基于重力模型阶次自适应的实时重力补偿系统研究

重力扰动已成为高精度惯性导航系统的一项主要误差源,对其进行补偿可进一步提升导航精度。通过EIGEN-6C4重力场模型可计算全球范围内的重力扰动,模型阶次越高,计算结果越精确,但相应的计算量和存储量越大,在传统的导航计算机上使用高阶模型很难满足实时性要求,而使用低阶模型会导致较大的截断误差。针对以上问题,根据模型阶次与空间分辨率的关系,以及重力扰动在惯导力学编排中的传播特性,研究了一种易于在嵌入式系统实现的可随载体运动状态降频率、降阶次的实时重力补偿方案,并采用DSP实现了软硬件方案。最后,通过半实物仿真验证了所述方案既能满足实时性要求,也能保证补偿精度:东向及北向位置精度最大提升649 m和686 m,平均提升效果可达2 190阶重力模型补偿后精度提升量级的94%。

一种高精度动基座传递对准方法

在动基座传递对准过程中,主、子惯导间的挠曲变形是影响子惯导对准精度的主要误差因素。传统的传递对准方法通常将挠曲变形等效为经验的马尔可夫模型,当实际的挠曲变形与经验模型的匹配度较低时,便会导致传递对准精度下降。为此,提出了一种不依赖于挠曲变形经验模型的高精度传递对准方法。首先,推导并建立了挠曲变形与主/子惯导陀螺仪测量的角速度之间的内在关系,利用主/子惯导陀螺仪测量得到的角速度信息,直接计算得到挠曲变形的粗略值;其次,推导了挠曲变形的计算误差与陀螺仪误差之间的耦合关系,建立了一种不依赖于挠曲变形经验模型的新型传递对准系统模型;进而,利用最优估计算法对挠曲变形的计算误差进行精确估计与补偿。仿真验证表明,所提方法能够精确补偿复杂的挠曲变形,从而实现高精度的动基座传递对准。

旋转调制惯导系统转位机构的高精度控制研究

为了满足先进旋转调制惯导系统对转位机构的高控制精度要求,以及弥补传统PI控制无法兼顾动态响应和稳态误差的缺陷,设计了一种结合了饱和校正的模糊-PI复合控制方法。该方法布置在传统三闭环控制中的位置环,以位置误差以及位置误差变化率为输入,通过不同状态下配置相对合理的控制策略,可以兼顾模糊控制和PI控制的优点,实现对系统的精准调节。同时,引入的饱和校正技术可以有效抑制PI控制器积分项的过渡累积,从而减少了控制器在长期运行过程中可能出现的累积误差,提高了系统的稳定性和控制精度。该控制方法在某型号平台式旋转惯导装置上表现出色,实际测试结果表明,系统的稳态精度可以稳定控制在±5″内,响应时间可以控制在5 s以内,可满足高精度转位控制的需求。

MEMS陀螺随机误差特性研究及补偿

为了提高MEMS陀螺输出角速度的精度,采用Allan分析法以及Kalman滤波算法对MEMS陀螺仪进行随机误差分析和补偿。由Allan方差分析陀螺的输出数据,对Allan方差进行最小二乘法拟合,得到各项随机噪声的定量评价指标;对陀螺的输出数据使用AR模型进行数学建模,采用AIC准则确定了AR模型的阶次,建立了陀螺零漂数据的离散时间表达式;在AR模型所建立的陀螺随机误差模型的基础上,设计了Kalman滤波器,对陀螺输出数据使用Kalman算法进行了滤波处理,对陀螺的随机误差进行了补偿;通过Allan方差对Kalman算法对陀螺随机误差的补偿效果进行分析。实验结果表明:角速率随机游走Kalman滤波前为槡0.148 7°/h^(1/2),Kalman滤波补偿后为槡0.004 1°/h^(1/2),,通过补偿可减小97.24%的角速率随机游走误差;零偏不稳定性Kalman滤波前为1.940 8°/h,Kalman滤波补偿后为0.054 2°/h,通过补偿可减小97.21%的零偏不稳定性误差;速率随机游走Kalman滤波前为2.698 5°/h^(3/2),Kalman滤波补偿后为0.334 3°/h^(3/2),通过补偿可减小87.61%的速率随机游走误差。Kalman滤波适用于MEMS陀螺的滤波处理,可有效降低陀螺的随机误差。

利用轨迹诱导的欺骗式GPS干扰技术研究

为了干扰敌方GPS卫星导航设备,使其无法提供正常的导航信息,文中提出了一种根据探测到的飞行器轨迹,通过在每颗卫星上施加不同的传播时延和多普勒控制量来实现位置和速度同时欺骗的方法,并给出欺骗控制量的计算算法。该干扰技术适用于GPS民码和军码方式下的导航欺骗,且不易被检测和抑制;为导航战下的卫星对抗提供了有效的干扰手段。

基于最小分辨率的MEMS陀螺漂移抑制方法研究

针对油气井MEMS陀螺定向测斜仪存在的漂移大,精度较低的问题,本文从实际工程应用角度出发,在研究MEMS陀螺仪输出信号漂移特性的基础上,提出了基于最小分辨率的MEMS陀螺漂移抑制方法,利用输出采样的差分值,从MEMS陀螺输出中将传感信号和漂移信号分离,同时通过静态测点对漂移进行估计。实验表明,该方法大幅提高了仪器测量精度,使定向精度提高50%以上,同时该方法为其它类似传感器漂移抑制提供了一种有益的参考。

光纤陀螺随机游走系数的分析研究

分析了产生随机游走误差的机理,分别采用有关标准和Allan方差进行了随机游走系数的分析和计算。结果表明:随机游走系数是衡量光纤陀螺噪声水平的重要指标,其值的大小体现了陀螺的极限精度。采用Allan方法表述光纤陀螺的静态指标,物理概念清晰,方法简便。

惯性测量系统零速修正的几种估计方法

—零速修正（ＺＵＰＴ）在惯性测量系统中占据着至关重要的地位，它是进行误差控制的一种廉价而有效的手段。进行零速修正的方法主要有实时卡尔曼滤波和曲线拟合法。本文对国内外常用的几种估计方法和原理进行了分析和比较，并在卡尔曼滤波和状态方程解曲线拟合的基础上提出一种新的估计方法—平滑估计法。它将给出更好的零速修正结果。最后，我们利用改装的，И—２１惯导系统在北京郊区一条测线上跑车的实测数据，给出了实际处理结果，并对各种方法进行了评估。

捷联惯导系统的误差模型与仿真

为研究捷联惯导系统短时间导航精度,建立了导航误差数学模型,分析了惯性器件误差对系统导航精度的影响。应用捷联惯性导航原理,针对系统短时间导航的特点,简化了载体在导航坐标系的导航方程;由惯性器件安装误差与陀螺仪等效零漂经过方向余弦矩阵变换建立载体姿态误差方程;结合导航方程、姿态误差方程与惯性器件误差推导出载体速度误差与位置误差数学模型。在此基础上,建立了误差状态空间方程与误差模型框图。在Matlab/Simulink环境下建立了误差数学模型计算模块,用捷联惯导算法与误差模型共同解算地面150s导航试验数据。结果表明:导航系X轴的相对系统误差<20%,Y轴、Z轴的相对系统误差<4%,验证了误差数学模型的正确性。此外,分析了加速度计精度的变化对短时间工作的捷联惯导系统导航误差产生的基本影响。

无陀螺捷联惯导系统

阐述了无陀螺捷联惯导系统的原理，推导了其力学编排方程，提出并论证了提高载体角速度的计算值精度的方法。从而得到了适于工程应用的无陀螺捷联惯导系统方案，对该方案进行了计算机仿真计算。得到了满意的结果。

一种激光陀螺捷联惯性导航系统级标定方法

为优化激光捷联惯性导航在卧式三轴转台上的系统级标定方案,设计了卧式三轴转台外环轴整周旋转对惯性测量单元(IMU)误差参数的激励方法。基于捷联惯性导航的误差方程,阐述了速度误差与IMU误差参数间的关系,从而建立IMU系统级标定模型。该模型具有加速度计误差参数仅反应在观测量北向分量、陀螺误差参数仅反应在观测量东向分量的特点,消除了加速度计和陀螺误差参数标定误差的相互影响。根据准D最优准则,设计了正二十面体12点计划的双轴位置单轴速率翻滚法,利用最小二乘法辨识出IMU的24项误差参数。通过给加速度计和陀螺加入不同测量噪声,对IMU标定模型进行仿真,结果表明该方法可抑制加速度计和陀螺的测量噪声对标定结果的影响。

GPS 动态滤波的新方法

本文提出一种ＧＰＳ动态定位滤波的新方法。该方法直接从ＧＰＳ接收机输出的定位结果入手，将各种误差因素的影响等效为输出定位结果的总误差，视为有色噪声，建立线性卡尔曼滤波模型对位置和速度信息进行估计。与以往采用的非线性卡尔曼滤波器相比，滤波后定位误差明显减小，且模型简单，系统运算量降低，实时性较好。另外，为了提高滤波器的动态性能。

GPS与无陀螺微惯性测量单元组合导航系统设计

基于无陀螺微惯性测量单元(NGMIMU)九加速度计配置方案,利用高精度的全球定位系统(GPS)信号,与NGMIMU组合,进行导航系统设计。利用组合卡尔曼滤波器抑制了导航误差的迅速累积,推导了组合卡尔曼滤波器的状态方程和观测方程,进行了系统位移、速度和角度仿真,仿真结果验证了NGMIMU/GPS系统设计方案的可行性。

MEMS陀螺标度因数误差分析及分段插值补偿

动态条件下,标度因数引起的误差是MEMS(Micro Electromechanical System)陀螺主要误差源之一.为了提高陀螺精度,基于内框驱动式硅MEMS陀螺误差机理,分析了标度因数常值误差、非线性误差以及不对称误差的物理起因,构建了标度因数误差数学模型,提出了对陀螺标度因数按照角速度大小分段插值的补偿方法,消除了转速引起的陀螺标度因数误差.试验结果表明:MEMS陀螺标度因数误差高达4053.2(°)/h(1σ),采用分段插值法补偿后陀螺误差减小到79.0(°)/h(1σ),补偿精度比一次拟合及分段法分别提高了15.4倍和7.5倍,验证了MEMS陀螺标度因数误差模型的正确性,证明了标度因数实时分段插值补偿方法的准确性和适用性.

一种高精度角速率圆锥补偿算法

以角速率信号作为算法输入时,采用以往常用的圆锥补偿算法,算法误差明显增大.鉴于光纤陀螺角速率信号可以直接获取,提出了一种以角速率信号作为圆锥补偿算法输入的新补偿算法.在姿态更新周期内,以光纤陀螺角速率信号作为输入,求得陀螺角速率输出的表达式,结合旋转矢量微分方程,推导出新圆锥补偿算法表达式,然后以算法漂移误差最小对新算法进行优化.采用规则进动、典型的圆锥运动以及有噪声干扰的圆锥运动作为测试输入,通过与传统算法的对比,新算法计算量低、计算简单方便,算法精度高.新算法的提出为高动态环境下光纤陀螺捷联系统的姿态误差补偿提供了一个新的思路.

捷联惯性导航系统旋转调制技术研究

捷联惯性导航系统的旋转调制技术是一种自校正方法,它能在不使用外部信息的条件下,自动补偿陀螺漂移和加速度计零偏引起的系统导航误差。该技术在国外潜艇和舰船上已得到成功应用,旋转捷联惯性导航系统的误差传播方程是研究旋转捷联惯导系统初始对准、系统级标定等的基础。基于此,推导了以地理坐标系为导航坐标系的单轴旋转捷联惯性导航系统的导航方程和误差传播方程(位置误差方程、速度误差方程、姿态误差方程),给出了误差传播的仿真结果。仿真表明,若采用单轴旋转调制技术,陀螺仪常值漂移和加速度计零偏引起的导航误差都可以得到有效补偿,而初始位置误差、速度误差及姿态误差引起的导航误差得不到补偿。将旋转调制技术应用于捷联惯导系统,能极大地提高武器系统的长期工作精度。

自抗扰控制技术在捷联惯导动基座初始对准中的应用研究

提出并设计了应用自抗扰控制技术(ADRC)的捷联惯性系统动基座初始对准方案。通过数字仿真,将卡尔曼滤波与自抗扰控制的性能进行了详细的比较,证明该方法具有对准时间快,精度高,抗干扰能力强等特点。

Error Analysis and Compensation of Strapdown Inertial Navigation System

Based on error analysis, the influence of error sources on strapdown inertial navigation systems is discussed. And the maximum permissible component tolerances are established. In order to achieve the desired accuracy (defined by circular error probability), the types of appropriate sensors are chosen. The inertial measurement unit (IMU) is composed of those sensors. It is necessary to calibrate the sensors to obtain their error model coefficients of IMU. After calibration tests, the accuracy is calculated by uniform design method and it is proved that the accuracy of IMU is satisfied for the desired goal.

旋转弹姿态解算方法研究

针对旋转弹姿态测试中导航误差随时间积累过快的问题,提出了由加速度计和磁强计构成组合测试系统。针对一种十二加速度计配置方案,利用拟牛顿法解决了姿态解算的问题。仿真结果表明,该算法能有效的抑制误差的积累,有助于提高导航精度。

MEMS旋转调制式航姿参考系统设计及误差补偿

为了实现中精度、低成本的航姿参考系统,提出了一种基于低精度MEMS(Micro Elec-tronic Mechanical System)陀螺旋转调制技术的解决方案,研究了陀螺的刻度系数误差以及比例敏感漂移在旋转调制下的特性,分析了旋转调制技术可能引入的新误差,如旋转分解误差,涡动误差等;针对各种不同的误差源,给出了相应的误差补偿方法及补偿结果。实验结果表明,经误差补偿后,旋转调制可以将MEMS陀螺的精度提高近30倍,利用漂移为30°/h的MEMS陀螺可以实现优于1°/h的航姿保持精度。