On the Azimuth Error of ESG Strapdown North-Seeking Instrument

Because the vector of angular momentum of ESG (electrostatically suspended gyroscope) maintains the fixed direction in inertial space, it may be regarded as a fixed star. The astronavigation aigorithm is used to estimate the azimuth angle and the gyro constant drift in the paper. The relative errors which affect the estimation accuracy of the azimuth angle are the analysed.

基于正弦函数拟合的高动态捷联惯导姿态更新算法

为提高捷联惯导在高动态条件下的姿态解算精度,基于等效旋转矢量泰勒级数展开法,提出一种基于正弦函数拟合的高动态捷联惯导姿态更新算法。以正弦函数拟合载体运动角速度,考虑Bortz方程高阶项的影响,对陀螺角增量表示的旋转矢量进行泰勒六阶展开,对比旋转矢量不同形式表达式求得误差补偿系数。在MATLAB平台上,以圆锥运动与大角速率转动并存环境作为仿真条件,对所提算法与传统算法进行对比仿真分析。仿真结果表明,在小半锥角低频圆锥运动伴随高速角速率转动情况下,所提算法性能较好,当半锥角为0.5°、角频率为2.26πrad/s、常值角速率为5.30 rad/s、姿态解算周期为0.02 s时,所提正弦函数拟合三子样旋转矢量算法与传统扩展形式频率级数/显示频率三子样圆锥算法相比误差降低了2个数量级。

GNSS/SINS/视觉导航鲁棒算法

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)、捷联惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System, SINS)和视觉传感器优势互补,3者信息融合可获得高精度、无漂移的导航定位信息.针对GNSS/SINS/视觉融合导航易受运动速度、光照变化、遮挡等影响导致定位精度和鲁棒性降低问题,本文在图优化框架的代价函数中加入SoftLOne鲁棒核函数,设置量测值粗差检验程序,降低离群点带来的负面影响.进一步,对量测值计算残差进行卡方检验,对超限残差降权处理,提高系统精度和鲁棒性.实验结果表明,本文算法较不施加鲁棒核函数、不采用异常值剔除策略和卡方检验的传统算法,以及加入其他鲁棒核函数的算法精度更高、鲁棒性更好,能够较大程度提升GNSS/SINS/视觉导航定位精度和鲁棒性,在大尺度环境下,未出现较大漂移误差,绝对位姿均方根误差0.735 m,绝对位姿误差标准差0.336 m.

两种双矢量SINS粗对准方法大俯仰角适应性研究

大俯仰角下捷联惯导粗对准双矢量定姿中,不同矢量组合下,姿态角尤其是方位角对准精确度相差很大,必须慎重选择。对此,给出了2种最常用的粗对准矢量组合模式误差方程,对其主要误差影响因素进行分析。综合传感器误差,利用蒙特卡洛随机打靶方法对全姿态角下粗对准精确度进行仿真,并开展了80°俯仰角转台静态粗对准试验。转台试验中,在惯导陀螺误差约1°/h,加速度计误差约0.1mg情况下,第1种、第2种组合模式方位角粗对准最大误差值分别为20°、7.5°,第2种组合模式约为第1种的1/3;仿真测试中,在惯导陀螺误差约0.1°/h,加速度计误差约1mg,80°俯仰角下,第1种、第2种组合模式下方位角粗对准最大误差值分别为11°与2.2°,前者约为后者的5倍。仿真与试验结果表明,大俯仰角下矢量组合模式是影响惯导姿态角与姿态矩阵粗对准精确度的最主要因素。

航向信息缺失的MINS/ADS组合姿态算法

为了提高飞机在持续高动态场景下的姿态测量精度,并保证自主性,提出了一种基于微惯性导航系统(MINS)和大气数据系统(ADS)组合的捷联姿态算法。在航向信息缺失的前提下,推导了简化姿态更新算法和载体系速度更新算法,减小了计算量;通过引入大气数据系统的真空速信息,设计不依赖航向信息的MINS/ADS速度组合算法来提高姿态精度。飞行实验结果表明,与传统地平仪算法相比,所提算法的俯仰角和横滚角精度分别提升了74.32%和69.62%,环境适应性更强。

捷联惯导系统IMU误差特性分析

为了优化捷联惯导系统惯性测量单元性能,首先,从惯性导航系统工作原理出发,细致梳理捷联惯导误差模型,对惯性测量单元常见误差源分类,重点分析主流民航客机机型捷联惯导惯性测量单元的误差特性;然后,对由5个直线段和4个转弯组成的矩形起落航线,在无误差的理想模式和设置导航级捷联惯导惯性测量单元误差参数模式,分别进行轨迹仿真;最后,在飞行轨迹的姿态、速度、位置误差三维方向对比分析。结果表明,IMU误差诱使飞行轨迹随时间有偏离趋势,高度误差波动始终非常平稳,水平方向误差在一定时间后大幅度发散,表现出惯性导航性能的固有缺陷,即误差随时间的推移逐渐累积,会在一段平稳时间后呈发散趋势。因此在实际使用惯导中可以使用特殊的算法和硬件平台以延长误差发散之前的时间,也可以通过与GPS等数据进行组合导航的方式抑制其发散趋势。研究结果为进一步进行组合导航算法优化奠定基础。

一种考虑g敏感性的MIMU系统级标定方法研究

针对微机械惯性测量单元(micro-electro-mechanical-system inertial measurement unit,MIMU)中存在陀螺漂移的g敏感性以及因漂移误差大而无法进行自主方位对准问题,建立了MIMU系统级标定Kalman滤波状态空间模型,考虑g敏感性误差状态的影响,在量测方程中加入方位失准角变化率以增强g敏感性的状态估计可观性;直接采用外输入粗略初始方位角进行导航解算,降低地球自转角速度的影响,提高陀螺漂移估计精度。设计了一套完整的系统级标定转位编排方案,陀螺标定和加速度计标定相互依赖,共同协作完成MIMU系统级标定,能够有效分离出所有30个标定参数,利用某型号弹载MIMU进行了实物标定试验验证,分别用标定前后数据进行导航解算,对比导航结算结果发现标定后的3个方向的导航速度都降低了,加速度计的刻度因数和零偏标定精度更高。特别在MIMU存在多轴大角度转动情况下,近10 min内达到优于30 m/s的导航速度精度,验证了系统级标定具有较高的精度。

一种基于深度学习辅助的SINS/DVL组合导航方法

水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)导航定位精度一定上程度影响了AUV的工作效率,由于GNSS无法在水下使用,以捷联惯导系统/多普勒计程仪(SINS/DVL)的组合导航系统受到众多青睐。DVL在部分情况下会失效,若直接将DVL隔离,系统将变为纯惯性导航系统,严重影响导航定位的精度。为了应对DVL在部分波束缺失的情况,提出了一种DLinear-informer辅助组合导航算法。通过DLinear对原始输入数据特有的分解方式,增强了算法对AUV非线性信息的提取与学习,提高了速度预测精度。实验结果表明:所提算法能够准确预测DVL失效期间丢失波束的速度,降低组合导航的位置误差,提高了系统的鲁棒性和定位精度。

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.

基于RBF神经网络与SLAM的全捷联导引头定位研究

针对全捷联导引头探测器和IMU传递函数的需要进行相位匹配的问题,利用在线学习的RBF神经网络进行相位匹配算法设计,利用Z变换进行离散化处理;针对全捷联单模和多模导引头的相位匹配算法进行了设计与分析,并通过Matlab/Simulink联合仿真实验验证了算法的效果。同时,结合SLAM系统进行同时定位矫正,提升导弹的定位精度与全捷联导引头的导引准确度。

一种机载惯性/光电组合导航误差修正方法

为提升无人机在全球卫星导航系统受限甚至拒止环境下的导航精度,提出了一种机载惯性/光电组合导航误差修正方法。考虑了捷联惯性导航系统(SINS)姿态误差对光电探测系统(EODS)定位精度的影响,建立了包含SINS姿态误差的测量方程,推导了滤波观测噪声与EODS测距、测角误差之间的函数关系,建立了准确的观测噪声协方差矩阵模型。仿真结果表明:相较于传统SINS/EODS组合导航算法,所提方法滤波收敛速度更快,并且有着更高的姿态和位置精度,2000 s后横滚、俯仰、航向精度分别提高47%、59%、82%,东向、北向、天向定位精度分别提高49%、44%、25%,提升了无人机在卫星信号较弱或缺失的环境下的导航能力。

机载捷联惯导系统振动性能提升研究

针对振动条件下,惯性测量组件产生耦合角振动,进而引起圆锥误差导致惯性导航精度降低的问题,提出了一种考虑减振器刚度不一致性与各向异性情况下,惯性测量组件振动耦合角运动的分析方法。从力学分析出发,推导了惯导系统空间六自由度矩阵振动微分方程;建立了惯导系统振动方程的数值解计算模型。其次,基于工程实际,使用数值仿真软件分析减振器批次刚度一致性和刚度各向异性的影响;并通过有限元仿真分析对比验证了减振器刚度波动导致的偏心距引起耦合角速度计算结果。最后分析了减振系统不同谐振频率对角振动幅值的影响机理。

基于AFCKF的捷联旋转弹视线角速率滤波算法

针对捷联旋转弹输出的视线角速率与姿态误差强耦合的问题,提出一种基于自适应渐消容积卡尔曼滤波(AFCKF)的方法。为实现弹目视线角速率的解耦,考虑弹目相对运动特性,构建包含末制导段视线角速率估计模型的状态模型,并根据几何关系建立了包含弹目视线角和姿态角的量测模型。为解决旋转弹下传统CKF视线角速率估计结果的发散导致滤波失效,引入基于残差序列的渐消因子对预测状态协方差进行调节以快速收敛估计结果。为验证AFCKF的有效性,考虑姿态角和量测角的典型干扰。仿真结果表明,所提方法的视线高低角速率估计误差均值、方位角速率估计误差均值分别为传统EKF的30.41%和42.18%,有效提升了旋转弹视线角速率估计的精度。

高动态姿态测量圆锥误差补偿算法改进及实时性分析

弹丸圆锥运动会对制导系统产生严重的控制干扰,为了补偿该误差,分析了一种新的圆锥误差补偿算法,以提高弹载姿态控制系统在高动态运动环境下的解算精度和实时性。结合四元数四阶龙格-库塔法和三子样等效旋转矢量法,利用修正型罗德里格斯参数改进基于角增量输出的三子样四元数姿态算法,推导相应的微分方程表达式,建立三子样四元数改进算法姿态求解数学模型。仿真结果表明,与传统圆锥误差补偿算法相比,改进算法能更有效的补偿圆锥误差,平均解算精度提高了约17.32%,减少了高动态环境下的计算量,实时性提升了约22.54%。

基于TEC的石英挠性加速度计组件一体化温控结构热设计

在高精度惯性导航系统和捷联惯导重力测量系统中,石英挠性加速度计组件的温控精度直接影响系统的导航和重力测量精度。为保证加速度计工作环境的温度稳定性,设计了基于半导体制冷器(Thermoelectric Cooler, TEC)的石英挠性加速度计一体化温度控制系统。对系统硬件结构和热特性进行了分析,完成了相关组件的热力学建模、仿真分析和结构优化,并设计了常温及变温环境下的温控实验。相关结果表明,一体化温控系统在2 h室温环境下,加速度计组件温度波动峰-峰值优于0.006℃;在最高10℃/h的快速变温环境下,系统3 h温度控制波动峰-峰值优于0.006℃,加速度计表头温度波动峰-峰值优于0.03℃。对比温控关闭状态下的实验结果,温控开启时,加表输出稳定性及输出精度分别得到了34.2倍和37.6倍的提升。相关结果表明系统有较好的鲁棒性和温控精度,可以满足多种应用环境下的加速度计组件温控应用需求。

一种十表冗余激光陀螺捷联惯组标定方法研究

针对十表冗余激光陀螺三自捷联惯组(包含5只陀螺和5只加速度计)的标定问题,推导给出了标定模型以及标定方案。将十表冗余惯组划分为直表X\Y\Z和斜表S\T两组,直表采用系统级标定方法,建立关于标定误差模型的状态方程,以导航速度误差作为量测,通过Kalman滤波估计标定误差参数;以直表标定结果作为参考,进行斜表的分立式标定,分别建立了加速度计、陀螺标度系数和陀螺漂移的标定模型。最后,结合19位置系统级标定方法和分立式标定方法完成了十表冗余激光捷联惯组标定,结果显示标定结果正确,分析了标定误差特性。

自适应无迹卡尔曼滤波算法在水下组合导航系统中的应用

【目的】解决水下组合导航系统中先验噪声与实际噪声分布不匹配时,融合滤波性能下降问题,提高自主式水下航行器导航精度。【方法】提出一种自适应无迹卡尔曼滤波算法(AUKF),在融合算法中引入自适应因子;重构系统状态方程中速度项与状态变量的结合方式,解决系统方差不一致问题。通过仿真实验和半物理实验验证该算法的有效性。【结果与结论】与无迹卡尔曼滤波算法相比,在平均位置估计偏差上,AUKF算法的纬度均方根误差(RMSE)降低27%,经度RMSE降低27%,高度RMSE降低25%。AUKF在面对偏差对系统状态的扰动时能够有效抑制滤波发散,从而有效地提高自主式水下航行器的导航精度。

DVL/SINS松紧组合的等价性分析及改进的虚拟波束辅助紧组合算法

系统地研究了不同波束可用情况下的多普勒计程仪(Doppler velocity logger,DVL)/捷联惯性导航系统(strapdown inertial navigation system,SINS)紧组合导航算法。证明了3个或4个波束可用情况下,DVL/SINS波束域紧组合的定位精度与三维速度松组合系统具有等价性,并给出了松组合中量测协方差阵的确定方法。针对紧组合系统定位精度随可用波束减少而降低的问题,考虑DVL的误差参数,基于载体运动约束和压力深度计提出一种改进的虚拟波束辅助紧组合算法。实验结果表明,3个或4个波束可用时的松组合与紧组合的定位精度等价;改进的虚拟波束辅助紧组合算法可以准确跟踪故障的波束速度,有效提升了不同波束可用情况下紧组合的定位精度。

基于嵌入式技术的舰船捷联控制系统基准设计

舰载武器射击精度受到战场环境和气候条件的影响较为显著,舰船的主惯导系统无法解决不同位置武器的实时姿态测量问题。本文对分立式舰载捷联基准系统的结构及工作流程进行研究,提出了一种基于ARM+DSP嵌入式技术的舰船捷联控制系统基准设计方案,设计硬件系统结构,分析闭环光纤陀螺的结构和工作原理,最后对系统进行俯仰角和横摇角的测试,测试结果表明,系统具有较高的测量精度和稳定性。

融合毫米波雷达和惯性传感器的行人定位系统研究

为老年人在发生紧急情况时可以得到及时救援,本文对行人惯性导航进行研究,可以获得行人的实时位置。传统的卫星定位,定位精度较低且受遮挡物影响,不能满足现代城市的室内外定位需求。本文设计了融合毫米波雷达和惯性传感器的行人定位系统,在捷联惯性导航解算基础上采用扩展卡尔曼滤波融合磁力计和毫米波雷达的数据得出最佳估计值。设计了两组不同运动轨迹的测试实验,验证系统的有效性,并通过7次不同运动情况下的重复实验验证了系统的稳定性,该系统在47 m范围内的定位误差在3%以内,在400 m范围内的定位误差在5%以内,基本满足定位需求。