基于互补滤波的惯导系统水平阻尼网络设计

Schuler振荡阻尼技术是提高惯导长期工作精度的关键技术之一。针对采用低阶阻尼网络的惯导系统抑制高频和低频参考速度误差难以兼顾的问题,基于互补滤波思想,提出一种高阶水平阻尼网络设计方法。将两个采用低阶网络、分别具有优良高频和低频特性的Schuler回路通过一对互补滤波器进行组合,形成双Schuler回路组合系统。它等效于采用某高阶网络的单Schuler回路,该回路对高频和低频参考速度误差的衰减率可同时达到40 dB/10 deg或更高。计算机仿真和海上试验结果均表明:采用所设计高阶网络的系统对参考速度误差兼有优良的高频和低频滤波特性,综合滤波性能优于采用低阶阻尼网络的系统,具有工程应用价值。

基于未补偿偏置滤波器的惯导动态初始对准

动态初始对准是惯性导航系统(惯导)工程应用的重要功能之一。针对动态环境下随机干扰和弱可观惯性仪表误差导致对准滤波器性能下降的问题,采用未补偿偏置滤波器实现惯导系统的初始对准。给出了带高度阻尼的惯导水平通道误差模型,根据最小二乘估计原理定量分析了陀螺漂移误差对降维滤波器精度的影响,进而推导出带偏置结构的对准误差模型,设计出基于水平位置误差观测的7维未补偿偏置Kalman滤波器。动态试验结果表明,未补偿偏置滤波器能有效提高惯导动态初始对准性能,仅需40 min对准精度即达标,比直接降维滤波器快一倍以上,具有较强的工程应用价值。

空间稳定系统壳体翻滚失准角误差精确补偿

壳体翻滚是提高空间稳定系统长时间工作精度的技术手段之一，但其失准角误差将引起速度和姿态扰动。对该误差进行建模、标定与补偿是解决此问题的有效措施。在误差补偿时，由冗余角变化导致的交叉耦合影响对长航时高精度惯导系统是不能忽视的。根据壳体翻滚失准角误差矢量的几何投影关系，建立物理平台坐标系（P系）与陀螺三面体坐标系（G 系）之间的坐标转换关系，分析冗余角变化引入的交叉耦合影响，并进行计算机仿真和实际试验。结果表明：冗余角使P系相对G系沿z向的角运动附加极轴壳体翻滚周期分量，其幅值为失准角与冗余角正切函数的乘积；误差补偿考虑这一项，东速、横摇和航向精度十天可提高30%~50%。

基于位置和速度观测的空间稳定系统快速对准

空间稳定系统是高精度长航时导航技术的关键,快速对准是其工程应用的重要功能之一。研究了基于位置和速度观测的系统快速对准方法。基于Wahba定姿原理设计平台姿态角的粗估计算法,研究了系统水平通道误差模型的短时可观测性,并据此设计一个可实时估计平台失准角初值、水平位置和速度误差的7维精对准Kalman滤波器。计算机仿真和动态试验结果表明,所述快速对准方法可估计较大的平台失准角(3°量级),同时适用于系泊和海上应急启动情况;在动态条件下精对准2 h,精度即满足指标要求,具有较强的工程应用价值。

空间稳定系统加速度计在线标校

三轴加速度计是惯性导航系统的核心元件之一,其误差对导航精度具有重要影响。提出一种适用于空间稳定系统的加速度计在线标校方法。在三轴加速度计十二系数误差模型基础上,推导比力的模误差与加速度计误差系数之间的关系式。设计一个五维静态Kalman滤波器进行加速度计组合误差系数的在线标定,并讨论了加速度计组合误差的补偿方法。计算机仿真和多组试验结果表明:采用所提方法,空间稳定系统加速度计误差的标校精度达到1×10-5g量级,所用加速度计的长期稳定性优于1.5×10-5g,对实现高精度导航具有实用价值。

壳体翻滚失准角模型最小二乘辨识方法

为了提高空间稳定惯性导航系统的姿态角测量精度,建立了壳体翻滚失准角模型,给出了从壳体翻滚失准角幅值和初始相位到当地水平坐标系下的姿态转换矩阵的传递规律。利用静态下平台运动学方程中壳体翻滚失准角与框架角的定量关系,进行了壳体翻滚失准角模型最小二乘辨识方法仿真,结果表明模型系数估计精度是足够的。针对实验系统,经过模型补偿,姿态角计算误差峰峰值小于0.5′。

空间稳定平台通用误差模型

自由转子陀螺是一种二自由度机电陀螺,其漂移特性可应用二次型漂移误差模型描述。从二次型漂移误差模型出发,推导了壳体翻滚条件下的调制平均漂移误差模型,并推广到空间稳定平台上工作的极轴陀螺和赤道陀螺;列写了二次型陀螺漂移误差模型驱动下的空间稳定平台标称运动方程;经过扰动线性化,求解出平台标称运动轨迹增量坐标的解析表达式;基于扰动线性化模型并考虑到加速度计测量误差,证明了观测变量为纬度误差、经度误差及冗余轴转角误差时,空间稳定平台运动方程的17项误差系数都是可辨识的;分析了该17项误差系数的估计精度与加速度计组合件测量误差的关系。仿真和实验结果表明本文提出的通用误差模型是有效的。

基于温度变化Fourier展开的惯导航向效应补偿

航向效应对高精度空间稳定平台式惯性导航系统具有致命的影响。根据系统变航向导航试验数据,分析了变航向引起温度及平台漂移变化的作用机理,讨论了平台漂移变化与温度变化的相关性,进而提出基于温度变化Fourier展开的航向效应补偿方法。采用滑动最小二乘拟合导航误差的方法提取平台常值漂移的变化,并以此为观测量标定平台漂移的温度系数。最后,利用多组变航向试验数据对所述补偿方法进行验证,结果表明:平台常值漂移变化与温度变化基波分量的幅值具有强相关性,该补偿方法可将温度变化引起的航向效应误差降低40%~90%,具有较强的工程应用潜力。

基于线反电动势的三相PMSM角度传感器零位标校方法

角度传感器零位的精确标校是实现永磁同步电机高精度控制的前提。针对现有零位标校方法复杂及标校精度低的问题,提出一种基于线反电动势观测的三相永磁同步电机角度传感器零位标校方法。根据电磁感应定律,分析外力矩带动电机旋转时相反电动势随机械角变化的规律,并从三相电机结构入手,推导线反电动势和相反电动势之间的相位关系。利用角度传感器过零信号触发捕捉线反电动势波形,并基于线性插值法精确定位线反电动势过零点,再通过移相得到角度传感器零位;借助扰动法分析角度及电压测量误差对角度传感器零位估计精度的影响。理论与测试结果表明,基于线反电动势观测的方法可有效估计角度传感器零位,精度可达0.018°;补偿角度传感器零位后,电机运行效率提升显著。所提方法便捷、经济,对提升永磁同步电机的控制性能具有重要的作用。

长航时高精度惯导系统姿态阵的四种解算方法

高精度惯性导航系统是保证水下或水面运载体长时间安全航行及搭载的仪器设备正常工作的关键技术之一,姿态阵解算是其核心问题。通过分解姿态阵以及分别采用Euler角和四元数描述姿态参数,建立解算姿态阵的四种方法;分别对这四种方法中的姿态模型进行扰动,并研究相应线性化误差模型的精度及其影响因素;利用数值仿真法对四种姿态解算方法的结果及对应的线性化误差模型的精度进行了比较分析,结果表明:姿态阵解算分解法显著差别于整体法,采用Euler角或四元数描述姿态参数对姿态阵解算精度的影响不显著,分解法对应的线性化误差模型的精度优于整体法。

利用加速度信号时频域特征的枪击识别研究

当前枪支射弹可靠检测及精确计数是枪弹管控的难点之一。为提高基于加速度信号的射弹检测算法的精度和可靠性,提出一种新的射击信号时域特征提取方法—时域分段特征提取法,可避免时域特征过度依赖于加速度瞬时尖峰的问题。首先,提取了枪击加速度样本信号的时域和频域各类统计特征。然后,采用机器学习分类算法K近邻、逻辑回归、支持向量机以及决策树和随机森林进行枪击识别建模。最后,探索和比较各种单一特征对枪击事件识别模型性能的影响。实验结果表明,所提取的主波动域面积特征具有最优的区分度,能够在多数机器学习算法上达到99%以上的分类准确率。

基于扰动比力的壳体翻滚失准角辨识

为在动基座条件下辨识安装在空间稳定平台上的陀螺仪壳体翻滚失准角,建立了基于扰动比力矢量的壳体翻滚失准角模型,设计了辨识模型系数的静态Kalman滤波器。试验结果表明:该方法在静止水平基座和摇摆基座条件下,壳体翻滚失准角模型辨识精度相同,经模型补偿后的姿态角与壳体翻滚失准角模型最小二乘辨识方法得到的结果相比,差值不超过1.54″,远优于姿态角测量精度的要求。