混合式光纤陀螺惯导系统在线自主标定

混合式光纤陀螺惯导系统IMU的安装误差、光纤陀螺的漂移及标度因数等参数会随着时间发生变化,对系统误差产生影响,使系统在使用一段时间之后精度发生变化,因而需要重新标定。在混合式系统中,通过台体旋转调制,惯性元件常值漂移误差对系统的影响得到抑制,但安装误差和标度因数误差对系统的影响无法得到完全调制,这些误差会与地速及旋转角速率耦合,引起锯齿形速度误差,降低了系统的各项性能。针对混合式惯导系统,建立了IMU误差模型,设计出一种在线自主标定方法,并进行了可观性分析。该方法采用"速度+位置"匹配,对惯导系统30项相关误差项进行在线标定。系统实验结果表明,系统级在线标定参数较分立式标定参数在导航定位精度上提高了半个数量级。     

一种改进的双轴旋转惯导系统十六位置旋转调制方案

旋转调制方案是决定旋转式惯导系统导航精度的一个重要因素。针对双轴旋转调制惯导系统,为更好地调制各项惯性器件误差,提出了一种改进的十六位置调制方案。该方案不仅能够调制常值零偏、安装误差、对称性标度因数误差、非对称性标度因数误差,还能够有效地减小陀螺安装误差引起的速度和位置误差振荡。仿真结果表明,该方案能够将安装误差引起的速度和位置误差的振荡幅值降低至1/3;在目前的惯性器件水平下,采用该方案能够实现1 n mile/5day的定位精度。     

基于双惯导系统协同的全参数在线标定算法

针对外场环境下没有准确外界参考信息时惯导系统的标定问题,提出了一种基于双惯导系统协同的全参数在线标定算法,其中惯导1为正常工作的双轴旋转惯导系统,惯导2为待标定的具备双轴转位机构的惯导系统。不依靠外界基准信息,在保证惯导1独立工作的前提下,以两套惯导间的相对速度、相对位置作为状态约束观测,利用卡尔曼滤波对惯导2的全误差参数进行标定。通过蒙特卡洛仿真、实物实验和不同时段的协同标定实验对算法的有效性进行了验证,结果表明：在船载冗余惯导系统协同标定的条件下,所提算法对惯导2陀螺标度因数的标定精度优于0.2 ppm (1σ),加速度计标度因数的标定精度优于0.6 ppm (1σ),安装误差的标定精度优于1.5(1σ);惯导2的标定精度不受惯导1绝对误差的影响,在运动状态下也能进行自主标定。     

系统级双轴旋转调制捷联惯导误差分析及标校

旋转调制技术可以调制惯性器件常值误差,有效提高惯导系统的长航时导航精度。出于一种旋转调制式捷联惯导系统的研制需求,从旋转调制式捷联惯导的基本原理出发,提出了一种系统级双轴旋转调制式捷联惯导工程实现方案,并对其系统误差特性进行了深入的分析及仿真,找出了影响系统长航时导航精度的误差源。基于此。为了能仅利用系统自身旋转机构就可对主要误差源进行估计补偿,提出了一种系统级自标校方案。通过计算机仿真表明:此方案可以对影响系统长航时精度的主要误差项进行精确估计,是一种有效可行的系统级标校方案。     

捷联惯导系统的空中标定方法

从工程实用和维护的角度出发,提出了一种针对机载捷联式系统的空中标定方法。该方法依据捷联惯导系统级标定的基本原理,使用卡尔曼滤波作为估计手段,惯性器件常值漂移、刻度系数误差及惯导系统基本误差项作为状态量,依据外部GPS信息作为观测基准,通过设定的飞行机动动作对各待标定误差项进行激励。仿真卡尔曼滤波结果表明,依据飞机实际运动过程设计的简单飞行轨迹即可以实现对所有误差项的有效激励,各误差项随飞行过程进行逐步收敛。这种系统级空中标定方法不需要飞机作特殊的机动动作,在实际工程中易于实现,且经过一个架次的飞行就可以对惯导系统进行一次标定补偿。     

基于速度阻尼的双轴旋转式激光陀螺捷联惯导标定方法

惯性元件参数的长期稳定决定着惯导系统的精度,目前对于激光陀螺捷联惯导系统(RLG-SINS)主要是采用系统级旋转调制技术来实现高精度导航能力,同时系统级旋转也提高了初始对准精度以及惯性元件误差的可观测性。针对激光陀螺惯导系统惯性元件误差项的特点,同时结合分立式标定与系统级标定各自的优势,设计了一种水平阻尼模式下的Kalman滤波方案,利用双轴旋转机构,通过观测导航位置误差来实现初始对准以及部分惯性元件误差参数的标定,可以有效地减小惯性元件逐次启动误差对导航精度的影响。仿真结果表明,系泊状态零速度阻尼模式下工作4 h,可以标定出石英加速度计标度因数误差、零偏与激光陀螺零偏,共计9项误差参数。加速度计零偏估计误差小于2%,陀螺零偏估计误差小于8%,误差估计精度满足高精度惯性导航要求,该方法具备一定的工程实用性。     

基于双轴旋转惯导的激光陀螺仪与g有关偏置自标定法

标定激光陀螺仪与g有关偏置可以进一步提高双轴旋转惯导的定位精度。在传统的六位置标定方法上增加四个倾斜的位置,形成一套十位置自标定算法。该算法不仅可以标定惯性器件的常值偏置,比例因数误差和失准角,还能标定陀螺仪的与g有关偏置。静态试验表明,在标定和补偿了陀螺仪与g有关偏置项后,经纬度误差(尤其是经度误差)随着时间的变化量明显减小。与传统的六位置法相比,经度误差随着时间发散速度明显降低。该自标定法在静态时至少可以提高50%的系统精度。     

旋转惯导系统中转轴方向对系统调制精度的影响

不同轴向的惯性器件误差在惯导系统中的误差传播特性不同,因此在旋转惯导系统中转动机构选择不同转轴方向对系统精度的调制效果不同。分析了在选择不同轴向作为旋转轴时对导航系统精度的影响,并根据转台转轴与机体系、惯性器件(IMU)系之间存在的夹角关系,将其分为两种方案进行讨论,转轴与IMU系存在夹角以及转轴与机体系存在夹角。通过分析,前者在调制效果上与传统的单轴旋转惯导系统相同,而后者会改变调制效果。在此基础上,进一步推导分析了第二种方案下不同转轴方向与系统定位精度之间的内在关系,提出了一种在长时间导航情况下的转轴方向选择方案,并进行了仿真验证。仿真结果表明,与传统单轴旋转惯导系统相比,该方案显著提高了系统的导航定位精度,对在不同情况下转台转轴方向的选择具有一定的工程应用参考价值。     

一种新的旋转调制捷联惯导系统

随着光学陀螺等对重力加速度不敏感的陀螺器件的逐渐完善,一种源于静电陀螺的旋转调制技术备受关注,从而建立基于相对廉价的光学陀螺的高精度惯性导航系统成为可能.通过对单轴和双轴旋转调制技术原理和局限性的分析,提出了一种四陀螺双单轴旋转调制捷联惯导系统,并详细分析了旋转轴的不对准误差、惯性器件测量轴的不对准误差、常值漂移误差、...     

捷联惯导系统初始姿态和仪表误差标定迭代算法研究

从工程实用角度出发，提出了一种在初始方位已知的情况下同时进行姿态估计和仪表误差标定的迭代计算方法。半实物仿真结果表明：该方法在占用一定初始对准时间的条件下能在线补偿仪表误差，并能显提高惯导系统导航精度，效率较高。     

载体运动对双轴连续旋转调制式惯导方案误差的影响

引入系统级旋转自补偿技术可以提高惯性导航系统的精度,该技术是指对整个IMU施加旋转运动从而改变元器件的工作方式,使元件误差得到调制,在进行积分时调制后的误差在一个周期内得到抵消.在捷联式惯导系统中,当载体处于动态时,标度因数误差和安装误差与惯性传感器的输出产生耦合,旋转调制对系统的补偿效果将受到影响.改进的途径一是提高元件标度因数稳定性,减小系统安装误差角;二是隔离载体运动,即减小陀螺仪和加速度计的输出值.本文通过对比分析在静态和动态条件下双轴连续旋转调制式惯导的误差方程,解释了载体运动对旋转调制效果的影响机理,并通过数字仿真验证了载体运动对系统补偿效果的影响.分析和仿真发现,在静态和动态条件下旋转调制都可以提高系统的精度,而在静态条件下或者在通过环架结构隔离了载体运动后旋转调制的效果相对于动态下有较为明显的提高.     

带斜置元件的光纤陀螺捷联惯组标定方法

采用冗余传感器的捷联惯性测量组合能有效提高可靠性,并为降低测量误差和提高导航性能提供必要条件,但同时对标定提出了新问题。给出了一种具有斜置陀螺和加速度计的光纤陀螺捷联惯组标定方法。首先利用陀螺(加速度计)特性:只响应角速率(加速度)在其输入轴方向的投影分量,推导了该传感器输入轴方向的方向余弦与其安装方式的对应关系,建立了组合误差模型。用最优估计理论推导模型参数解算方法,同时考虑了地球转速及重力加速度对标定过程的影响;整个试验过程不增加标定工作量,无需北向基准。试验证明,该方法是一种高精度的工程实用标定方法,由交耦系数换算后的安装误差角符合实际情况,陀螺和加速度计的斜轴综合测量误差分别不大于0.140(°)/h和6.442E-5g。     

捷联惯性组合误差模型相关性分析方法

在实际应用中通过捷联惯性组合误差模型可以将测量值转换成载体导航解算的需要量,而误差模型中的误差系数一般通过标定试验获得。以往认为误差模型中各误差系数相互独立,但通过实际计算可以发现并非如此。为了考量各系数相关性关系,提出了一种相关性分析方法。首先,提出了捷联惯组加速度计输出方程。之后,运用统计学的相关方法计算出了各系数的相关系数和协方差矩阵,并推导出了测量值和误差系数的分布特性之间的关系。最后,通过加速度计组合的实际测试,分别计算了不包含和包含拟合残差的统计数值。通过与输出值进行比对,验证了相关性分析方法的正确性,并表明拟合残差对于统计特性的计算具有重要作用。     

激光陀螺旋转惯导系统IMU的磁屏蔽设计及优化分析

为了提高激光陀螺旋转惯导系统的环境适应性,需要对惯性测量单元(IMU)进行磁屏蔽设计。对IMU的磁屏蔽效率进行了理论计算和有限元仿真,对磁屏蔽材料的厚度、接缝宽度及接缝处贴片的大小等参数进行了仿真分析。利用赫姆霍兹线圈对IMU进行了磁敏感性测试,实验结果表明:设计的IMU磁屏蔽结构的屏蔽效率在23～30 dB范围内,磁场引起的三个激光陀螺漂移小于0.002°/h/mT,满足高精度单轴旋转惯导系统的实用要求。该方法对旋转惯导系统的结构设计及磁屏蔽设计具有一定的参考意义。     

考虑旋转调制 INS 轴角误差的船体变形测量方法

旋转调制式惯导已成为舰船主惯导,在采用旋转调制式惯导进行船体变形角测量时,由于旋转轴与惯性测量组件的坐标系不完全重合,导致船体变形角中被引入与旋转相关的波动误差。针对这一问题,提出了考虑旋转调制惯导转轴倾角误差的船体变形测量方法。推导了单轴旋转系统转轴倾角误差与船体变形测量之间的数学关系,构建了含有轴角误差的状态观测数学模型,利用卡尔曼滤波器实现了船体变形测量的同时对转轴倾角进行估计。实验结果表明,所提方法可以估计出旋转调制惯导中存在的转轴倾角大小,有效提高测得船体变形角精度,其中水平方向提升到6″,纵向方向提升到6″,为利用旋转调制式惯导进行船体变形测量提供参考。     

基于陀螺仪输出误差观测的冗余INS标定方法

冗余惯导系统陀螺仪由于确定性误差及随机误差的干扰,影响系统精度,且冗余惯导系统陀螺仪的标定过程中存在部分误差不可观测的问题。针对冗余惯导系统,设计了一种基于陀螺仪输出误差观测的标定方法。采用改进的经验模态分解算法对陀螺仪信号进行降噪处理,降低随机误差的干扰。改进冗余配置下的量测方程,以冗余陀螺仪输出误差为观测量,对陀螺仪的常值误差、标度因数及安装误差进行标定。基于四面体配置的MEMS静基座导航试验结果表明,所提出的方法与传统的零空间扩增标定方法相比,系统1 min时定位精度由70.32 m提升至24.27 m,航向角误差由22.49′提升至6.39′,验证了所提出的标定方法的有效性。     

基于小波方差的MEMS IMU随机误差模型间接估计方法

MEMS IMU(Mirco Electro Mechanical System Inertial Measurement Unit)微机电惯性测量模块广泛应用于组合导航系统,其中MEMS IMU随机误差模型的准确性对导航精度有着重要的影响。针对Allan方差法在估计随机误差模型方面的不足,研究了间接估计方法。该方法以Daubechies离散小波变换与间接推断原理为基础,根据小波系数的零均值平稳特征,对分解尺度进行确定,将小波方差作为间接估计辅助参数,分析了最优估计准则的渐近一致性,最后使用高斯牛顿法对估计结果进行校正,获得满足渐近一致性的随机误差模型参数估计结果。仿真结果表明,间接估计方法提高了随机误差模型的估计精度,其中一阶马尔科夫过程的相关时间估计精度提高了12.383%,解决了一阶马尔科夫过程模型的准确估计问题。通过试验结果分析,进一步证明了以上结论。     

基于LSTM深度神经网络的MEMS-IMU误差模型及标定方法

针对微惯性传感器受热、力学等环境的影响显著,传统的多项式误差模型补偿效果不理想的问题,建立一种基于长短时记忆(LSTM)深度神经网络的MEMS-IMU误差模型。模型输入信息为MEMS-IMU输出的角速度、加速度、温度,输出为角速度误差、加速度误差。同时,设计了基于长短时记忆神经网络的MEMS-IMU误差模型标定流程,构建了MEMS-IMU热、线运动、角运动等多维误差因素的综合激励训练集,对长短时记忆神经网络模型进行训练。对训练得到的模型进行验证,结果表明,相对于传统方法,采用所提出的模型对加速度和角速度进行误差补偿后残差均值减小约70%,均方差分别减小39%和64%,补偿效果更好。     

基于递推最小二乘的水下声学应答器在线标定方法

针对水下应答器在线标定问题,提出了一种基于递推最小二乘的应答器标定方法,其在解算间隙不断插入历史数据进行循环解算并引入遗忘因子加快算法收敛。为了提高算法稳定性,在标定最后用改进消元法对结果进行比对,以避免递推最小二乘法结果陷入局部收敛。改进消元法在传统方法基础上加进了声速修正方法以提高定位精度。对影响标定精度的误差因素进行了分析,对标定时不同的航行路径带来的定位效果进行了比较得出最优路径。仿真结果表明,递推最小二乘法不但能够在线估计,而且具有与实时性和高精度特点,具有很好的效果,相比于传统消元法有显著提高。最后在千岛湖实验中,采用所提出的方法对应答器进行了标定,标定精度优于10 cm,保证了水下应答器高精度标定的实施。