高精度惯性导航系统的技术预见

面对水下装备无人化/智能化的发展趋势,系统分析国内外知名惯性导航系统生产公司的产品,梳理水下装备的核心设备—惯性导航系统的发展趋势。基于工具检索国内外知名惯性导航系统公司的公开文献、专利以及产品手册等开源信息,提炼关键信息以及参数进行对比分析。目前,光纤陀螺惯性导航系统在国内已成为实现水下装备高精度定位的核心产品,基于谐振陀螺的惯性导航系统尚处于研发阶段。国际市场上,基于激光陀螺的惯性导航产品正逐渐被基于谐振陀螺和光纤陀螺的惯性产品替代。从法国赛峰和Exail这两家顶尖公司的产品指标看,谐振陀螺高精度惯性产品相比光纤陀螺高精度惯性产品而言,无论在体积还是在质量上都有较大优势,后续可能完全替代光纤陀螺系统成为市场主流。

基于点线的视觉惯性导航系统初始化方法

视觉惯性导航系统在初始化阶段解算出系统初始位姿、惯性测量单元(IMU)零偏以及单目尺度因子,能极大程度上保证系统收敛。为解决视觉惯性导航系统在点特征缺失环境下初始化效果差甚至失败的问题,提出了一种基于点线的视觉惯性导航系统初始化方法。首先,通过几何方法在滑动窗口内构造了一个基于点线的结构,该结构相比于点结构具有更丰富的先验信息;其次,使用从运动中恢复结构(Sf M)的方法,恢复点线结构的运动状态;最后,以松组合的形式对齐结构的运动状态以及IMU预积分结果,求解出IMU零偏、重力加速度、速度和尺度因子等初始量。实验结果表明:在点特征缺失的公共数据集上,相较于基于点特征的初始化方法,所提方法的均方根定位误差减少6%,初始误差显著降低,同时具有更好的建图结果。

基于声学的水下惯性导航系统校准技术研究

随着海洋开发的进程推展,自主式水下潜航器(AUV)的导航技术也在日益进步。随着技术的探索,发现惯性导航的声学导航结合的导航模式才是未来的主要导航方向。因此,提出一种基于声学的水下惯性导航系统(INS)校准方法,其定位精度由惯导精度、安装偏差和声学定位精度综合决定。结果显示,在水下平台采用高精度光纤惯导并精确测量安装偏差的条件下,此方法能够获取不大于100 m的定位精度,能够很好地为水下平台提供导航系统修正。

基于舰艇运动状态的惯性导航系统仿真软件设计

舰艇惯性导航系统的工作性能,尤其是导航误差,与舰艇的运动有关。为便于开展舰艇运动状态对惯性导航系统误差影响的研究,设计了一套基于舰艇运动状态为激励输入的舰艇惯性导航系统仿真软件。对仿真系统的结构组成、舰艇运动状态仿真的架构原理和舰艇运动状态信息至惯导敏感信息的转换流程进行了设计,详细介绍了仿真软件的功能组成和设计使用,分析可知,在给定仿真参数的情况下,可以输出导航参数及导航误差。设计的仿真软件对研究受舰艇运动状态影响的惯导系统动态性能误差具有参考价值。

面向组合惯性导航系统的χ^(2)故障检测与诊断

文章主要对组合导航系统中的χ^(2)故障及其诊断进行研究。将该系统基本的误差模型作为依据,针对其故障诊断,提出了在联邦滤波结构中适用的故障监测技术,即通过联邦滤波结构中的残差检验技术来检测该系统里的硬故障,将没有故障情况下的最优全局估计信息构造滑动残差用作检验标准,来检测该系统中的软故障,并将软故障检测函数作为依据,自适应调节信息分配系数。经实验发现,本次所提出的算法在此类故障检测及其诊断中十分适用。

飞机惯性导航系统的发展与现状研究

惯导系统具有无外部环境和能源消耗等优点,是当前最常用的一种自主导航方法。以牛顿动力学为基础,提出了一种利用固定在平台上的加速度传感器来测量平台上的加速度累积,从而计算推导出平台的速度和位置。由此得到平台的速度、位置等信息。惯导系统在航空航天领域发挥着举足轻重的作用。本文通过对惯性导航系统的现状及发展展开了相关内容探究,以供参考。

复杂城市环境下的全球导航卫星系统/捷联惯性导航系统组合导航算法

针对复杂城市环境下,全球导航卫星系统(GNSS)信号出现频繁短暂失锁或拒止时,对GNSS/捷联惯性导航系统(SINS)组合导航系统的导航精度和鲁棒性影响较大问题,该文提出一种改进的因子图滤波方法。首先使用GNSS接收机内部参数构建信号误差鉴别函数,能实时估计出信号受多径干扰、遮挡等情况下的信号测量性能;同时利用载体运动约束条件构造零速修正因子,对GNSS拒止情况下的系统状态进行更新,避免系统导航性能极速下降。实验结果表明,改进的因子图方法相比经典因子图方法,在城市复杂环境下能提高定位精度63.50%和测速精度42.26%,同时也具有更低的存储量和计算复杂度,特别适用于城市车辆辅助驾驶导航设备中,对导航精度、硬件资源和实时性约束强的场景。

基于改进容积卡尔曼滤波器的超宽带/惯性导航系统室内融合定位技术

在室内非视距环境中,单一超宽带(ultra wide band,UWB)技术会产生稳定性差和定位精度低的问题,以至于不能达到室内定位的要求。将UWB定位技术和惯性导航系统(inertial navigation system,INS)技术相结合,能够有效抑制非视距误差对定位结果的影响,因此本文提出基于改进的容积卡尔曼滤波器(cubature Kalman filter,CKF)的UWB/INS融合室内定位方法。首先,通过广义似然比检测算法对行人的静止态和运动态进行检测;之后对于静止态通过零速修正算法对速度进行修正,零积分航向角速率修正算法对航向角进行修正;然后,通过模糊综合评判的非视距识别算法对非视距信号进行识别,通过基于半定规划的非视距修正算法对识别出的信号进行修正;最后通过改进的容积卡尔曼滤波器将UWB定位数据和INS定位数据进行融合,得出组合定位结果。实验结果显示,与标准容积卡尔曼滤波算法相比,改进的容积卡尔曼滤波算法的定位结果均方根误差降低了2.32 cm(18.82%),拥有更好的定位精度和鲁棒性。

全球导航卫星系统惯性导航系统组合导航的算法综述

对全球导航卫星系统惯性导航系统组合导航的特点进行了介绍,对卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波、容积卡尔曼滤波、粒子滤波等传统滤波算法进行了分析,并论述了神经网络算法的研究进展。

视觉惯性导航系统初始化方法综述

视觉惯性导航系统通过初始化,对尺度信息、重力向量、速度、惯性传感器偏差等一系列状态估计所需参数进行快速求解,以提升系统后续导航定位与环境感知的准确性。根据传感信息耦合方式,视觉惯性导航系统初始化方法可以分为三类:联合初始化、非联合初始化和半联合初始化。基于现有研究工作,从基础理论、发展与分类、现有方法、性能评估四个方面展开,对目前主流的初始化方法进行综述,并总结视觉惯性导航系统初始化领域未来的发展趋势,有利于对视觉惯性导航系统初始化方法形成总体性了解并把握其发展方向。

基于多频段重力扰动的惯性导航系统重力补偿方法研究

重力扰动补偿技术是进一步提升高精度惯性导航系统定位精度的一种重要手段。本文针对重力扰动对高精度惯性导航系统的影响,深入分析重力扰动影响惯性导航系统的误差特征与频率特征,通过将多频段重力扰动引入惯性导航解算,对采用多频段重力扰动实现惯性导航系统重力补偿的方法进行了研究。研究表明,水平重力扰动在惯导输出中可造成舒勒振荡变化的导航误差,且误差振幅与重力扰动的大小成正比。北向或东向的重力扰动分量除了引起纬度/经度方向的速度和位置误差外,也可通过水平通道间的交叉耦合效应引起经纬度另一方向的速度和位置误差。特别对于低速运行的水下载体,水平重力扰动的高频信号对惯性导航系统的位置影响更为显著。为补偿水平重力扰动引起的惯性导航误差,提出基于重力场模型联合剩余地形模型技术确定多频段重力扰动的重力补偿方法,可有效恢复重力扰动的高频信号。通过开展船载和陆地车载动态试验,验证了该重力补偿方法的有效性,该补偿方法能减弱惯性导航的误差振荡趋势,经过补偿后的车载和船载双轴旋转调制惯性导航系统位置定位精度最大分别提高了约13.2%和17.9%。

激光捷联惯性导航系统动态锥动误差建模分析

提出了一种机抖激光陀螺的锥动误差参数建模与补偿方法。首先从机理上分析了锥动误差产生的原因,利用有限元分析方法给出了在不同外界角加速度输入下激光陀螺敏感轴的变形情况;建立了锥动误差的补偿模型,将锥动误差的影响用锥动误差系数表示,该系数仅和激光陀螺自身相关;设计了锥动误差系数的系统级标定方案,利用圆锥运动前后系统的姿态误差与锥动误差系数的关系完成参数标定。然后通过激光陀螺和光纤陀螺的圆锥运动实验,证明了锥动误差的存在;通过系统级的圆锥运动实验,证明了锥动误差的补偿效果。最后通过系统级的振动试验,验证了本文提出的锥动误差补偿方法能够有效地减小振动环境下系统的姿态和速度误差,对提升惯导系统在复杂力学环境下导航精度有着重要作用。

某型机载惯性导航系统对准导航数据分析软件研制

正常罗经对准导航中温度、平台偏角、导航脉冲数等的检查是某型惯性导航系统产品调试的基础,也是反映惯导性能的重要指标。通过对对准、导航过程中各参数计算流程的分析,基于LabWindows/CVI软件开发平台,设计了某型机载惯性导航系统对准导航数据分析软件。实际应用证明,该软件可以减少人工读数造成的工作量和差错率,可提高生产效率和产品质量。

基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状

根据美国 DARPA(the Defense Advanced Research Projects Agency)资助项目的概况,介绍了微电子机械系统(MEMS)惯性传感器领域的新进展,对 DARPA 的特别项目 MEMS-INS(Inertial Navigation System)的进展状况进行了说明。详细描述了惯性技术、导航技术领域内前沿研究机构研究 MEMS INS 的路线,总结了微型导航技术系统算法的研究现状。最后,对 MEMSINS 的发展进行展望,指出 MEMS INS 的发展方向。过去的发展趋势表明:微型惯性技术将向芯片级的超小型 MEMS IMU(Inertial Measurement Unit)和 MEMS INS 以及组合导航的发展方向。

惯性导航系统重力扰动矢量补偿技术

在较高精度惯性导航系统中,重力扰动矢量的影响不可忽略。建立了考虑重力扰动矢量的惯导误差方程,对采用高精度惯性元件(陀螺仪零偏稳定性为0.001 deg/h,加速度计零偏稳定性为0.01 mg)的惯导进行误差仿真,对比分析无重力扰动矢量补偿(垂线偏差为5"～10",重力扰动矢量垂向分量为25～50 mGal)与有重力扰动矢量补偿(垂线偏差和重力扰动矢量垂向分量补偿精度分别为1.6"、2 mGal)两种条件下的惯导定位和姿态误差。仿真结果表明:经重力扰动矢量补偿后,24 h内惯导定位和航向误差分别减小2 nm和1′。

捷联惯性导航系统误差模型综述

不同的捷联惯性导航系统误差模型主要由误差的数学定义形式及误差的参考坐标系决定。在详细讨论了捷联惯性导航系统的误差模型在相同的参考坐标系下不同的数学形式时的误差方程,以及相同的数学形式下不同参考坐标系时误差模型间数学关系的基础上,推导了乘性四元数误差之间和旋转矢量误差之间的关系,并给出了在应用不同误差模型时的注意事项。

捷联惯性导航系统的姿态算法优化设计

在圆锥运动条件下，具有相同时间间隔的两个角增量的叉乘对圆锥补偿的贡献相等。本文根据这一特点，设计了一种捷联惯导系统姿态算法，在圆锥补偿获得相同精度的情况下，它的计算量较少。同时，利用此特点，推导出利用前一圆锥补偿周期的角增量进行圆锥补偿的算法，提高了补偿精度。本文给出了仿真实验结果。本文为研制激光陀螺捷联惯导系统提供了一种高精度算法。

惯性导航系统的误差估计

惯性导航系统(INS)以其自主的工作能力广泛应用于军事武备的导航、制导与控制系统和国民经济的诸多领域。它的主要缺点是定位误差随其工作时间的增长而增大。对惯导系统的误差进行估计和补偿是在保证性能价格比的前提下,提高惯性导航系统精度的有效途径。目前,对惯导系统的误差修正均采用外信息(如GPS的输出信息)校正, 即在INS工作的全部时间内,定期地利用GPS输出的速度和位置信息与INS输出的相应信息的差值作为观测量, 对INS误差进行估计和补偿。Kalman滤波的方法广泛地应用于惯导系统的误差修正初始对准。本文研究了当地水平惯导系统的的误差估计和补偿问题。分析结果表明,采用Kalman滤波的方法,可以精确地估计惯导系统的误差(包括陀螺漂移和加速度计零偏),误差估计的精度高,并且估计的方差阵收敛快。

UKF方法在惯性导航系统初始对准中的应用研究

针对初始对准的精度直接影响系统工作性能问题,在初始对准中引入Unscented卡尔曼滤波算法(UKF)。Unscented卡尔曼滤波算法没有把非线性系统近似为线性系统,而是使用确定性样本的方法处理非线性问题,使采样点的均值和方差完全符合实际的非线性系统的均值和方差,解决了惯性导航系统正常工作的基本条件。仿真结果显示,使用Unscented卡尔曼滤波时惯性导航系统初始对准的精度和稳定性都好于普遍使用的广义卡尔曼滤波方法。

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。