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。

基于四元数非线性误差模型的快速传递对准(英文)

基于小角度假设的常规线性误差模型不能适用于大失准角时的初始对准,针对这一问题研究了一种没有小失准角假设,以速度误差和姿态四元数误差作为量测的非线性快速传递对准误差模型,并证明当误差变为小角度时,该非线性误差模型可以简化为常规线性误差模型。使用 Unscented 卡尔曼滤波代替通常采用的扩展卡尔曼滤波来处理非线性数据融合问题。为了评估和分析该非线性误差模型,设计了一个传递对准仿真系统,仿真结果表明,当初始失准角为小角度时,该新模型和线性模型有着相当的对准性能,但是当初始失准角为大角度时,本文提出的非线性误差模型仍然能够精确完成对准过程,而基于线性误差模型的对准滤波器却发散了。

一种新的快速传递对准方法及其可观测度分析

传递对准能够充分的利用主惯导(MINS)的高精度导航信息,使子惯导(SINS)获得较高的对准精度和较快的对准速度,成为机载、舰载武器惯导系统初始对准的首选方案。为了实现快速传递对准,美国学者Kain放弃了在导航坐标系内定义姿态误差进而建立误差模型的传统方案,在载体坐标系内分别定义了真实姿态误差和计算姿态误差,并分别建立了误差模型,并在该模型的基础上提出了具有较快对准速度和较高对准精度的"速度+姿态"匹配快速传递对准方法。提出了基于该误差模型的"速度+角速度"匹配快速传递对准方法,并对基于奇异值分解的可观测度分析方法进行了改进,通过可观测度的分析表明本文所提方法使得真实姿态误差的可观测度有较大的提高,仿真结果验证了理论分析的结论,各个坐标轴上姿态误差角的估计精度都有不同程度的提高,特别是方位误差角的估计误差减小为不到原来的1/3。

捷联惯导大失准角误差模型在快速传递对准中的应用

针对快速传递对准中主子惯导相对姿态存在大角度的情况,推导了捷联惯导大失准角误差模型。该模型采用欧拉角表示姿态误差,并用欧拉运动方程准确描述其传播规律。鉴于该模型中的姿态观测方程是复杂的非线性函数,采用无需求导的UKF算法,并采用奇异值分解(SVD)解决方差阵的病态问题。仿真结果表明,该算法在小角度误差条件下滤波精度优于线性模型,并且适用于大角度误差条件。

局部可观测理论在惯导系统快速传递对准中的应用

鉴于传统的全局可观测理论很难定量分析时变系统的可观测性,从机载导弹传递对准姿态角误差的可观测性出发,首次将局部可观测性理论应用于"速度+姿态"匹配的快速传递对准中。将条件数的概念引入局部可观测矩阵,定量地计算出在三种不同机动方式下,局部可观测矩阵的条件数,用以表征机动对准过程中系统的局部可观测度。仿真结果证明,提高姿态角误差可观测度的最佳载体机动方式为机翼摇摆运动。该研究结果为实现机载武器动基座快速精确对准技术在工程中的应用提供了依据。

两种快速传递对准方法在航空制导武器中的应用

对常用的两种快速传递对准状态模型(ψ角与m_ψ角模型)的等效性进行了分析与证明。在此基础上,针对MEMS-IMU低精度与稳定性欠佳等特性,综合考虑对准精度与算法实时性,建立了11维ψ角与m_ψ角快速传递对准模型。与传统的15维模型相比,新模型的计算复杂度降低了约60%。与此同时,提出了"安装角滤波器+陀螺仪零偏滤波器"的双滤波器并行工作设计思路,并给出了一种抑制器件误差影响与环境干扰的带宽隔离滤波器参数设计方法,提高了传递对准滤波器设计的灵活性与系统鲁棒性。通过飞行试验对传递对准系统模型与设计方法进行了试验验证,结果表明,相较于传统算法,收敛时间减少至30 s以内,传递对准精度提高约40%,有效解决了低精度MEMS-IMU在航空制导武器中的应用问题。

快速传递对准用联合强跟踪Kalman滤波器设计与仿真

针对用于快速传递对准的卡尔曼滤波器阶数高,计算量大,滤波更新率低,鲁棒性差及对准精度不高等问题,提出采用联合强跟踪Kalman滤波器进行快速传递对准。文中设计了联合强跟踪Kalman滤波器的结构和算法,同时利用改进的Elman网络进行信息分配系数的自适应调节,以实现融合信息在各子系统中的自适应分配。仿真结果表明,该滤波器不仅提高了解算速度,而且提高了系统鲁棒性和对准精度。

一种改进的舰载机快速传递对准方法

为提高舰载机的快速反应能力,设计了一种测量参数组合匹配传递对准新方法。以舰载机惯导的姿态四元数和移动基准惯导的姿态四元数为切入点,通过四元数乘法构建量测量,并与角速度匹配组合构成量测方程,可有效克服传统姿态角匹配计算量大的不足,并获得较好的快速性和滤波精度。给出了数学模型,阐述了工作思路,推导了量测方程,并在舰载条件下进行了分析比较和仿真验证。仿真结果表明,采用本文提出的方法可获得良好的稳健性、快速性和准确性,估计精度与角速度加姿态角匹配方案的精度相当,计算量也明显减小。舰载机惯导系统不但在不到10 s的时间里就完成了对失准角和安装误差角的估计,估计精度均在0.5'以内,还能在不到100 s的时间里完成对陀螺漂移的估计,实现对陀螺器件的标定。

四元数扩维无迹卡尔曼滤波算法及其在大失准角快速传递对准中的应用

针对快速传递对准中量测失准角为大角度的情况,在非线性欧拉角误差模型基础上,推导了一种基于乘性四元数的等效快速传递对准模型.为解决四元数在无迹卡尔曼滤波(UKF)算法中的应用问题,提出了一种基于四元数的状态扩维无迹卡尔曼滤波(Q--AUKF)算法.该算法将系统噪声增广到状态向量中,解决了乘性四元数噪声无法进行向量意义下四则运算的问题.针对四元数加权均值规范化的限制,采用平均四元数算法保证其正交规范化要求.最后将其应用到快速传递对准中的仿真实验结果表明,在量测误差角为大角度的情况下,该算法具有更高的估计精度与收敛速度.

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。

舰载机惯导快速传递对准的联邦滤波器设计

针对舰载机快速反应的要求,提出速度+姿态+角速度匹配的快速传递对准方法。基于联邦滤波的分散化并行滤波思想,设计了一种基于高斯马尔可夫估计的最优加权最小二乘的传递对准联邦滤波器,有效解决集中卡尔曼滤波进行传递对准时存在的状态维数高、计算量大和滤波更新率低的问题。给出了此方法的数学模型,设计了快速传递对准联邦滤波器结构和信息融合算法,并在舰载条件下进行了仿真验证。仿真结果表明,采用该文提出的联邦滤波器与集中滤波器精度相当,且快速性好。主滤波器在4s内完成了对失准角的估计,而子滤波器在1s内就完成了对舰体静、动态挠曲变形角的估计,估计精度均在2′以内,计算量也减小了。

用于快速传递对准的自适应联合H_∞滤波器设计

针对用于快速传递对准的集中式卡尔曼滤波器阶数高、计算负担大、鲁棒性差及对准精度低等问题,该文提出采用联合H∞滤波器进行快速传递对准。设计了联合H∞滤波器的结构和算法:该滤波器采用两级数据融合结构,含有2个与传感器相连的子滤波器和1个融合子滤波器输出信息的主滤波器,整个计算任务被分配给2个子滤波器并行完成从而减轻了计算负担。同时利用改进的Elman网络进行信息分配系数的自适应调节和子系统故障检测,以实现融合信息在各子系统中的自适应分配,并对检测出的故障子系统进行隔离。仿真结果表明:该滤波器不仅提高了系统解算速度与鲁棒性,而且使系统对准精度提高了1个数量级。

惯导快速传递对准的可观测性和对准误差分析

依据控制理论中的可观测性分析方法,分析了惯性导航系统快速传递对准算法的可观测性,由此得出不同可观测性条件下不可观测量引起的对准误差,并对引起不同可观测性的载体机动方式进行分类,分析了水平匀速运动、水平转弯运动、摇翼机动和海上摇摆运动这四种常见的载体运动情况下的可观测性。从而为合理地舍去快速传递对准中的状态变量提供了理论依据。

动基座条件下舰载机快速传递对准方法研究

为了研究海况与航母机动方式对舰载机捷联惯导快速传递对准的影响,以姿态误差角为研究对象,建立了惯导系统的比力方程和姿态微分方程。从误差传播机理出发,详细推导了速度匹配和速度加姿态匹配的误差模型,然后用卡尔曼滤波算法进行仿真分析。仿真结果表明,航母有一定摇摆幅度更有利于舰载机进行速度匹配或速度加姿态匹配;典型海况条件下,航母的机动方式对速度匹配传递对准方式影响较为明显。

基于姿态参数切换的四元数快速传递对准算法

针对快速传递对准过程中的大失准角情况,在建立非线性四元数误差模型的基础上,对利用姿态参数转换的四元数无迹卡尔曼滤波(QUKF)进行研究。通过四元数和修正罗德里格斯参数间的相互转换关系对四元数加权求和公式进行推导,使计算更为直观。针对扰动sigma点中四元数部分的规范性问题,通过先计算sigma点得到其向量部分,再利用单位化约束得到标量部分的方法进行解决,并在此基础上对含有姿态四元数的误差方差阵进行推导并给出相应公式。仿真结果表明,该算法对大失准角的估计准确度和快速性可以满足传递对准的要求。

快速传递对准滤波器设计及其计算复杂度分析

机载武器传递对准时,机翼挠曲变形等因素都会对子惯导的对准精度产生影响。针对空基导弹捷联惯导系统动基座传递对准的工程需要,重点考虑机翼挠曲变形带来的对准误差影响,采用"速度+姿态"的匹配方案设计了降维传递对准滤波器,并对其进行了仿真验证及计算复杂度分析。仿真结果表明,设计的17维设计快速传递对准滤波在4～6s内已收敛到亚毫弧度级,在保证对准性能的同时明显减小系统的计算复杂度。

一种大安装偏差快速传递对准中的闭环卡尔曼滤波算法

在大安装偏差快速传递对准中,模型线性化误差会导致卡尔曼滤波器(KF)估计有偏。针对该问题,提出了一种基于闭环卡尔曼滤波器(CLKF)的传递对准方法。基于安装关系估计值与主惯导姿态建立子惯导粗基准,使子惯导载体系失准角为小角度,从而降低了线性化误差对KF估计精度的影响。进一步采用状态反馈机制修正子惯导状态与安装关系估计值,使子惯导基准载体系和计算载体系逐渐逼近标称载体系,以保证系统在整个传递对准过程中始终处于良好的线性状态。仿真结果表明,CLKF估计精度不随系统非线性增强而下降,与无迹卡尔曼滤波器(UKF)相当且优于KF;CLKF计算量仅为UKF的3%,与KF相当,显著提高了线性滤波器的估计精度,同时有效避免了采用非线性滤波器而引起计算量较大的问题。

快速传递对准在战术导弹上的应用

介绍一种快速传递对准方法,它不要求飞机作横向机动飞行,能够在10s之内达到1mrad的对准精度。这种对准方法是在传统的主/从速度匹配概念基础下增加主/从姿态匹配,从而使飞机旋转机动时的对准误差可观。给出了用微处理机执行的24状态6量测量的卡尔曼滤波器,其更新速率为36Hz。

初始方位信息辅助下潜航器快速传递对准算法

针对多潜航器连续快速布放需求,提出基于初始方位信息辅助下快速传递对准算法。潜航器惯导系统只在对准初始时刻由移动基准惯导提供准确的方位信息和概略的水平姿态信息,布放入水后以初始时刻水平姿态误差和当前速度误差为滤波状态,以水下多普勒测速仪的速度为观测量,通过卡尔曼滤波进行惯性系下的航行中对准。实验验证以优于0.01(°)/h的激光陀螺惯导系统/卫星组合导航的姿态解算值为参考基准,基于实际数据的仿真计算表明,在50s内即可实现快速对准,方位精度达到1密位(1σ)。

联邦滤波信息分配方法及其在传递对准中的应用

针对高动态导航环境中固定信息分配策略不能满足应用需求的问题,根据联邦滤波公式定量分析了信息分配系数的选择对各子滤波器精度、鲁棒性及计算稳定性的影响。考虑通过提高无故障子滤波器的鲁棒性来提高联邦滤波器的快速重构能力,同时兼顾子滤波器的精度和计算稳定性,提出了基于模糊规则表的信息分配策略,给出了实现该策略的具体方法,并将其用于某导航系统的快速传递对准中。理论分析与仿真结果表明,该方法可以有效提高无故障子系统对系统故障的抗干扰能力,并可保证系统的计算稳定性。