噪声不符合高斯分布等问题,在高阶容积滤波的基础上,结合Huber-based量测更新方程,设计了鲁棒高阶容积滤波相对导航滤波器,该方法具有较高的估计精度,且对混合高斯噪声有鲁棒性。相对姿态采用四元数表示,为保证四元数的归一化,在设计相对导航滤波器时采用修正的罗德里格斯参数表示姿态误差。仿真结果表明,该方法可以准确地给出无人机与移动平台之间的相对位置、速度和姿态信息,且估计精度高于扩展卡尔曼滤波、Huber-Based滤波以及高阶容积卡尔曼滤波。