IMU安装及标度因数误差动态参数辨识方法

空间飞行器高动态运动特性可能导致惯性导航系统中惯性传感器(Inertial Measurement Unit,IMU)的安装误差和标度因数误差发生显著变化,若不采用动态参数辨识技术加以在线标定和补偿,将可能严重影响导航精度。文章设计了一种IMU安装误差和标度因数误差参数的动态辨识方法,建立了包含安装误差和标度因数误差在内的IMU误差模型,设计了基于卡尔曼滤波的IMU安装误差和标度因数误差参数的动态辨识方案,分析了不同机动飞行方式下IMU安装误差和标度因数误差的可观测性。仿真结果表明,利用所设计的动态参数辨识方法能较为准确地对安装误差及标度因数误差进行在线标定和补偿校正,有效提高了惯性导航系统精度。

基于抑制标度因数误差的捷联旋转监控方案研究

旋转监控技术通过对惯性元件常值误差的抑制,能有效提高捷联惯导系统的导航定位精度,但由于标度因数误差的存在,降低了旋转调制效果。通过对单轴旋转方式下标度因数调制效果的分析,推导了单轴旋转下标度因数误差激励的角速率误差,并总结出旋转位置与角速率误差的对应规律,进而提出了最佳的双轴旋转方案,最大程度地抑制标度因数误差对捷联惯导系统的影响。计算机比对仿真结果证明:相比单轴旋转方案,双轴旋转方案将系统的纬度和经度误差减小10-2量级,更有效地减小由标度因数误差激励的惯导系统定位误差。

双惯导联合旋转调制光纤陀螺标度因数误差自校正方法

旋转调制光纤陀螺航海惯导系统中,光纤陀螺标度因数误差会与地球自转角速度耦合产生等效的天向和北向陀螺漂移误差,也会与船体摇摆角速度以及惯性测量单元旋转调制角速度耦合产生短时动态误差,限制了长航时航海惯性导航精度。通过使用两套三轴旋转调制光纤陀螺航海惯导系统进行联合旋转调制,提出一种光纤陀螺标度因数误差在线估计与自校正方法。根据两套三轴旋转调制光纤陀螺航海惯导系统的水平旋转轴空间夹角关系建立观测方程,实现在线估计滤波。半实物仿真结果表明,自主导航过程中光纤陀螺标度因数误差在线估计精度优于1 ppm,利用输出校正方式在线补偿光纤陀螺标度因数误差导致的惯导定位误差,有效抑制了两套三轴旋转调制光纤陀螺航海惯导系统定位误差的增长。实际转台模拟实验中,两套三轴旋转调制光纤陀螺惯导系统300 h纯惯性导航整体定位最大误差分别减小25%和40%。算法采用地心地固坐标系,因此也适用于极区导航情况。

光纤陀螺启动过程标度因数误差研究

在现代化战争武器和惯性导航系统中,要求光纤陀螺(FOG)快速启动。研究了温度对FOG启动过程中标度因数误差的影响。FOG的启动时间与超辐射发光二极管(SLD)的输出性能密切相关。研究了SLD输出波长对FOG标度因数误差的影响,对理论结果进行了仿真分析和实验验证。结果表明,由温度变化引起的SLD输出波长变化严重影响FOG启动过程中的标度因数误差;温度变化越大,FOG启动过程的标度因数误差越大;在-20,50,70℃时的最大标度因数误差分别可达0.048,0.0144,0.025,启动时间分别为6,7,11s。

陀螺标度因数误差对双轴旋转惯导系统导航精度影响研究

针对陀螺对称性标度因数误差对双轴旋转惯导系统导航精度的影响问题,采用一种合理的十六次序双轴转位方案,分析了陀螺对称性标度因数在双轴旋转惯导系统中的误差效应,并对不同对称性标度因数误差对导航精度的影响进行了仿真。结果表明,三个轴的陀螺对称性标度因数误差大小与导航经度误差大小成线性关系,并且满足线性叠加性,两个转动轴上陀螺对称性标度因数误差对导航精度的影响程度大于非转动轴。最后提出了减小陀螺对称性标度因数误差对导航经度误差影响的措施,可以为双轴旋转惯导系统的进一步优化和工程设计提供理论参考。

光纤陀螺标度因数的测试误差分析

为了进一步提高光纤陀螺标度因数的测试精度,对光纤陀螺标度因数测试过程进行理论分析,确定了影响光纤陀螺标度因数测试误差的主要因素,并进行了计算机仿真和实验验证。结果表明:由于安装误差、北向地速分量以及转台速率精度的影响,光纤陀螺测试起始位置和采样时间的选择均会给小速率标度因数不对称性和非线性度的测试带来误差,而大速率标度因数的测试基本不受影响;通过对各输入速率点进行整圈采样,可以有效地降低小速率标度因数的测试误差,使其测试精度提高1个量级以上,实现对光纤陀螺标度因数性能更加准确的测试。

光纤陀螺启动过程标度因数补偿方法

针对光纤陀螺启动过程标度因数变化大、稳定时间长的问题,提出标度因数补偿方案。分析了光纤陀螺启动过程中标度因数误差及超辐射发光二极管平均波长随温度变化误差产生的物理机制,建立了启动过程中标度因数误差的数学模型。进一步提出了一种通过测量温控电桥电路THERMIN端电压实时补偿启动过程标度因数的方案。试验结果表明,启动过程中(2 s内)光纤陀螺标度因数误差峰峰值从约25 000×10^(-6)降低到小于300×10^(-6),大幅提高了启动过程标度因数性能,满足了武器系统的快速启动需求。

车载定位定向系统误差在线补偿方法

针对里程计输出为位置增量,传统SINS/里程计组合方法会对位置增量进行微分或积分从而会产生一定噪声或误差,且里程计标定残差影响高精度定位定向系统性能的问题,提出了一种基于位置增量组合的定位定向系统误差在线估计和补偿方法。该方法除了将惯性器件误差列入状态量外,还将里程计安装误差残差、标度因数误差等纳入状态量进行实时估计,将惯性导航系统输出的速度增量进行积分获得位置增量,同时与里程计输出位置增量进行比对,构建量测方程。设计跑车试验对该方法进行了验证,结果表明该方法可以有效估计惯性器件误差和里程计参数误差,同时相比速度组合方法而言,定位精度可提高40%。

光纤陀螺标定误差对舰船捷联惯导系统的影响

为降低船用光纤陀螺标定误差对捷联惯导系统的影响,有针对性地提高光纤陀螺各标定参数的精度,采用将光纤陀螺标度因数误差、安装误差和零位误差进行分离的方法,推导出光纤陀螺三种标定误差与舰船角速率误差之间的函数关系,将其分别代入舰船捷联惯导系统姿态误差方程进行误差分析.并将舰船摇摆运动下的导航误差与静止下的导航误差进行比较.研究结果表明:光纤陀螺零位误差等效于光纤陀螺漂移,舰船摇摆运动会激励光纤陀螺标度因数误差和安装误差的标定误差对系统的影响.

基于星敏感器的星载惯性基准误差的实时估计与补偿

本文对利用星敏感器修正星载惯性基准误差的方案进行了分析并给出了仿真结果。星敏感器能够提供姿态误差观测值，以卡尔曼滤波为基础，利用这些观测值可以在线估计并补偿陀螺仪的漂移误差，从而达到保证惯性基准精度的目的。

车载自主导航系统里程计误差在线标定方法

本文针对车载自主导航系统存在的里程计安装误差和标度因数误差影响其导航精度的问题,提出一种车载自主导航系统里程计误差在线标定方法。将里程计航位推算的位置信息与惯性导航系统解算的位置信息之差作为组合导航滤波器的量测更新数据,同时将里程计的航位推算位置误差、安装误差角、标度因数误差列入传统的组合导航滤波器状态量中并进行实时估计,实现对里程计误差的在线标定。车载试验表明,在线标定方法与设定已知路标点的传统里程计标定方法对比,安装误差角标定误差在0.006°以内,标度因数误差标定误差在0.04%以内。使用在线标定的参数进行自主导航精度测试,针对陀螺漂移为0.01°/h的高精度光纤惯性导航系统,自主导航精度在0.1%D以内,满足车载自主导航系统导航精度的要求。

单轴旋转惯导系统误差传播特性分析

惯导系统的旋转调制技术实质上是一种误差自补偿技术。为了研究单轴旋转惯导系统的误差补偿机理,从四元数微分方程的角度重新推导了旋转惯导系统的姿态误差模型,能够与常用的方向余弦法推导的模型相互印证。建立了具有一般意义的系统误差模型和静基座误差传播方程,并分析了惯性器件误差量的调制形式,为设计转位方案提供了依据。针对单轴连续旋转方案中陀螺常值漂移、标度因数误差和安装误差对导航误差的影响进行了仿真。理论分析与仿真结果均表明,惯性测量单元绕方位轴的连续旋转可以有效抑制导航误差。

机抖激光陀螺仪过锁区误差分析

文中在理论上分析了抖动偏频激光陀螺仪标度因数误差与闭锁阈值、抖动偏频量的关系,并用Matlab 对其关系进行了仿真计算,验证了激光陀螺仪输入角速率在抖动偏频量附近由抖动偏频造成的标度因数非线性最为严重、速率测量误差最大的结论。

基于惯性空间稳定的双轴惯导旋转调制方法

陀螺标度因数误差是影响长航时船用旋转调制惯导系统的关键误差源,其与地球自转和载体运动的耦合误差,可导致惯导系统误差发散。针对此问题,结合船用惯导使用特点,采用外航向、内俯仰的双轴旋转框架结构。在此基础上,提出了一种基于惯性系的双轴旋转惯导系统多位置转停调制方案,通过补偿地球自转和载体运动在双轴旋转惯导内外框架旋转轴上的投影分量,可显著降低陀螺标度因数误差对长航时导航精度的影响。数学仿真和船载试验结果表明,在载体航向角运动的场景下,该方法与传统的双轴旋转调制方案相比可有效抑制地球周期项振幅的增大,系统导航位置误差的发散也降低50%以上。

静基座速率偏频激光陀螺捷联惯导系统快速高精度初始对准算法

针对惯性器件误差对初始对准精度的影响,提出了基于速率偏频激光陀螺捷联惯导系统的快速高精度初始对准算法。首先,研究了初始对准阶段惯性器件的误差特性;然后,建立了激光陀螺标度因数和加速度计零偏的二次非线性误差模型,并对其进行在线估计和补偿;最后,采用卡尔曼滤波方法对激光陀螺零偏残差进行估计,得到系统初始对准姿态矩阵。实验结果表明,该算法可以有效消除激光陀螺标度因数误差、零偏误差和加速度计零偏误差等因素对初始对准精度的影响,初始对准时间为3min时水平姿态角对准精度为2″,偏航角对准精度优于30″,精度和快速性均得到显著提高。

一种提高车载定位定向系统定位精度的方法

在车载定位定向系统中,通常采用停车修正或引入GPS等外信息校正系统,这会降低陆地武器装备的战场生存能力和自主性。基于上述情况,分析了惯导系统以及与里程计构成的航位推算系统的误差模型,得出了惯导系统短时间内定位精度高以及航位推算系统定位误差随时间增长缓慢的规律。据此推导并提出了一种提高系统定位精度的方法,该方法不需要停车或外部信息,首先利用惯导系统对航位推算系统进行校正,估计出里程计标度因数误差和载车的安装误差并进行补偿;之后利用航位推算系统对惯导系统进行校正;采用加权函数对系统位置输出进行加权优化处理。理论分析和仿真实验表明利用此方法在2 min内能估计出里程计标度因数误差和载车的安装误差,估计精度在90%以上;加权后的位置输出精度在0.2%D(D为里程)以上。

加速度计信号处理的建模与仿真

研究车载公路路面平整度动态测量系统的优化设计问题,加速度计输出信号的二次积分用于修正路面高程数值,由于目前处理一维加速度计信号的方法中均不能滤除混入的标度因数误差。为解决上述问题,提出根据卡尔曼滤波原理建立标定车载道路路面平整度检测单元中一维加速度计混入的零偏差和标度因数误差的卡尔曼滤波模型,并使用MATLAB软件上进行仿真,仿真结果表明建立的卡尔曼滤波模型可以有效估计和滤除加速度计输出信号中混入的固有零偏差、标度因数误差和随机白噪声,为优化设计提供了依据。

调制型光纤捷联系统系泊状态标校方法

针对舰船系泊状态特有的运动环境及惯性器件偏差对捷联系统导航精度的影响,提出一种单轴四位置旋转调制方案并建立该系统误差方程。研究了直观分析系统参数可观测性的解析方法,并运用谱条件数法计算出惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)在静止和旋转状态下各状态量的可观测度,利用分离位置回路的卡尔曼滤波模型实现了器件偏差的现场估计。数值仿真显示,单轴四位置转停方案可以有效地提高惯性器件偏差的可观测度,大大提高了系泊状态下惯性器件偏差的估计精度。

振动陀螺椭圆参数的离散滑模控制

针对比例-积分-微分(proportional-integral-derivative, PID)控制下振动陀螺椭圆参数的控制精度和收敛快速性难以提升的问题,提出了将离散滑模控制(discrete-time sliding mode control, DSMC)引入到振动陀螺的控制系统中的方法。该方法从表征振动陀螺工作状态的椭圆参数出发,选取主波振幅和正交波振幅作为控制对象,进而得到离散滑模控制律。基于Simulink模型分别在静止(0°/s)和动态(100°/s)条件下,对椭圆参数进行PID控制和DSMC的仿真对比。10 s内的仿真结果表明:DSMC可使主波振幅误差减小16 LSB,正交波振幅误差减小1 LSB;静止条件下,角度漂移速率减小0.36 deg/h;动态条件下,标度因数误差减小5 ppm。仿真结果体现了DSMC的鲁棒性和收敛快速性。

里程计辅助的高精度车载GNSS/INS组合导航系统

针对城市隧道、偏远山区等复杂路况下,卫星导航系统信号被遮挡较严重或无卫星导航系统信号的场景中,车载GNSS/INS组合导航系统精度下降的问题,提出一种里程计辅助的高精度车载GNSS/INS组合导航方法。该方法中的组合滤波模式可根据载车环境变化在GNSS/INS组合模式和DR/INS组合模式间实现自适应切换,该组合导航方法将三维里程计航位推算位置误差作为状态量扩充到常规组合导航滤波器中,里程计的标度因数误差、安装角误差可通过里程计误差标定方法离线精确得到,后续使用只需将里程计误差参数装订到组合导航系统中即可。车载试验表明,7 km的信号遮挡场景下组合导航系统单个方向上的位置误差最大值也不大于8 m,整个跑车过程中位置误差在3 m以内,进一步保证了车载GNSS/INS组合导航系统复杂路况下的高精度定位。