一种快速传递对准方法的误差模型研究

传递对准是机载、舰载武器惯导系统初始对准的首选方案,初始对准的速度和精度直接影响着武器系统的快速反应能力和精确打击能力,提高初始对准的速度和精度一直是该领域研究的主要目标,美国学者Kain首次提出了先进的"速度+姿态"匹配快速传递对准方法,能在10s内达到1mrad的对准精度,很快得到了广泛的关注。利用四元数这一有力的数学工具,从惯性导航系统工作原理出发,重新诠释证明了该先进的快速传递对准误差模型,最后通过仿真对该方法进行了分析,为该模型的深入理解和工程应用提供了有价值的理论参考。

舰载平台式惯导系统的传递对准

舰载子惯导系统在海上应急启动时需要利用主惯导的信息进行传递对准,以达到快速、高精度启动的目的。同时必须对惯性器件的某些误差进行标定和补偿,以满足舰载惯导系统需要长时间高精度导航的要求。文中对平台式惯导系统采用速度加姿态匹配传递对准方法进行了研究,建立了基于Kalman滤波器的传递对准滤波方程,并在实际系统中对所设计的方案进行了静态和跑车试验,验证了方案的正确性和工程应用的可行性。

基于“姿态矩阵”量测的机载导弹传递对准技术

“速度+姿态”量测匹配方案是目前比较理想的机载导弹传递对准技术。采用“姿态”量测时存在矩阵计算量大等缺点,在具体工程应用时更会受到计算机速度的限制,尤其是需要快速进行卡尔曼滤波计算时。引入了一种与“姿态”量测具有相同特点的“姿态矩阵”量测方案,设计了快速对准卡尔曼滤波器,并进行了仿真分析。结果表明是一种具有工程意义的实用快速传递对准技术。

考虑载体弹性变形的两种传递对准方法的对比研究

传递对准时,载体的弹性变形会对装在载体上的子惯导系统的对准精度产生影响,因此需要对弹性变形进行建模,估计出弹性变形角并加以补偿来提高对准精度。文中分别采用“速度+角速率”匹配的对准方法和“速度+姿态角”匹配的对准方法进行卡尔曼滤波仿真,对安装误差角和弹性变形角进行了估计,并对估计结果进行了比较,分析了它们的对准精度和适用性。

一种稳健的自适应传递对准算法

传递对准算法的性能受量测噪声影响较大但其统计特性通常难以精确给定。为实现对传递对准中量测噪声的稳健自适应调整,提出了一种改进的自适应传递对准算法。在传统的Sage-Husa自适应卡尔曼滤波算法基础上,通过减少自适应调整的参数个数、采用渐进无偏估计代替无偏估计、分段调整加权系数三重处理,有效地提高了算法的稳健性,同时算法的计算量也有所降低。结合一种经典的速度加姿态匹配传递对准模型,对改进的自适应算法进行了仿真测试。仿真结果表明,当量测噪声协方差阵取值与真实噪声水平偏离时,该改进算法能够对量测噪声的统计特性进行有效的自适应调整,从而使传递对准在精度和稳健性两个方面的综合性能得以改善。

H_∞次优滤波在速度姿态匹配传递对准中的应用

针对速度+姿态匹配传递对准中量测中的不确定性干扰,采用H∞滤波方法进行速度+姿态匹配传递对准。并与卡尔曼滤波进行了比较,仿真结果表明,当系统噪声和量测噪声为白噪声时,卡尔曼滤波器和H∞滤波器均有效,而且卡尔曼滤波器优于H∞滤波器。但是,当系统噪声与量测噪声为有色噪声并且存在建模误差时,卡尔曼滤波收敛速度明显低于H∞滤波的收敛速度。H∞滤波更符合工程应用的实际情况,因而H∞滤波是一种非常有效的估计方法。

舰载姿态加角速度匹配传递对准方法研究

用于传递对准的测量参数匹配法极大地受限于舰船所处海况,为解决这一问题,提出了姿态加角速度匹配法。在三种典型的海况下,对这一传递对准方法中舰船甲板变形和陀螺常值漂移进行了KALMAN滤波估计及精度分析,并对陀螺漂移标定的可行性进行了深入的分析。研究结果表明,姿态加角速度匹配法具有稳健的对准精度和快速性,陀螺漂移的标定依赖于舰船甲板动态变形的大小。

舰载机惯导系统快速传递对准方法建模与仿真

为解决舰载机惯导系统在大方位失准角条件下的快速传递对准问题,提出了一种新的线性化方法。通过舰船坐标系与舰载机标称坐标系之间的方向余弦矩阵,将舰船坐标系与舰载机实际坐标系之间的大方位失准角问题,转化为舰载机标称坐标系与舰载机实际坐标系之间的小方位失准角问题,建立了舰载机传递对准的线性化数学模型,采用"速度+姿态"匹配法对传递对准滤波器进行仿真。结果表明在20 s时间以内曲线即收敛,使得水平失准角误差和方位失准角误差在1′以内,满足了对准速度和精度的要求,克服了传统方法对准时间较长的缺点。

自适应卡尔曼滤波应用于空—空导弹传递对准研究

设计了一种应用于传递对准的自适应卡尔曼滤波的方法,它能够在线估计系统噪声的统计特性,从而提高了传递对准的速度和精度,仿真结果证明了该方法优于常规的卡尔曼滤波方法。

基于自适应联邦滤波的传递对准算法

为了提高传递对准的对准速度和对准精度,研究了基于自适应联邦滤波的"速度+姿态角"传递对准的算法,在状态变量中加入了安装误差角和挠曲变形角,在算法中进行了估计并补偿。为了保证滤波的实时性,采用联邦滤波的方法,分别建立了速度匹配子滤波器、姿态角匹配子滤波器和主滤波器的模型,给出了状态方程和量测方程。在子滤波器中利用模糊控制器对噪声特性进行了自适应调整以解决系统噪声和量测噪声是未知情况下滤波发散或者精度不高的缺点从而增强系统的鲁棒性。最后在载体匀速直线加三轴摇摆的运动模型下进行了仿真,结果表明该方法能够有效地估计安装误差角和部分挠曲变形角,并且能够以一定精度完成初始对准。

船用武器捷联姿态基准系统快速传递对准方法研究

研究了一种改进的快速传递对准算法在船用姿态基准系统中的应用。这种改进利用了舰船主惯导系统角速率和速度信息,与子系统的捷联姿态基准系统的相应信息相匹配,通过卡尔曼滤波器提取从系统的误差估计量。针对船用的三种武器做了各种仿真,结果表明在40秒时间内对三个失准角的估计都能达到较高的精度。研究还表明,在传递对准滤波器中引入固定区域平滑算法对姿态误差估计的精度将有明显的提高。

一种更精确的带有杆臂补偿的速度加姿态匹配传递对准模型

针对捷联惯导系统的传递对准问题,提出了一种更精确的带有杆臂补偿和速度差乘积项的速度加姿态匹配的传递对准模型。对准模型中增加杆臂补偿项提高了系统的稳态精度;增加速度差乘积项改善了系统的动态响应,加快了滤波器收敛速度。采用"摇摆机动"的飞行轨迹,对传递对准滤波器进行了仿真;仿真结果证明了传递对准模型的有效性。

快速传递对准中时间延迟误差补偿方法

传递对准是机载、舰载武器装备惯导系统首选的初始对准方法,传递对准时主惯导系统的信息在传递给子惯导系统时存在一定的时间延迟,会极大地影响传递的精度。以"速度+姿态"匹配快速传递对准为例,提出了一种利用主惯导姿态矩阵预测来解决快速传递对准中主惯导数据时间延迟的方法,并对该方法进行了仿真。仿真结果表明,该方法可以有效地提高初始对准的精度。

一种基于速度加姿态匹配传递对准的稳瞄稳向方法

针对战车稳瞄稳向系统中单一惯性测量组合(IMU)组建的姿态测量系统初始对准时间较长,测量精度随惯性器件漂移影响较大的问题,提出了基于速度加姿态匹配传递对准的稳瞄稳向方法。仿真结果表明,提出的新方法可在10s内实现光电设备IMU的初始对准,并且能准确估计出光电设备IMU计算平台失准角。将结果用于解算姿态角的补偿,可大大提高稳瞄稳向精度。

时间延迟对姿态角匹配传递对准的影响

姿态角匹配传递对准要求匹配信息在时间上统一。主子惯导之间存在传输延迟以及由于启动时间点随机性导致的解算点不匹配,造成信息在时间上不统一。分析了时间延迟对姿态角匹配传递对准的影响,并提出了一种将时间延迟分离并加以补偿处理的方法。采用滞后子惯导信息的方式预先补偿常值时延,而后采用状态增强的方式估计补偿随机启动时间点造成的随机时延,从而达到匹配信息时间统一的要求。试验结果表明,当主子惯导时间不同步,若不对时间延迟补偿,姿态角估计误差较大甚至不收敛;存在100 ms时间延迟时,相比于直接采用状态增强的方式估计补偿时间延迟,采用常值与随机时延分别补偿的方式卡尔曼滤波器收敛时间从28 s缩短至10 s,东向与北向水平估计精度分别提升至0.5'、0.3',航向估计精度相同。

机载精确制导武器快速传递对准

针对"速度+姿态"匹配方案运算量大、鲁棒性差和"角速度+加速度"匹配方案存在的杆臂效应难以补偿的问题,提出了"速度+姿态矩阵"快速传递对准匹配方案,给出了对准模型.仿真结果表明,在载机做简单角机动的情况下该方案即可完成对准过程并取得较高精度,为机载武器提供了一种具有实用价值的传递对准方案.在机载主惯导和精确制导武器的子惯导系统都采用捷联惯导的大趋势下,捷联系统特有的数学平台特点将促使"速度+姿态矩阵"匹配模式具有更为广阔的应用空间.

舰船捷联惯导传递对准的改进自适应滤波算法

针对舰船捷联惯导传递对准性能受系统动态模型和噪声统计特性影响的问题,提出了一种基于改进自适应滤波的"速度+姿态"传递对准算法。针对噪声矩阵半正定性问题而导致的滤波发散,对自适应滤波噪声矩阵的迭代算式进行了改进,并基于协方差匹配技术给出了滤波发散的抑制策略。考虑到舰船航行中的载体变形影响动态模型的问题,在状态量中加入了安装误差角和挠曲变形角,并在算法中进行了补偿。仿真结果表明,改进算法可以在100s之内有效地估计出姿态失准角和安装误差角,完成舰船捷联惯导的快速传递对准。

捷联惯导大失准角下传递对准的鲁棒算法

针对大失准角下捷联惯导的传递对准问题,建立了传递对准的非线性模型;针对传递对准过程中,挠曲变形难以建模,非线性滤波受到不确定性干扰,传递对准算法的精确性和鲁棒性下降的问题,提出了鲁棒容积卡尔曼滤波(CKF)算法。该算法以CKF为基础,结合H∞滤波思想,通过在方差阵更新加入鲁棒模块实现。该算法与传统的UKF和CKF滤波算法进行了传递对准的对比研究,仿真结果表明,在不对挠曲变形进行建模的情况下,UKF和CKF滤波算法滤波发散,无法达到对准要求,而鲁棒CKF滤波算法,它降低了挠曲变形对传递对准的干扰,能够实现传递对准,具有更好的鲁棒性。

联邦模糊自适应卡尔曼滤波在速度+姿态传递对准中的应用

在系统动态模型和噪声统计特性无法完全获得的情况下,通过调整卡尔曼滤波器的相关参数提高弹载子惯导对准性能,其效果是很有限的,采用联邦模糊自适应卡尔曼滤波方法进行速度+姿态匹配传递对准,并对算法进行了可行性分析与仿真验证。仿真结果表明,在系统动态模型和噪声的统计特性不确定的情况下,速度+姿态匹配传递对准的联邦模糊自适应卡尔曼滤波短时间内能够较好地估计出弹载子惯导的初始姿态失准角,是一种非常有效的信息融合方法。

捷联航姿系统航行状态下的组合对准算法研究

由于捷联航姿设备无纬度解算值,导致跨纬度航行时航向误差过大,引入计程仪速度与航姿设备输出姿态、航向一起对纬度值进行计算,航行状态引入计程仪信息后建立数学模型进行初始对准,经航行实验验证,72小时内航向角误差得到了极大的缩小,验证了该数学模型的可行性,可提高设备的精度,具有实际使用意义。