冗余旋转惯导系统两位置初始对准方法

冗余旋转惯导系统(Redundant Rotating Inertial Navigation System, RRINS)可以在传统旋转惯导系统的基础上,进一步提高系统的可靠性。针对该类系统高精度初始对准需求,以正四面体冗余旋转惯导系统为例,研究了两位置初始对准方法。首先以每3个陀螺仪和3个加速度计构成一种组合方式,建立每种组合下惯性器件的零偏与冗余配置相关的解析表达式,并设计RRINS两位置转停方案以估计对应惯性器件的零偏,但是在某些特殊的情况下需要增加观测位置;然后将每个惯性器件在不同组合下得到的结果取均值,并利用该均值对相应惯性器件的测量信息做补偿;最后基于补偿后的惯性器件输出进行RRINS的初始对准。数学仿真和实验验证结果表明,该方法在不同两位置方案下均可有效估计出惯性器件的零偏。仿真中陀螺仪的零偏估计误差在4%以内,加速度计的零偏估计误差基本在2%以内,且相比无零偏补偿的情况,初始对准精度提高10倍以上。实验中水平和方位向的初始对准精度都有提高,航向角对准误差最大减小100倍左右。同时,该方法还可以推广到其他配置方案的冗余旋转惯导系统中,对该类惯导系统初始对准精度的提高具有一定借鉴意义。

旋转惯导中转位电机控制算法对导航精度的影响分析

随着陆用和海用装备对导航系统高精度、快速性和长航时要求的提高,旋转惯导成为满足这些要求的重要技术路线之一。旋转惯导中转位机构的转动精度、加减速平稳性和启动速度等成为影响姿态解调精度的关键因素。初始对准、转位调制和姿态解调特性表明,旋转惯导对电机控制的要求为速度平稳、加速度可控。为此,分析了现有的分段速度控制算法和基于S曲线规划的电机控制算法对导航精度的影响。仿真和试验表明,满足转位过程平稳连续、加减速可控的要求,实现了位置转动精度提高、加减速过程的对称性,避免了速度超调过大对电机可靠性的不利影响。

基于双轴旋转惯导的舰船航向误差动态评估方法

针对无外界参考航向信息情况下的舰船航向误差实时动态评估问题,提出一种基于双轴旋转惯导的动态评估方法。通过对比分析引起双轴旋转惯导航向误差和纬度误差的传播规律,建立了双轴旋转惯导纬度误差和航向误差之间的关联性模型。根据二者之间的关联性模型,在可获取外部参考位置信息的条件下,利用双轴旋转惯导纬度误差对航向误差进行实时动态估计与补偿,实现了基于双轴旋转惯导的舰船航向误差动态评估。仿真结果验证了所提出的基于双轴旋转惯导的舰船航向误差动态评估方法有效性:通过对双轴旋转惯导航向误差进行估计与补偿,双轴旋转惯导航向误差最大值约为0.28′,标准差约为0.0808′,满足高精度舰船惯性导航系统航向精度的动态评估需求。

单轴旋转惯导系统“航向耦合效应”分析与补偿

从单轴旋转惯导系统的误差方程出发,分析载体角运动对系统的影响,从改变IMU旋转角速率的角度补偿系统的"航向耦合效应"。针对绕载体系Z轴正反旋转的单轴旋转系统,载体航向运动与IMU的旋转运动耦合改变了从旋转坐标系到导航坐标系的坐标变换矩阵的形式,从而影响系统误差调制效果,导致系统的"航向耦合效应"。为保证该坐标变换矩阵的周期性,考虑改变IMU的旋转角速率,使之绕导航系而非载体系匀速旋转,隔离载体航向运动与IMU旋转运动的耦合,补偿航向运动对系统的影响。最后,利用海上试验实测的姿态和航向数据进行了单轴旋转惯导系统的误差仿真。结果表明,采取"航向耦合效应"补偿方案时,无姿态运动条件下系统位置误差减小一半;在实际姿态运动条件下,系统误差减小三分之一。

旋转惯导系统中的圆锥误差分析及其补偿

圆锥误差是由转动不可交换性误差引起的,存在于惯导系统导航解算的一种误差形式。由于基于旋转调制方式的惯导系统运动模式与传统捷联惯导系统不同,因此圆锥误差的表现形式也会发生相应变化。首先建立了旋转调制惯导系统的圆锥运动模型,对其不可交换性误差进行了推导。在此基础上分析了基于等效旋转矢量的多子样算法在旋转惯导系统圆锥误差补偿中的应用效果以及旋转方案对圆锥误差补偿的影响,最终通过仿真对理论分析进行了验证。仿真结果表明,圆锥误差对于旋转惯导系统的影响要大于传统惯导系统,但可以通过改变旋转方式来对圆锥误差进行抑制。

旋转惯导的发展及应用

惯性导航系统是现代各类载体的核心设备,其精度的高低制约着整个载体精度和性能的提升。旋转调制是提高惯导系统精度的一种重要误差补偿技术。本文对国内外旋转惯导的发展与应用情况进行了综述。相较于国外旋转惯导的大量成功应用,国内还需进一步提高旋转惯导的应用研究水平,以满足高精度的航海、航空以至航天领域长时间自主导航的需求。

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。

双轴旋转惯导旋转方式误差特性研究

在惯性导航系统定位精度优化问题的研究中,惯性导航系统在误差源作用下会产生误差。对于捷联惯导系统,常见误差源有陀螺和加速度计的常值飘移、随机游走,IMU的安装误差以及陀螺的刻度系数误差等。旋转调制可以抑制某些误差源对系统的影响,而调制效果主要由旋转方式决定。为研究双轴旋转惯导系统在不同旋转方式下的误差特性,推导了在不同旋转方案下的旋转矩阵表达式。分析了惯导系统在上述两种旋转方式以及在陀螺各常见误差源作用下的误差特性。考虑陀螺常见误差源,仿真了捷联惯导以及两种旋转方式下的双轴旋转惯导系统的位置误差模型。结果表明,在一定旋转方式下,双轴旋转惯导系统能够有效提高系统定位精度。

单轴旋转惯导系统误差特性研究

为研究单轴旋转惯导系统的误差特性,推导了旋转惯导误差方程,分析了陀螺典型器件误差对惯导系统误差特性的影响。为了研究不同旋转方式对陀螺器件误差的调制效果,设计了单轴单向连续旋转、单轴正反连续旋转以及单轴转停三种旋转方式,分析了各旋转方式对典型误差源的调制效果。综合考虑陀螺常见器件误差,选取典型误差量,基于Simulink建立了仿真模型,仿真了不同旋转方式下的惯导系统位置误差特性。结果表明,不同的旋转方式会产生不同的调制效果;同时,单轴正反旋转的惯导系统可以有效地对陀螺常见器件误差进行自补偿,提高定位精度。

单轴旋转惯导系统旋转周期研究

为研究旋转周期对单轴旋转惯导系统影响,利用拉普拉斯变换求解单轴旋转惯导系统误差方程的方法,分析了单轴旋转惯导系统的误差振荡特性,指出旋转惯导系统振荡误差不仅包括舒拉振荡、傅科振荡和地球振荡,还存在旋转振荡,通过对不同旋转周期条件下系统输出振荡误差幅值的分析,给出较为合适的旋转周期,降低旋转惯导系统的振荡误差,为工程应用上选取合适的旋转周期具有一定的参考价值。

单轴旋转惯导纬度误差和航向误差关联性分析

为实现舰船单轴旋转惯导航向误差海上动态评估,考虑单轴旋转惯导纬度误差和航向误差都是在相同误差源作用下的惯性导航解算输出结果,通过研究引起单轴旋转激光陀螺惯导航向误差和纬度误差的机理,建立了单轴旋转惯导纬度误差与航向误差之间的关联性模型。仿真分析验证了单轴旋转惯导纬度误差与航向误差之间关联性分析的正确性。基于二者之间的关联性,在无外界参考航向信息情况下,可实现海上舰船单轴旋转惯导航向误差实时动态评估与补偿,对提升舰船武器系统作战效能具有重要的实用价值。

旋转惯导捷联算法

针对旋转惯导计算原理,分析了转台测角、测速误差对系统精度的影响。为确定其影响程度,将转台测角、测速误差等效为相应量值的陀螺仪漂移。理论计算和仿真结果表明,转台测量误差特别是测速误差对惯导系统造成较大的影响。提出改进的旋转惯导捷联算法,该算法在姿态更新和导航计算后引入转台转角信息而不涉及转速信息,从算法原理上消除了测速误差对系统精度的影响。

单轴旋转惯导转轴方向高精度标定方法研究

在单轴旋转激光陀螺惯导系统中,转轴方向误差将导致船体姿态解算结果中出现阶跃跳变。本文在分析转轴方向误差与姿态解算误差之间的数学关系的基础上,提出了一种转轴方向的在线标定方法。利用转轴角编码器和惯性测量单元(IMU)的输出数据,解调出船体姿态信息,再根据解调所得到的转轴旋转前后船体姿态的误差,反解出转轴实际方向。通过对实际系统数据实验,验证了该方法的有效性。

激光陀螺双轴旋转惯导系统转位方案设计

本文研究旋转惯导系统设计中的一些重要问题,包括误差调制机理、误差传播特性和旋转方案设计。考虑惯性器件的一些典型误差,分析旋转式惯导系统的误差传播特性,并验证旋转调制下误差的影响效果。通过分析,提出双轴旋转方案合理设计的条件,设计出一种基于64次序的双轴旋转方案以实现平均掉惯性器件所有常值误差的目标。基于该旋转方案,仿真出惯性测量单元主要误差项的调制形式,通过一个旋转周期的积分,得到这些误差引起的累积速度或角度误差的调制形式,进一步验证了旋转调制对误差的调制效果。最后,通过对旋转调制下惯导系统长时间导航误差的仿真,验证了所设计旋转方案的有效性和旋转调制的优越性。

双轴旋转惯导中转位机构模型解耦及自适应控制

双轴旋转惯导中转位机构在动态环境下存在的轴间非线性耦合是影响系统控制性能以及导航精度的重要因素。为了解决这一问题,首先建立了转位机构的一般化耦合数学模型,采用Singh算法求出了逆系统,运用非线性解耦的方法进行了解耦控制律设计。为了进一步解决解耦算法对模型的强依赖性问题,基于超稳定性和正性的方法进行了自适应模型跟随控制器设计。结果表明,自适应模型跟随控制器能够保证系统在系统参数变化甚至是阶次变化时仍具有较好的控制性能。

双轴旋转惯导系统转轴倾角在线标定方法

舰船对惯导系统的姿态精度要求较高,其中转轴倾角是影响双轴旋转调制惯导系统姿态精度的主要因素之一。目前标定转轴倾角的方法多为在实验室内静态标定,船舶系泊状态下在线标定方法是必需要解决的实际应用问题。针对系泊状态下转轴倾角的在线标定问题,首先推导了转轴倾角对姿态波动影响的数学模型,然后在有参考系统提供准确姿态的条件下,以待补偿系统与参考系统的姿态差作为观测量,建立了转轴倾角标定的状态方程和量测方程,同时应用FIR低通滤波器消除系泊状态下时间同步误差的影响。半实物仿真实验结果表明,系泊状态下转轴倾角标定精度与静态下相当,所提出的方法可以提高双轴旋转惯导系统的可维护性。

基于正逆向解算的单轴旋转惯导参数辨识方法

在单轴旋转惯导系统中,z向旋转轴陀螺漂移由于不能被旋转调制成影响系统导航性能的主要误差因素。另外,为了缓解对准过程中对准精度与对准时间的矛盾,在有限的对准时间内最大程度的保证对准精度并能够辨识出z轴陀螺漂移,该文提出了一种静基座条件下,基于时间正逆向解算算法并通过增加航向角量测量,利用最小二乘法进行参数辨识的快速对准方法。该算法不仅能缩短对准时间,还能快速估计z轴陀螺漂移,提高导航精度。以现有的单轴旋转光纤陀螺惯导系统进行试验,结果表明,误差补偿后,系统定位精度提高了约24%,定位误差小于2 n mile/12 h。

用于单轴旋转惯导系统的非接触信号传输技术

针对旋转惯导系统内使用的导电滑环具有寿命低、可靠性差、传输信号带宽窄的缺点,设计了一种基于激光通信的非接触信号传输装置,用于代替导电滑环传输电信号,可大大提高使用寿命、传输信号精度、可靠性和带宽。文中详细介绍了装置的设计原理、技术实现及验证,该装置具有RS232、RS422、CAN、TTL等多种输入输出接口,可满足大部分惯导系统信号传输要求,有效传输距离为20~80mm,经过各个环节的精密设计,可保证10^(-7)量级的传输精度,通过各种测试充分验证了该装置代替导电滑环传输电信号的可行性,为提高旋转惯导的可靠性奠定基础。

陀螺角度随机游走误差对旋转惯导系统的影响

采用旋转调制技术可以抑制惯导系统误差随时间发散的趋势,然而,随机误差是限制旋转惯导系统精度继续提高的因素之一。对于高精度应用领域,陀螺角度随机游走误差也是惯导系统设计时考虑的因素。本文从对准和导航2个过程出发,研究陀螺角度随机游走误差对惯导系统的影响,结合激光陀螺实测数据进行艾伦方差分析,并利用实测结果进行仿真验证。结果表明,陀螺角度随机游走引起惯导系统振荡误差,0.0005°/√h的角度随机游走导航7天引起的位置误差大约1.3 nm。

一种基于逆向导航的双轴旋转惯导系统自标定方法

针对惯导系统高精度自标定的需求,提出了一种基于逆向导航的双轴旋转惯导系统自标定方法。通过转位运动对系统误差进行激励,利用Kalman滤波器进行误差估计,同时存储标定数据,待正向导航滤波结束后,利用逆向导航算法对存储数据二次利用,继续进行误差估计,直到所有状态量收敛到一定精度,实现了对数据的充分挖掘。仿真和试验结果表明,该方法可以实现对双轴旋转惯导系统的全参数自标定,提高了标定精度。