基于PWCS理论的单轴旋转惯导系统初始对准的可观测性分析

针对旋转惯导系统的初始对准模型时变特点,基于单轴旋转惯导系统的误差方程分析了不同旋转方案中对准模型的区别主要表现为旋转变换矩阵不同,并进一步推导了绕3个不同轴向的单轴二位置转停方案的旋转变换矩阵,建立了不同旋转方案的卡尔曼滤波对准模型。而后,忽略转停方案中的旋转过程,基于PWCS理论对不同位置的对准模型进行研究,分析了不同时段内系统的总观测性矩阵和提取观测性矩阵,根据矩阵的秩确定了系统的可观测性。分析表明:IMU绕X轴二位置转停方案的可观测状态数由7增加为8;绕Y和Z轴二位置转停方案的可观测状态数由7增加为10,系统完全可观测。

GNSS/SINS松组合系统的可观测性分析

针对GNSS/SINS松组合系统中误差状态量不可观测,因而无法被准确估计的问题,提出对当地水平坐标系下的GNSS/SINS组合导航系统进行可观测性分析,从而揭示系统参数与状态量估计之间的内在联系,为工程实践中快速实现高精度定位定姿提供参考:以18维状态量的松组合滤波模型为对象,研究当地水平坐标系下载体运动状态与杆臂误差、姿态误差以及加计零偏可观测性的关系;最后通过仿真数据对可观测性理论分析的结论进行验证。结果表明:杆臂误差的可观测性与载体的直线运动无关,而载体的角运动将提高杆臂误差的估计;载体直线运动时,姿态误差与水平向加计零偏耦合,与天向加计零偏解耦。

一种基于PWCS的惯导系统可观测度分析方法

为研究惯导系统动基座滤波中各状态的收敛情况与载机机动的关系,提出一种基于分段线性定常系统(PWCS)的可观测度分析方法。该方法利用PWCS可观测性分析方法中的提取可观测矩阵,进一步进行可观测度的计算,用可观测阶数和相对可观测度两个指标对可观测性进行量化。分析结果能够明确表示出不同状态在观测中的耦合,准确预测可观测度不同的状态的收敛速度,弥补现有方法的不足。利用这种新方法对"速度+姿态"匹配传递对准进行了分析。车载试验结果表明,仅经过转弯三次的简单机动,俯仰角与横滚角的姿态误差的估计均方差可达到3'以下,陀螺和加速度计零偏也得到有效的估计。试验结果与所提出的可测度分析方法的结论一致,表明了该方法的正确性与有效性。

GPS/SINS超紧组合导航系统可观测性分析

系统状态的可观测性决定了系统的滤波精度.目前,分析系统状态可观测性的主要方法是针对线性系统的,其中奇异值分解(SVD,Singular Value Decomposition)法可以对系统进行事前分析,并且计算简单,成为广泛使用的方法之一.然而集中滤波结构的全球定位系统/捷联惯性导航系统(GPS/SINS,Global Positioning System/Strapdown Inertial Navigation System)超紧组合模型的量测方程是非线性的,对非线性系统进行可观测性分析是非常困难的.针对这个问题,推导出了超紧组合模型线性的量测方程,并证明了该模型满足分段定常系统(PWCS,Piece-Wise Constant System)定理;使用奇异值分解法对其做可观测性仿真,并对实验结果做了全面分析.结果表明:系统状态的可观测性受载体运动状态影响,载体机动性越强,可观测的状态越多,可观测性越高.

MSINS/GPS全组合系统可观测性分析(英文)

卡尔曼滤波是组合导航系统处理数据最常用的算法。首先给出PWCS可观测性定理,然后在G矩阵选星算法的基础上,设计了基于伪距/伪距率的MSINS/GPS紧耦合系统(TCS)的卡尔曼滤波器,在上述量测方程中加入基于GPS载波相位观测量的姿态测量方程,给出了有姿态测量信息的全组合系统(CIS)。最后证明了CIS满足PWCS定理条件,即可以用离散系统的选择可观测性矩阵(SOM)代替相应的连续系统的总可观测性矩阵(TOM)对系统进行可观测性和可观测度的分析。利用奇异值分解(SVD)理论给出了不同可见卫星数时CIS的可观测性分析结果。与不加入姿态观测信息的MSINS/GPS的TCS比较,计算结果表明CIS比TCS具有更好的可观测性和可观测度。

SINS/GPS紧耦合系统可观测性分析

利用G矩阵选星算法给出了基于伪距、伪距率的SINS/GPS紧耦合系统量测方程,根据分段线性定常系统(PWCS)的可观测性分析理论,证明了上述紧耦合系统满足PWCS定理条件,可用离散系统的选择可观测性矩阵代替相应的连续系统的总可观测性矩阵对系统进行可观测性和可观测度的分析.最后利用奇异值分解法给出了可见卫星数在不超过4颗和6颗情况下系统的可观测性分析结果,仿真结果表明,可见星数目越多,系统可观测性越好,可观测度越高.

GPS/SINS组合导航系统状态的可观测度分析方法

系统状态的可观测度是检验所设计的Kalman滤波器的收敛精度和速度的重要指标。首先 ,分别论述分段式定常系统 (PWCS)的可观测性分析方法和基于奇异值分解的系统状态可观测度分析方法。然后 ,证明GPS/SINS组合导航系统满足PWCS分析定理要求 ,并进一步提出改进的线性时变系统状态的可观测度分析方法 ,以适用于分析全弹道过程系统状态的可观测度。最后 。

基于伪距的北斗双星/SINS组合导航系统可观测度分析

在连续的分段式定常系统模型基础上,证明了通过简化分段式定常系统的可观测矩阵来分析其离散化模型可观测性能的可行性;介绍了一种基于奇异值分解的系统状态可观测度分析方法。通过对一个分段间隔的条带化可观测矩阵进行奇异值分解来判断每一个奇异值对应的系统状态及每一个系统状态对应的可观测度;根据北斗双星定位系统的双伪距、高精度原子钟及气压高度信息,建立了北斗双星/SINS伪距组合滤波模型,并将可观测度分析方法应用于该模型中。仿真结果表明:在伪距组合模式下对简化的分段式定常系统可观测矩阵进行奇异值分解的方法能有效反映北斗双星/SINS组合导航系统的可观测程度。

一种自主式车载组合导航系统的可观测性研究

为了解决SINS/GPS组合导航系统信号易受干扰和导航精度爱影响的问题,设计了一种SINS/OD/电子地图组合的自主式车载导航系统。利用电子地图提供的位置信息和里程仪提供的速度信息,设计kalman滤波器;并在分段式定常系统模型(PWCS)的基础上,采用奇异值分解法对系统的可观测性进行了分析,研究了系统在静止、匀速和转弯三种不同机动条件下的可观测性,得出一些具有实用价值的结论。仿真结果表明:对系统的可观测性分析结果有效,提高了组合导航系统的精度,并为载体在导航中最佳机动方案的选择提供了理论依据。

SINS/DR组合导航系统可观测性研究

对SINS/DR组合导航系统的误差方程进行了介绍。将陀螺漂移、加速度计零偏和里程仪刻度系数误差扩展为卡尔曼滤波器的状态,建立了19维状态的组合导航滤波模型。采用分段线性定常系统(PWCS)分析了载车在各个不同运动特性下SINS/DR组合导航系统的可观测矩阵;利用奇异值分解(SVD)分析法定量地分析了SINS/DR导航系统的可观测度。通过系统仿真预测了位置误差、姿态误差和速度误差的滤波效果,仿真结果表明,位置误差、姿态误差和速度误差的估计效果较好。

船用光纤陀螺航姿系统动态对准

为提高船用航姿系统的对准精度和对准速度,提出了摇摆条件下的两位置对准方案。应用分段线性定常系统理论和可观测度的奇异值分解法,分析了动基座下航姿系统的可观测性和可观测度,并在摇摆台上进行了光纤陀螺航姿系统的两位置对准试验。理论分析结果表明,两位置对准可以提高系统状态变量的可观测度,尤其对加速度计误差和方位失准角的可观测度提高作用明显。摇摆试验的结果则表明,两位置对准可以使方位角对准精度提高3倍以上,同时加快了卡尔曼滤波器的收敛速度。摇摆条件下的两位置对准为船用航姿系统动态对准提供了新的途径。

基于SVD的SINS多位置对准可观测性分析

针对捷联式惯导系统多位置对准可观测性的问题,以捷联式惯导十状态误差方程为研究对象,利用卡尔曼滤波分别得到固定位置对准与二位置对准以及二位置对准与三位置对准时的方位失准角估计误差收敛情况。在分段线性定常系统理论的基础上,利用奇异值分解的方法,分别对固定位置对准以及二位置对准时的系统各状态变量的可观测性进行分析。仿真结果表明,三位置对准和二位置对准时的方位失准角估计误差达到的稳态误差是一致的,并且多位置对准能够改善捷联惯导系统各状态变量的可观测度。该研究结果不仅为确定并提高捷联惯导系统各状态的可观测度提供了途径,而且为捷联式惯导系统的可观测性达到最佳以及捷联惯导系统对准精度的快速提高提供了理论基础。

基于局部可观测性分析的惯性平台连续自标定路径优化设计

针对惯性平台连续自标定的标定路径优化设计问题,提出了一种基于局部可观测性分析的优化设计方法。首先基于局部可观测性的定义和分段定常系统(PWCS)理论推导了一类非线性时变系统的局部可观测条件,在此基础上,定义了系统状态量的相对可观测度。对连续自标定系统的状态空间方程进行局部线性化和离散化后,对其系统局部可观测性和状态量相对可观测度进行分析,并以系统状态量相对可观测度最大为原则,对惯性平台连续自标定的标定路径进行了优化设计。仿真结果表明,优化设计的自标定路径能够以优于0.7%的相对误差标定出所有的平台误差系数,具有一定的实际应用价值。

弹道导弹SINS空中在线标定方法

从工程应用的角度出发,利用高精度的GPS信息,研究了一种弹道导弹捷联惯导系统(SINS)空中在线标定方法,建立了发射点惯性系下SINS的误差模型,应用分段线性定常系统(PWCS)的可观测性分析理论和奇异值方法,定量地研究了系统状态变量的可观测度。针对SINS初始失准角及惯性器件误差所造成的导航误差,利用弹载GPS得到的速度和位置量测信息,通过最优估计的方法标定出SINS的导航误差,并采用误差状态转移算法反推初始平台失准角,从而为导弹的后续飞行提供精确的惯性器件误差系数和姿态基准。通过仿真验证了弹道导弹SINS空中在线标定方法的正确性和可行性。

光纤陀螺随钻测斜仪钻进中井眼轨迹测量方法研究

为提高光纤陀螺随钻测斜仪的井眼轨迹的测量精度,采用卡尔曼滤波组合的测量方法,对井斜、方位和工具面失准角进行估计。由于姿态失准角的估计精度与其可观测性密切相关,为了提高估计精度,文章分别在匀速、匀加速和匀速转动三种钻进运动状态下,采用分段线性定常系统(PWCS)和奇异值分解(SVD)的方法分析了姿态失准角的可观测性,并分析了钻进中井斜角和转动速率对姿态失准角估计精度的影响。由仿真结果可知,匀速钻进时,方位失准角不可观测;匀加速钻进时,方位失准角可观测且在水平井中可观测性最强,随着井斜角度增大,方位角、井斜角的测量精度逐渐提高;绕轴向匀速转动钻进时,方位失准角的可观测性和估计精度均优于匀速、匀加速钻进状态;角速率由0°/s增加到5°/s时,三个姿态失准角的估计精度均增大并逐渐趋于稳定。文中提出的轴向转动钻进运动可有效提高井眼轨迹的测量精度。

捷联惯导加速度计内杆臂误差分析与补偿

针对捷联惯导系统内杆臂误差的估计和补偿问题,提出了一种角度随正弦规律变化的旋转方案。通过推导内杆臂误差与载体角速度和角加速度之间的关系,分析内杆臂误差对捷联惯导系统的影响,基于内杆臂误差模型设计正弦旋转的标定路径,采用分段线性定常系统(PWCS)和奇异值分解(SVD)的方法对系统进行可观测性分析,设计卡尔曼滤波器对内杆臂误差进行估计。仿真结果表明:本文设计的正弦旋转方案使得9个内杆臂误差完全可观;在相同的摇摆频率下,摇摆幅值越大,内杆臂误差的估计精度越高;与两轴联动式误差激励方式相比,滤波估计时间减少50%以上。

旋转捷联惯导系统的可观测性分析

推导了静基座条件下仅利用速度误差作为观测量的惯导系统的可观测组合状态.比较分析认为,仅利用速度误差作为观测量和利用速度误差、位置误差作为观测量对惯导姿态误差和元件等效零偏的估计是等效的.利用将系统近似为分段线性定常系统的方法对旋转惯导系统的可观测性进行研究,结果表明,连续旋转提高了系统状态的可观测性,等效东向和北向加速度计零偏成为可观测量;在对准过程中对其进行补偿,系统的对准精度和速度明显提高.

高速火箭弹GFMINS/GPS组合导航系统

针对高速火箭弹发射出膛瞬间,弹上微机电系统(MEMS)陀螺难以承受上百g的加速度,使得弹上的微惯导系统(Micro-INS)无法完成导航任务,提出用MEMS加速度计构成的无陀螺微惯性导航系统(GFMINS)代替传统MINS与小型GPS构成GFMINS/GPS组合导航系统,实现火箭弹的定位要求.同时,针对GFMINS中角速度误差随时间积累较快的问题,应用分段式定常系统(PWCS)的可观测性分析方法,在奇异值分解的基础上,对系统进行可观测性分析,并确定了组合系统反馈校正变量.最后,以某型火箭弹的运动模型为算例进行了仿真,结果表明GFMINS/GPS组合导航系统的导航精度满足实际需求.

一种常规机动下机载SINS/GPS组合导航系统的可观测性分析

为保证机载捷联惯组的导航精度能够达到要求,需要对惯组定期进行返厂标定,成本高、周期长,也影响载机的使用效率,故而机载惯组在线标校技术的研究一直在不断进行中。对大中型运输机的机载惯组而言,由于其机体较大、机动能力较差,很难完成诸如S机动等复杂的机动动作,故而需要对其常规飞行机动状态下机载SINS/GPS组合导航系统的可观测性进行分析。利用GPS提供的速度和位置信息作为外部观测量来设计Kalman滤波器,采用基于分段线性定常系统(PWCS)的奇异值分解法(SVD),对飞机静止、起降、匀速飞行、匀加减速飞行、转弯等一系列常规机动条件下系统的可观测性和可观测度进行研究。通过Matlab仿真和转台实验,验证了组合导航系统可观测性分析结论的有效性,可为机载惯组的在线标校提供一定参考。

机载战术武器传递对准可观测性分析

针对机载战术武器系统实际应用情况,选用游动方位作为导航坐标系,推导出了新的传递对准误差模型并合理简化.为了得出系统各状态量的可观测性与可观测度,采用基于分段线性定常系统(PWCS)理论的奇异值分解法,给出了游动方位系统处于传递对准时各状态变量的可观测度.分别计算了平动和转动两种不同情况下各状态变量的可观测度,计算结果表明:水平加速机动结束时方位失准角可观测度从1.7×10-20提高到1.4;绕Z轴转动机动时,游动方位角可观测度从2.4×10-13提高到5.0×10-4,水平加速度计误差可观测度提高到0.7.