高精度海洋观测浮标运动测量系统设计与试验

海洋浮标受海洋动力环境影响产生运动,会对平台及仪器的可靠性产生影响,甚至会导致测量误差,影响海洋观测浮标工作安全性和数据质量,因而浮标运动姿态的精确测量研究具有重要价值和意义。本文通过搭建微型惯性测量单元(MIMU)与全球导航卫星系统(GNSS)结合的硬件系统,获取浮标运动姿态相关数据,并采用载波相位平滑滤波模型进行数据预处理,融合最小二乘降相关算法(LAMBDA)解算浮标姿态数据,获取高精度动态浮标姿态。经过摇摆台模拟比对实验,系统姿态角均方根误差小于0.5°,水平速度均方根误差小于0.05 m/s。通过实际海试实验,尤其是台风过境期间系统的测试结果,证明该系统工作稳定可靠,无数据发散现象,整体有效数据达到了95%以上。

基于捷联惯导的随钻测量轨迹解算算法的对比研究

水平钻孔轨迹控制对于煤矿安全具有重要意义。目前钻孔三维轨迹的解算算法主要有5种,但仪器开发人员并未形成统一的算法选用规则。本文对5种轨迹算法进行了对比研究,利用试验的方式分别研究了算法的执行效率及轨迹解算精度。结果显示运行速度最快的算法是均角全距法(耗时4 ms),运行速度最慢的是曲率半径法(耗时10 ms);解算精度最高的算法是最小曲率法(误差0.52 m/100 m),解算精度最低的算法是平衡正切法(误差0.63 m/100 m)。研究成果对于随钻测量仪器开发人员选用轨迹解算算法,具有一定的指导意义。

IMU精度对欺骗检测算法的影响分析

针对全球卫星导航系统(GNSS)/惯性导航系统(INS)紧组合导航系统对抗欺骗干扰的常用方法基于新息的欺骗检测算法中,正常情况下,新息向量服从零均值的高斯分布,当受到欺骗干扰时均值不再为零,进而影响欺骗干扰检测效果,且由于INS惯性测量单元(IMU)精度造成的位置误差也会影响新息向量的均值等问题,开展IMU精度对欺骗检测算法的影响分析:提出GNSS/INS紧组合模型与欺骗干扰模型;然后分析IMU精度对欺骗检测算法的影响,以及INS误差传播对观测新息的影响。实验结果表明,不同IMU精度对伪距估计值的影响,导致新息检测量在无欺骗干扰时不再是零均值;使用基于新息的欺骗检测算法对于IMU精度有要求,随着卡尔曼(Kalman)滤波状态传播间隔与检测窗口缩短,对于IMU精度的要求降低。

基于GNSS/MIMU/DR的农业机械组合导航定位方法

为解决实际农田环境中农业机械自动导航系统的位姿信息易受跟踪卫星数动态变化、天线遮挡、数据传输错误等因素影响,造成定位精度和稳定性变差的问题,采用全球导航卫星系统(GNSS)、微机械惯性测量单元(MIMU)及航位推算(DR)相融合的组合导航定位系统,建立了农业机械两轮运动学定位模型,针对系统状态噪声不稳定的因素,提出了一种根据当前估计值与预测值的偏差自适应地调节系统状态协方差阵的扩展卡尔曼滤波算法,并分别基于静止状态和直线导轨运动状态进行了试验验证。试验结果表明,在静止状态和直线导轨运动状态下,采用自适应滤波算法的航向角平均值绝对偏差分别为0.001 4°、0.024 5°,标准差分别为0.047 4°、0.251 1°;位置距离平均偏差分别为0.003 7 m、0.007 6 m,标准差分别为0.001 0 m、0.004 4 m,与固定值滤波算法相比,自适应滤波算法的各项评价指标得到了明显改善,进一步验证了算法改进的必要性和优越性。

单轴旋转惯导系统载体航向隔离方法研究

有规律地旋转惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)可将惯性器件的慢变误差在导航系中调制成周期性变化的信号,通过积分运算抑制器件该类误差,有效提高惯性导航系统长时间导航精度。基于IMU的测量误差模型,分析了旋转调制技术(rotation modulation technique,RMT)的基本原理和载体航向运动对旋转调制效果的影响。针对载体航向运动降低旋转调制补偿效果这一问题,提出了一种基于载体姿态解算驱动IMU转台的方法,并对该方法进行了理论分析和数学仿真。理论分析和仿真结果表明:该方法可以有效抑制载体航向运动对旋转调制效果的影响。

一种用微型惯性测量组合进行三维位置测量的方法

研究了微型惯性测量组合的一种新的应用 ,即应用微型惯性测量组合进行三维位置的测量。详细介绍了应用微型惯性测量组合进行三维位置测量的方法 ,给出了陀螺角速度提取、转换矩阵求解、三维位置计算、姿态角求取等具体过程 ,在选取惯性级器件并尽量减小测量时间的情况下可以得到较为满意的结果。该方法在大型复杂工件的在线加工制造、测量标定等方面具有明显的应用前景。

惯性平台系统火箭橇试验数据处理方法

火箭橇试验具有产生大过载、高速度、强振动和冲击等综合条件的能力,可以在综合环境条件下对惯性测量装置的功能和精度进行验证。针对惯性平台系统开展了3km火箭橇轨道的功能验证试验,对振动传感器的数据进行了过载分析和振动量级的谱分析。研究了惯性平台系统火箭橇试验后的数据处理方法,包括振动传感器对橇体运行的过载和振动量的分离方法,遮光板光电组件的位置和速度微分方法,以及惯性平台系统的导航算法等,并通过数据比较,对惯性平台系统的性能和功能进行评价。由于遮光板外测系统的采样时间和观测量与捷联惯性测量装置不同,还探讨了试验后观测信息之间的转换、同一时刻不同信息数据的比较等数据处理方法,通过数据比较验证了惯性平台系统在火箭橇试验时的功能正常。该研究对惯性平台系统进一步开展精度验证和误差系数的分离奠定了基础。

捷联惯组射前工程化标定技术

研究了捷联惯组射前标定技术,改进和优化了原有的射前标定方案。射前标定工程应用的关键是初始方位角的确定,这是分离陀螺仪误差系数的基础,精瞄结束后,可以获得弹体坐标系与参考坐标系之间确定的信息。利用精瞄信息,提出了反向导航法以解决射前标定中的初始方位角确定问题,解决了射前标定的工程化应用问题。提出了迭代算法,减小了历次测试结果对射前标定精度的影响,提高了射前标定的精度。精度分析和试验结果分析表明本文所研究的射前标定方案及相关算法能够满足其工程化应用的要求。

日间恒星实时探测的视频图像处理

为了解决船载光学测量设备日间测星数量偏少的问题,研究了暗小目标电视探测技术,以保证惯导系统全天时不间断航向校准。在视频图像处理中,采用中值滤波方法提高信噪比,同时采用基于模糊理论的最大模糊熵阈值分割方法自行构建隶属度函数,自适应求取阈值,实现了星体目标检测与识别。实验结果表明:在原光学设备光学系统不变的情况下,日间可探测的恒星由大于等于3.0星等、小于等于5颗,提高到了大于等于4.5星等,大于等于250颗,满足了惯导系统全天时不间断航向校准的要求。该成果可以推广应用于电视弱小目标探测领域。

一种新的SINS/星敏感器组合导航姿态匹配算法

对SINS/星敏感器组合导航算法进行了研究。基于量测失准角的概念,提出了一种新的SINS/星敏感器组合导航姿态匹配算法,分析了SINS和星敏感器的输出,详细推导了组合导航系统量测的构造过程。与传统姿态匹配方法相比,该算法计算量小且噪声信号的物理意义更加明确。通过仿真验证,结果表明该算法是有效的,既能使姿态误差得到显著收敛,又能准确估计陀螺常值漂移和星敏感器安装误差。

基于倒置声学基阵的INSUSBL组合导航算法研究

文中关注水下潜航器导航定位时,电磁波传播途径中能量衰减、惯导系统长航时积累误差以及提高水下潜航器定位精度等问题。基于倒置的超短基线声学基阵,分析声波往返传播时间(RTT)、平面波近似方法和USBL导航解算方法及其坐标转换过程,结合INS误差方程,建立INS/USBL松组合模型。为进一步提高系统精度、动态性能和抗干扰性,考察USBL的原始斜距、斜距差以及声学基阵的空间分布信息,提出基于USBL原始输出信息的INS/USBL紧耦合组合导航方法。通过MATLAB仿真对导航算法进行验证,结果表明两种算法能充分抑制纯惯导误差随时间积累问题,且有效地估计出姿态、速度和位置误差角;其中紧耦合方法状态估计误差最小,导航参数精度相对松组合提高30%以上,对于提高水下载体导航定位精度、海洋探测具有重大意义。

基于粒子滤波的IMU/UWB组域内自主导航定位研究

由多个移动节点组成的室内班组整体性导航定位对于导航定位精度有效性评价至关重要,针对惯性测量单元(IMU)存在长航时累积误差缺陷,超宽带(UWB)测量无法获取节点方位信息的问题,提出一种结合IMU和UWB测距的方法。在室内外部信息源拒止的情况下,利用多个移动用户自身导航信息以及班组区域内相互的测距信息完成自主导航定位。同时提出基于UWB和IMU的粒子滤波融合算法,将IMU先验状态输出和UWB测量值融入一个概率框架,降低单纯IMU导航定位的累积误差。实验结果表明:结合IMU和UWB测距测量的导航定位系统使班组的整体误差分别在X轴和Y轴方向上降低61.5%和67.5%,能够很好地提高自主导航定位的精度。

渐消自适应Unscented粒子滤波及其在组合导航中的应用

提出一种新的渐消自适应Unscented粒子滤波算法,通过Sigma点来获取状态估值和协方差阵,利用渐消因子自适应的调节权值大小,得到一种参数可调节的重要性密度函数。该重要性密度函数考虑了最新量测的影响,更合理地利用有效信息,保证了粒子多样性,使滤波性能明显改善,能更好地解决非线性非高斯系统模型的滤波问题。将提出的算法应用于SINS/SAR组合导航系统中,与扩展Kalman滤波和渐消自适应扩展Kalman滤波比较,仿真结果表明,提出的滤波算法能提高导航解算的精度,其性能明显优于扩展Kalman滤波和渐消自适应扩展Kalman滤波。

火箭弹简易捷联惯导系统的姿态解算修正方法

在导航运动系统精度问题的研究中,火箭弹上简易捷联惯导系统的速率陀螺测量误差和漂移较大,如果直接对速率陀螺积分解算姿态可能导致较大偏差。而传统的滤波方法将弹体的姿态运动认为是近似线性的变化,对高频运动的火箭弹建模会产生较大的模型误差。为有效提高滤波模型的精确性和组件测量精度,提出了一种根据当前统计模型的姿态运动模型滤波方法,通过对运动状态的有限转移建模可以较好地描述火箭弹姿态的高频运动方式,并进行仿真。仿真实验证明,统计模型建立的滤波方法对火箭弹简易捷联惯导系统的姿态解算结果要优于传统的基于线性拟合模型的滤波方法。

基于组合方式的掘进机导航系统研究

掘进机时走时停的迈步式工作特点导致其难以实现定向掘进,这一直是国内外面临的技术难题。为实现煤矿巷道掘进机的位姿测量,提出一种基于组合方式的掘进机导航系统(即组合导航系统)。首先,以十字激光指向仪的激光束为识别特征,结合自主研制的激光接收标靶,组建光电传感器导航系统,并构建掘进机机身位姿解算模型;然后,通过递推最小二乘(recursive least square,RLS)算法将光电传感器导航系统和光纤惯性导航系统的测量数据融合,解算出掘进机机身的位姿;最后,根据掘进机机身位姿的测量结果,通过PLC(programmable logic controller,可编程逻辑控制器)实现掘进机的纠偏控制,以有效解决其定向掘进问题。以MB670型掘锚一体机为实验对象,通过现场实验对所设计的组合导航系统进行测量误差分析。结果表明:该组合导航系统可以有效实现煤矿巷道掘进机机身的位姿测量;掘进机机身的位置测量误差在±20 mm以内,姿态角测量误差在±0.15°以内,满足煤矿巷道施工精度要求。基于组合方式的掘进机导航系统具有精度高、可靠性好的优点,弥补了单一导航系统的测量缺陷,可为掘进机的定向掘进智能控制提供理论基础。

水下动态重力数据实时采集仿真技术研究

针对难以通过水下采集真实重力数据对重力辅助惯性导航关键技术、算法模型进行实验验证与优化,基于捷联惯导反演算法和重力动态测量原理,研究构建了捷联式与平台式水下航迹重力数据实时采集仿真系统,并采用两两采样点间的重力异常之差作为新的匹配量以提高匹配量精度。依据现有器件水平,设置陀螺仪随机常值漂移为0.002°/h,加速度计随机常值偏值为10 ug,设置采样间隔为180 s、240 s和300 s进行仿真实验。实验结果表明,在相同器件水平下,重力异常之差匹配量的精度明显优于绝对重力异常匹配量,满足高精度匹配导航匹配量中误差小于2 mGal的要求。研究成果可为在实验室环境下进行水下重力匹配导航的理论研究和模型验证工作,提供与实际航迹采集相符且具有一定物理意义的数据支撑。

Intelligently Tuned Wavelet Parameters for GPS/INS Error Estimation

This paper presents a new algorithm for de-noising global positioning system （GPS） and inertial navigation system （INS） data and estimates the INS error using wavelet multi-resolution analysis algorithm （WMRA）-based genetic algorithm （GA） with a well-designed structure appropriate for practical and real time implementations because of its very short training time and elevated accuracy. Different techniques have been implemented to de-noise and estimate the INS and GPS errors. Wavelet de-noising is one of the most exploited techniques that have been recently used to increase the precision and reliability of the integrated GPS/INS navigation system. To ameliorate the WMRA algorithm, GA was exploited to optimize the wavelet parameters so as to determine the best wavelet filter, thresholding selection rule （TSR）, and the optimum level of decomposition （LOD）. This results in increasing the robustness of the WMRA algorithm to estimate the INS error. The proposed intelligent technique has overcome the drawbacks of the tedious selection for WMRA algorithm parameters. Finally, the proposed method improved the stability and reliability of the estimated INS error using real field test data.

煤矿全断面掘进机捷联惯导曲线测量系统

针对现有煤矿掘进巷道偏差曲线测量系统存在不通视和实时测量难的问题,设计了一种煤矿全断面掘进机捷联惯导曲线测量系统。捷联惯导系统通过捷联姿态更新算法实时采集掘进机推进的姿态角;行程传感器安装于掘进机上,用于测量每次截割部向前推进的行程值;将姿态角和行程值代入巷道实际曲线算法得到实际的掘进曲线,与巷道设计轴线进行比较后得到掘进偏差曲线,根据偏差曲线及时对掘进巷道进行纠偏,以保证工程质量。实验结果表明,该系统可实现快速、实时的高精度曲线监控,能够准确计算测量出煤矿全断面掘进机前进的曲线偏差,掘进5m时,最大偏差约为23.2mm,满足煤矿掘进曲线精度要求。

应用于远程图像监控的四轴飞行器

介绍一种基于5.8G图像传输技术,可以用于森林防火防盗巡逻、电力巡检等情况的四轴飞行器。该飞行器采用Cortex-M4架构的STM32单片机作为主控芯片,以MPU6000运动传感器、HMC5883L磁力计来获取无人机姿态位置信息。主控芯片将传感器所采集的值,利用惯性导航技术和数据融合技术通过四元数运算求出当前的飞机姿态,然后通过PID算法实现稳定飞行。

车载GPS导航中综合定位的算法研究

城市道路中通行状况瞬息万变,在实际行车过程中,仅靠单一的GPS进行导航定位是件很困难的事情,因为单纯的计算机软件算法不可能适应复杂多变的交通路况。再加上在卫星信号盲区,GPS定位信息无法给出准确位置。为了解决这些难题,提出了综合定位技术,利用它可以有效应对复杂的交通路况,解决信号盲区无法定位的问题,能够给车辆提供准确的定位信息。全文介绍了综合定位技术的原理以及算法,它主要由惯性导航修正技术,道路信息交互导航模型组成。