单轴旋转惯导系统在晃动基座上的建模及误差分析

阐述了船用单轴旋转捷联惯导系统的基本原理,推导了系统在动态条件下的误差传播方程。在三轴摇摆这种典型运动形式下,对单轴旋转惯导系统各主要误差因素的传播特性进行了仿真分析,并与不旋转时的误差传播特性进行了对比,给出了各种误差因素对系统的影响规律,并定量地得到了其对导航精度的影响程度。研究结果可为船用单轴旋转惯导系统的工程设计提供理论参考作用。

捷联惯导晃动基座四元数估计对准算法

针对捷联惯导晃动基座下的初始对准问题,提出了一种基于四元数估计(QUEST)的抗干扰对准算法。将惯性系对准方法中,求取初始姿态阵的问题转化为基于观测矢量确定载体姿态的Wahba问题,利用四元数估计算法得到最小二乘意义下载体初始姿态的最优四元数解。阐述了四元数估计算法的基本原理,详细给出了基于四元数估计算法的捷联惯导晃动基座对准方案。进行了车载实验,实验结果表明:四元数估计对准算法姿态角误差的收敛速度优于双矢量定姿对准算法,同时可进一步提高对准精度。经120 s对准后,水平姿态误差在5″以内,航向误差在1.3′以内。

晃动基座行进间对准问题的QUEST算法

针对惯导系统晃动基座行进间初始对准问题,提出了一种基于重力矢量的QUEST(Quaternion Estimator)姿态最优估计算法。在传统基于重力矢量的初始对准方法基础上,将方向余弦矩阵的求解过程转换为Wahba问题,实现对重力矢量信息的充分利用,并通过QUEST算法实现了晃动基座下行进间粗对准的最优算法,改善了原有算法鲁棒性以及实时性等方面的问题。仿真和湖试实验验证表明,更改后的算法能够明显提高惯导系统在动基座下的姿态估计速度和精度,特别在周期性线振动环境下的对准精度能够提高一个数量级。多航次的湖试实验结果表明,改进后的算法能够有效提高航向对准精度,综合导航速度精度能够提高50%左右。

基于不同坐标系下速度量测的捷联惯导系统晃动基座对准研究

为解决晃动基座下杆臂效应对捷联惯导系统对准的不利影响问题,以捷联惯导系统解算速度与杆臂速度之间的差值作为量测量,扩充杆臂长度误差为系统状态量,分别推导建立导航系和机体系下的量测方程,构成两种对准模型。分析两种对准模型的特点,指出导航系下对准模型仅适用于能够获得一定精度杆臂长度的情形。在此基础上,提出滤波参数反馈修正的滤波方法,以提高对准模型的适应性和对准精度。仿真实验验证了两种对准模型的正确性和滤波参数反馈修正滤波方法的有效性。

基于姿态跟踪的LINS晃动基座初始对准

为了提高激光捷联惯性导航系统在晃动基座上的初始对准准确度,将惯性仪表数据的低频波动看作载体真实姿态晃动的反映,采用对准算法跟踪这种姿态变化.粗对准在惯性坐标系进行,利用惯性系对准对姿态变化敏感的特性,跟踪载体姿态角变化,确保粗对准误差为小角度;精对准采用标准Kalman滤波,避免了复杂的非线性算法,将两个水平加速引入Kalman滤波的量测向量,利用水平加速度对姿态角变化的敏感性,提高了Kalman滤波对准算法跟踪载体姿态变化的能力.提出了一种晃动基座对准准确度的考核方法,通过激光捷联惯性导航系统车载晃动对准和跑车试验,表明所提对准算法可以在风扰、发动机工作、人员晃动等干扰条件下,实现自对准,对准时间180s,对准重复性为0.04°,跑车水平定位误差达到770m/h,满足高准确度惯性导航设备要求.

晃动基座下的SINS初始对准方法研究

晃动基座条件下陀螺和加速度计测量的地球自转角速度和重力加速度受到了摇摆晃动的干扰,无法根据陀螺和加速度计的输出直接获得初始姿态矩阵。针对这一问题,采用一种基于重力加速度的对准方法,通过静基座和晃动基座的对准试验验证了基于重力加速度对准算法的有效性,证明了该方法具有一定的工程应用价值。

基于四元数的捷联惯导惯性系晃动基座自对准算法

为提高捷联惯导系统在晃动基座下初始对准的快速性和精度,提出了一种基于四元数的捷联惯导惯性系晃动基座自对准算法.该算法利用惯性坐标系下的姿态更新来实时地反映载体在晃动干扰下的姿态变化,通过四元数推导将初始姿态的最优估计转化为Wahba姿态确定问题,以消除角晃动干扰的影响;并根据惯性系下重力矢量和晃动干扰加速度不同频的特点,引入小波阈值消噪以消除线振动干扰的影响,从而提高算法在晃动基座下的对准精度.仿真结果表明,该算法不需要进行粗对准,具有角晃动干扰隔离能力和线振动干扰抑制能力,能够实现晃动基座下的快速、精确自对准.

小波中值滤波在晃动基座初始对准中的应用

针对捷联惯性导航系统(SINS)在晃动基座下进行初始对准时,陀螺和加速度计受外界干扰噪声较大,而单独采用低通滤波或小波滤波法不能有效实时地实现噪声抑制问题,采用小波阈值消噪和中值滤波相结合的混合滤波方法来实现信号的消噪。将输出信号首先经中值滤波消除信号中的突变噪声,再利用小波阈值消噪滤除振动噪声和白噪声,从而有效地消除基座晃动带来的噪声。测试实验表明,提出的混合滤波法对车载惯导系统输出信号噪声滤波效果明显,在发动机启动的情况下,可基本达到静态信号采集的效果。对准仿真实验表明,提出的滤波法能辅助捷联惯导系统实现在晃动基座下的精对准。

EMD滤波在捷联惯导晃动基座初始对准中的应用

为了实现晃动基座情况下光纤捷联惯性导航系统的高精度初始对准,提出了一种基于经验模态分解(EMD)法去噪的抗干扰初始对准算法。该算法在凝固惯性系下进行姿态更新,以反映载体在晃动干扰下的姿态变化,从而消除角运动干扰的影响;并针对EMD法的不足对其进行改进,然后对加速度计的输出进行去噪,以消除线运动干扰的影响。结果表明:改进后的EMD法具有良好的去噪效果,基于EMD法去噪的抗干扰初始对准算法具有角运动和线运动的干扰抑制能力,能够实现晃动基座下的高精度抗干扰初始对准。

捷联惯导系统晃动基座高精度快速自对准技术研究

传统自主对准要求捷联惯导系统准确感应地球自转角速度,导致捷联惯导系统对准期间必须处于静止或微幅晃动状态,限制自主对准的适用范围,而且一般的舰载武器系统难以处于绝对静止状态。为实现舰载武器在晃动条件下的自主对准,本文研究提出了晃动基座下的自对准方案。首先,在粗对准阶段,基于重力加速度在惯性空间的投影量,将姿态阵分割为4个矩阵分别求取,减弱晃动对粗对准的影响;其次,利用晃动条件下系统可观测性提高的特点设计相关滤波器。通过实验验证了此对准方案的可行性。

杆臂效应误差对晃动基座粗对准的影响

为提高晃动基座下惯导系统的粗对准精度,增强惯导系统对准过程中对环境的适应性,采用了一种基于补偿杆臂效应误差的晃动基座粗对准算法。研究了晃动基座下粗对准原理,推导了晃动基座下粗对准算法中的杆臂速度误差项,最后通过仿真和摇摆试验对在不同扰动条件下杆臂效应误差对粗对准的影响进行了验证。仿真验证和摇摆试验结果表明:在晃动基座下,杆臂效应误差对惯导系统粗对准精度影响显著,特别是在大幅晃动基座上,当补偿杆臂效应误差后,惯导系统粗对准精度可以提高10倍以上,为进一步实现高精度快速精对准奠定了基础。

晃动基座下正向-正向回溯初始对准方法

针对传统方式需要对准时间长的问题,提出一种晃动基座下正向-正向回溯初始对准方法,实现了快速初始对准的目的。首先,给出了导航惯性系粗对准的基本原理,分析了导航惯性系粗对准在回溯过程中的作用。其次,对捷联惯导系统初始对准过程进行了深入的研究,利用导航惯性系建立精对准系统误差模型,将晃动基座时变姿态误差角估计问题转换为时不变姿态误差角估计问题,进而为正向-正向回溯对准奠定了理论基础。在此基础上,详细分析了正向-正向回溯对准的基本原理和设计方法。最后,通过设计仿真实验,验证了本文设计的对准方法可以在303 s内实现晃动基座上航向误差优于0. 1°的对准精度。试验结果表明,本文提出的方法具有计算效率高、对准时间短、对准精度高的优点。

纬度未知条件下捷联惯导系统晃动基座的初始对准

针对纬度未知条件下捷联惯导系统(SINS)晃动基座的初始对准问题,提出晃动基座下的纬度估计算法和初始对准方法。前者通过惯性坐标系下两个不同时刻的重力加速度向量的夹角来求取纬度;后者利用惯性坐标系下的姿态更新来实时地反映载体在晃动干扰下的姿态变化,结合初始姿态的最优估计实现初始对准。理论分析表明,本文提出的纬度估计算法的误差主要由加速度计误差决定,陀螺误差和晃动干扰对其影响很小。仿真结果表明,本文提出的纬度估计算法和初始对准方法适用于纬度未知条件下晃动基座的初始对准。

晃动基座下捷联惯导的初始对准研究

为了降低车体振动对惯性器件输出的影响,运用小波域阈值滤波对信号进行预滤波,介绍一种初始对准非线性误差模型,并运用H∞滤波完成初始对准。针对坦克发动的情况,分别在固定怠速和不同怠速的情况下进行大量重复实验,实验结果表明：该方法能够有效完成坦克发动下初始对准,具有良好的重复性和稳定性。

晃动基座下捷联惯导的抗干扰自对准算法

针对捷联惯导(SINS)晃动基座下,SINS难以快速实现自对准的问题,提出SINS的抗干扰自对准算法.该算法通过将初始对准问题转化为Wahba求解问题来消除角运动干扰的影响;利用惯性坐标系重力矢量和晃动干扰加速度的频率特点,通过设计低通滤波器对比力在惯性坐标下的投影进行滤波来消除线振动干扰的影响.仿真结果表明,该算法不需要进行粗对准,能够在角运动干扰和线振动干扰同时存在的情况下快速实现自对准.

半球谐振陀螺平台晃动基座自对准方法研究

针对半球谐振陀螺平台在晃动基座时存在自对准精度和速度难以满足实际需要的问题,提出一种基于自适应多重渐消因子卡尔曼滤波的HRG平台晃动基座自对准方法。该方法能有效克服基座晃动的变化对HRG自对准的影响,显著提升自对准的速度和精度,具有一定的工程应用价值。

晃动基座捷联惯导系统初始对准迭代方法

由于受风力或发动机启动等因素的影响,惯导系统载体(如导弹、飞机、舰船和车辆)经常遇到低频晃动的情况。晃动干扰使得陀螺测量到的地球自转角速度信噪比大幅下降,从而导致常用的对准方法无法满足高精度初始对准要求。针对这一问题,提出了一种基于晃动基座的捷联惯导系统迭代初始对准方法。本方法由惯性导航计算出水平速度误差,利用最小二乘法估算出水平角速度误差、姿态误差和航向误差,然后进行迭代计算,从而算出导航初始时刻的姿态和航向。车载(发动机启动)试验结果表明,该算法既提高了晃动基座条件下的初始对准精度,航向角误差的方差采用静态对准时为0.39244°,摇摆对准为0.03331°,本文采用的迭代对准为0.00883°,缩短了对准时间,迭代对准2min的航向角精度等效于静态对准和摇摆对准5min的精度。

基座晃动对寻北仪影响的仿真分析

外界对寻北仪的干扰,选取正弦和正弦衰减情形,采用二位置寻北方案及改进寻北算法进行仿真,允许基座在大倾角情况下确定方位,即横滚角和俯仰角可不近似为零。计算机控制力矩电机带动旋转机构使陀螺、加速度计由初始位置转动180°采样,再反向转动180°回到初始位置重采样,根据各通道的两次脉冲总数计算航向角、横滚角和俯仰角。仿真结果说明在基座晃动情况下,寻北仪未经有效补偿无法准确寻北。

一种改进的晃动基座上纬度自估计方法

利用重力加速度在惯性系投影呈圆锥慢漂的特性,以及漂移的角度与纬度之间的几何关系,建立相关方程,推导了纬度自估计公式。同时,为了降低加速度计噪声对纬度自估计的影响,提出了将重力加速度积分的方法,并进行了理论证明。该方法可有效平滑掉加速度计噪声的干扰,使估计结果更准确,数值仿真验证了所提方法的有效性。

捷联惯导惯性系动基座对准算法研究

针对船载等晃动基座环境,利用多级低通FIR数字滤波器和过渡的惯性坐标系,实现了惯性系动基座对准。分析表明,对准精度取决于等效的东向陀螺漂移大小以及FIR滤波器组的特性,该方法的对准时间长短取决于FIR滤波器组的阶次,并从原理上解决了大失准角问题。实验结果表明:惯性系对准新方案的对准精度与传统罗经方法精度相当,但新方法收敛更快,而且适用于任意失准角。