导弹射前惯测组件误差在线标定方案研究

弹上惯测组件(IMU)的误差是影响系统导航精度的重要因素,并直接决定导弹的落点偏差。针对离线标定的误差并不能完全反映实际使用时的误差状况,主要研究弹上惯测组件在一次通电情况下误差的在线标定方案。首先利用导弹水平、竖直和其他起竖位置来标定IMU的可行性分析,然后重点提出利用发射车从仓库到达发射点过程中停车位置的信息来辅助在线标定的方案,在理论分析的基础上给出了计算公式。最后,通过仿真结果表明,该方案能在一定精度条件下标定出IMU所有的误差参数,是行之有效的。

低成本捷联惯导系统的静基座快速精对准方法

针对低成本捷联惯导系统难以完成航向自对准以及静基座对准可观性和可观度低的问题,提出了同时将速度误差、姿态误差和航向误差作为观测量的卡尔曼滤波对准方案;建立了姿态误差、航向误差与数学平台误差角之间的量测关系;推导了利用加速度计计算姿态的方法,并配置磁传感器作为外观测设备提供航向参考基准,从而获得滤波器观测量.结果表明,建立的对准模型和方法有效提高了系统的可观性和可观度,缩短了对准时间、提高了对准精度,并且实现了低成本捷联惯导系统的航向对准,具有重要的工程实用价值.

天空偏振光辅助的组合导航方法

针对传统惯性/卫星组合导航方式的局限性,提出利用天空偏振光进行辅助导航的方法。研究了晴朗天空偏振光分布模式,初步揭示了理想大气偏振特性;分析了偏振光导航传感器的工作原理,为了将偏振光导航传感器输出的方位信息转化为航向角,推导了确定太阳相对位置的计算公式。在设计SINS/GPS/偏振光组合导航系统结构的基础上,进行了动态仿真,结果表明:偏振光导航传感器提供的方位信息,有效修正了组合导航系统的航向角误差,航向角精度与传感器测角精度相当。基于偏振光的自主定向方法增强了系统导航性能,具有广阔的应用前景。

MEMS-IMU/GPS组合导航系统的实现

针对我国军事和民用对低成本、微小型、高性能导航系统的迫切需求,提出基于MEMS技术的IMU/GPS组合导航系统方案,深入研究了构建该组合导航系统的关键技术。由于MEMS陀螺的零偏受到温度影响,提出采用递推最小二乘自适应标定算法(ARLS)进行误差标定和补偿,从而提高MEMS陀螺的使用精度;建立了MEMS-IMU/GPS组合的卡尔曼滤波器,利用加速度计倾角传感器原理估计载体的水平姿态,增强了姿态信息的冗余度和可靠性;设计了该组合导航系统的信息融合策略。最后,构建了基于DSP的MEMS-IMU/GPS组合导航系统。机载飞行试验结果表明,该系统算法正确、性能可靠,达到了较高的导航精度,具有广阔的应用前景。

FOG信号的变步长符号LMS自适应消噪方法

针对光纤陀螺输出信号的随机漂移,本文提出了变步长符号LMS自适应消噪方法。结合工程实际需要,该方法在常规最小均方算法(LMS)的基础上进行了两方面改进:一方面,从提高滤波精度和稳定性角度引入输入信号的归一化功率;另一方面,从减少计算复杂性、提高算法实时性角度引入误差符号函数;并通过收敛性分析确定了变步长符号LMS算法的步长参数。某型光纤陀螺的静态实验和转动实验结果表明变步长符号LMS算法不仅可以提前确定步长参数,且在滤波稳定性、滤波精度和实时性等综合性能方面具有优越性,适合工程应用。

提高GPS精度的差分定位定速算法

针对GPS高精度应用环境的要求,研究了GPS差分定位定速算法。推导了利用双差法计算载体位置和速度的具体算法,并建立了具体的计算流程图。利用实验室两台NovAtel OEM—1双频GPS接收机观测的静态数据进行验证,结果表明:差分GPS算法有效减小了GPS的测量误差,扩展了GPS的应用范围,双差法确定的飞机位置误差小于0.1 m(1σ),速度误差小于0.008 m/s(1σ)。

等效旋转矢量系数优化的参数解析法

基于等效旋转矢量的姿态算法是减小捷联姿态计算中不可交换性误差的有效方法。针对Miller的多子样优化方法过程复杂且仅适用于优化圆锥运动的局限,提出了通过角速度矢量的高一阶近似模型并利用其各阶导数间的解析关系,实现系数优化的新方法——参数解析法。以Miller的三子样基本算法为例阐述了参数解析法的优化思路并详细推导了其优化过程,在经典圆锥运动环境下得到了与Miller法相同的优化结果。最后在规则进动和广义圆锥运动环境下对该方法的适用性进一步进行验证。该方法简单直观,无需求解误差四元数的解析式,适用范围广,为等效旋转矢量的系数优化提供了一种新思路。

状态x^2检验法在惯性航姿系统内阻尼卡尔曼滤波器中的应用(英文)

本文探讨了如何利用惯性测量组合本身的信息来提高捷联航姿系统的姿态精度。根据平台式阻尼网络的思想,设计了捷联式内阻尼卡尔曼滤波器,将惯导系统捷联解算获得的姿态与加速度计估计的姿态进行组合,在系统非加速度状态下,提高了姿态输出的精度。为了实时监测系统的运动状态从而判断内阻尼姿态的有效性,本文成功将状态x^2检验法应用在内阻尼卡尔曼滤波器中,设计了基于2个状态传播器的故障监测器,并通过对故障检测向量元素的检验代替对整个向量的检验,提高了故障监测的灵敏度和可靠性。最后,实际系统的动静态实验验证了本文所提出的方法的有效性。

旋转式光纤捷联惯导系统的误差效应分析

旋转式光纤捷联惯导系统的误差效应研究关乎系统的设计和精度的提高。在建立惯性元件误差模型的基础上,分析了系统的旋转调制原理,推导了惯性元件的零偏、安装误差、标度因数误差和随机误差在单轴单方向旋转下产生的误差效应,仿真研究了转速大小对系统精度的影响。结果表明,旋转调制可以有效补偿与转动轴垂直方向惯性元件的零偏,且转速越大效果越好;旋转调制会引入额外的标度因数误差效应,且转速越大误差越大。在设计旋转式捷联惯导系统时,要求惯性元件的标度因数误差和安装误差尽可能小,并且转速不宜过大,采取正反旋转相结合的方式可以取得更显著的误差补偿效果。

基于大气偏振光定向的重力辅助惯性导航算法

根据重力辅助惯性导航方式对动态重力测量精度的要求,提出利用大气偏振光进行辅助定向的方法。从瑞利散射理论出发,深入研究了大气偏振光的定向机理;设计了惯性/重力/计程仪/偏振光组合导航系统的信息融合方式,建立了扩展卡尔曼滤波模型;构建了仿真验证系统,动态仿真结果表明,偏振光提供的方位信息,有效修正了组合导航系统的航向角误差,航向角精度与传感器测角精度相当;同时,通过重力和计程仪的辅助,显著提高了系统的定位定速精度。基于大气偏振光定向的重力辅助惯性导航方式保证了系统的无源性和抗干扰,增强了系统导航性能,具有重要的应用价值。

基于故障检测的惯性航姿系统内阻尼姿态组合算法

在平台式惯导系统中可通过阻尼网络来阻尼系统的振荡误差,而在捷联惯性航姿系统中也可以借鉴这个思想,通过加速度计的信息对陀螺漂移进行修正.文中提出了分别利用陀螺仪和加速度计来解算载体姿态,然后通过卡尔曼滤波器进行数据融合的方法.由于加速度计信息进行阻尼的方法只有在系统处于非加速度运动状态才可用,因此,本文将故障检测理论中的残差χ2检验法应用在卡尔曼滤波器中,进行运动状态的实时判断,并根据判断结果进行相应的处理.此外,算法中还考虑到传感器测量野值带来的影响,提高了算法的容错性能和灵敏度.最后,采用实际系统的动静态试验验证了本算法的有效性.

双频圆锥运动及旋转矢量的改进算法

针对作用在捷联惯导系统两个轴上的角振动频率不等的情况探讨了双频圆锥运动,在建立其运动学模型的基础上推导分析了双频圆锥运动的非互易误差特性,并通过数值计算得到了不产生该非互易误差的振动条件;同时,为了在陀螺输出子样数一定的条件下进一步提高旋转矢量的估计精度,针对角速率输入的情况研究了一种利用前两个周期角增量的改进算法,并通过误差主项计算和仿真分析验证了该方法的有效性。

IMU/计程仪/重力组合导航系统信息融合方法

针对现代战争环境对导航系统高自主性、高隐蔽性的要求,提出了IMU/计程仪/重力无源组合导航方式.深入研究了IMU/计程仪/重力组合导航系统的信息融合方法,设计了该系统的工作模式.采用扩展卡尔曼滤波进行各传感器信息的融合.根据导航系统对实时性的要求,建立了系统的低阶误差状态方程;将厄特弗斯效应的影响考虑到滤波器设计中,建立了系统的重力观测方程;将计程仪的速度与惯性速度进行融合,建立了系统的速度观测方程;在不增加系统成本的条件下,进一步利用加速度计输出估计水平姿态,建立了系统的姿态观测方程.在此基础上,设计了相应的信息融合策略.实际系统的机载试验结果表明,IMU/计程仪/重力组合导航系统算法正确、性能良好,可以有效地控制惯导系统位置和速度误差的累积,满足长时间一定精度的导航要求.

海洋重力辅助导航系统的系泊对准算法

捷联惯导系统在系泊条件下的初始对准是海洋重力辅助导航实用化的关键问题之一,本质上属于三轴姿态确定问题。基于惯性凝固假设,构建了船载捷联惯导系泊对准模型,研究了传统三轴姿态确定双矢量算法。对双矢量算法进行改进,提出了一种基于加权矢量和三轴姿态确定的系泊对准算法,该算法利用两个观测矢量的误差标准差构建加权系数,生成了精度更高的基准矢量,从而提高系泊对准的精度,并且该算法只需进行一次三轴姿态解算,保持了计算量小、耗时短的特点。数值仿真和船载试验结果表明,改进后的系泊对准算法在保证初始对准快速性的前提下有效提高了对准精度,两个水平姿态角误差小于4′,航向角误差在10′左右,满足海洋重力辅助导航系统的应用需求。

SINS/计程仪/重力无源组合导航系统仿真研究

针对现代应用环境对导航系统自主性、高精度、无源性的要求,提出了捷联惯性(SINS)/计程仪/重力组合的无源导航方案。深入研究了SINS/计程仪/重力的信息融合算法,构建了SINS/计程仪/重力组合导航可视化仿真系统,实现了传感器仿真模块构建、组合导航计算、地图和轨迹显示等功能。仿真系统的计算结果表明,SINS/计程仪/重力组合导航系统姿态、速度和位置精度稳定,能够满足长时间、一定精度的导航要求,具有广阔的应用空间。

嵌入式GPS/MIMU/磁罗盘组合导航系统

研制出基于FPGA和DSP的嵌入式GPS/MIMU/磁罗盘组合导航系统。该系统硬件由石英微机械陀螺仪、石英挠性加速度计、GPS接收机、数字磁罗盘和基于FPGA和DSP的高速导航计算机模块等组成。在该系统软件方面,采用圆锥误差补偿与划船误差补偿的现代捷联导航算法和含传感器噪声模型的18维扩展Kalman滤波器,并利用惯性传感器和MIMU导航信息对GPS和磁罗盘信号进行质量控制。经车载试验结果表明,该组合导航系统水平姿态误差小于0.2°,航向角误差小于0.3°,定位精度小于3m。

GPS/SST/SINS组合导航系统研究

提出了卫星/捷联星光/捷联惯导组合导航系统的方案和组合结构,采用改进的集中滤波对多传感器信息进行数据融合和导航状态的最优估计.该组合导航系统将捷联星光跟踪仪的姿态信息、高动态GPS的位置、速度信息与捷联惯导进行组合滤波,全面提高导航的姿态、速度和位置精度.同时该组合导航系统以弹道导弹为应用对象,设计并实现了基于弹道导弹的GPS/SST/SINS组合导航系统实时仿真平台,仿真结果表明该组合导航系统能提高导弹的导航精度,滤波算法稳定可靠.

基于模糊卡尔曼滤波的内阻尼姿态算法研究(英文)

在系统机动性不强的情况下,传统的平台内阻尼算法将系统本身的速度信息通过阻尼网络加到系统中,达到提高姿态角精度的目的。将这种平台内阻尼的思想引入到捷联惯性航姿系统中,在系统加速度较小的情况下,利用加速度计的输出估计系统姿态角,通过卡尔曼滤波的形式补偿系统姿态误差。由于加速度的大小直接影响滤波器精度,本文设计了模糊自适应卡尔曼滤波算法,根据三轴加速度计的输出调整内阻尼量测误差方差阵,从而避免了滤波器的发散。仿真和实验验证,内阻尼算法可明显抑制舒勒周期振荡和傅科周期振荡,避免了系统姿态漂移,有效提高了捷联惯性航姿系统的精度。

弹道导弹的GNSS/SST/SINS组合导航系统研究

提出一种组合导航方案,该方案在硬件上采用全捷联的结构,在算法上将捷联星光跟踪仪(strapdownstar tracker,SST)的姿态信息,高动态GNSS的位置、速度信息与捷联惯导进行组合滤波,全面提高导航精度。设计并实现了弹道导弹GNSS/SST/SINS组合导航系统实时仿真平台,仿真结果表明了该组合方案的稳定、可靠性。

航姿系统内阻尼的模糊自适应滤波算法

平台式惯性航姿系统的内阻尼算法通过阻尼网络将自身的速度信息加到系统中,达到提高姿态精度的目的。本文将该思想引入到捷联式惯性航姿系统中,在系统加速度较小时,利用加速度计的输出估计系统姿态角,通过卡尔曼滤波的形式补偿姿态误差。由于内阻尼算法只有在系统加速度较小的情况下才能使用,本文设计了模糊自适应控制器,根据三轴加速度计的输出进行自适应判断内阻尼算法是否可用,调整内阻尼卡尔曼滤波器的量测误差方差阵,从而避免了滤波器的发散。仿真和实验表明,内阻尼的模糊自适应算法可明显抑制舒勒周期振荡和傅科周期振荡,避免了系统姿态漂移,有效提高了捷联惯性航姿系统的精度。