Evaluation and optimization of strapdown velocity numerical integration algorithms for SINS in spinning ballistic missiles

The error of the conventional velocity numerical integration algorithm was evaluated through the Taylor series expansion. It is revealed that neglecting the second- and higher-order terms of attitude increments will lead to the velocity numerical integration error, which is proportional to the triple cross product of the angular rate and specific force. A selection criterion for the velocity numerical integration algorithm was established for strapdown inertial navigation system (SINS) in spinning missiles. The spin angular rate with large amplitude will cause the accuracy of the conventional velocity numerical integration algorithm in SINS to decrease dramatically when the ballistic missile is spinning fast. Therefore, with the second- and higher-order terms of attitude increments considered, based on the rotation vector and the velocity translation vector, the velocity numerical integration algorithm was optimized for SINS in spinning ballistic missiles. The superiority of the optimized algorithm over the conventional one was analytically derived and validated by the simulation. The optimized algorithm turns out to be a better choice for SINS in spinning ballistic missiles and other high-precision navigation systems and high-maneuver applications.

基于正弦函数拟合的高动态捷联惯导姿态更新算法

为提高捷联惯导在高动态条件下的姿态解算精度,基于等效旋转矢量泰勒级数展开法,提出一种基于正弦函数拟合的高动态捷联惯导姿态更新算法。以正弦函数拟合载体运动角速度,考虑Bortz方程高阶项的影响,对陀螺角增量表示的旋转矢量进行泰勒六阶展开,对比旋转矢量不同形式表达式求得误差补偿系数。在MATLAB平台上,以圆锥运动与大角速率转动并存环境作为仿真条件,对所提算法与传统算法进行对比仿真分析。仿真结果表明,在小半锥角低频圆锥运动伴随高速角速率转动情况下,所提算法性能较好,当半锥角为0.5°、角频率为2.26πrad/s、常值角速率为5.30 rad/s、姿态解算周期为0.02 s时,所提正弦函数拟合三子样旋转矢量算法与传统扩展形式频率级数/显示频率三子样圆锥算法相比误差降低了2个数量级。

GNSS/SINS/视觉导航鲁棒算法

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)、捷联惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System, SINS)和视觉传感器优势互补,3者信息融合可获得高精度、无漂移的导航定位信息.针对GNSS/SINS/视觉融合导航易受运动速度、光照变化、遮挡等影响导致定位精度和鲁棒性降低问题,本文在图优化框架的代价函数中加入SoftLOne鲁棒核函数,设置量测值粗差检验程序,降低离群点带来的负面影响.进一步,对量测值计算残差进行卡方检验,对超限残差降权处理,提高系统精度和鲁棒性.实验结果表明,本文算法较不施加鲁棒核函数、不采用异常值剔除策略和卡方检验的传统算法,以及加入其他鲁棒核函数的算法精度更高、鲁棒性更好,能够较大程度提升GNSS/SINS/视觉导航定位精度和鲁棒性,在大尺度环境下,未出现较大漂移误差,绝对位姿均方根误差0.735 m,绝对位姿误差标准差0.336 m.

高动态姿态测量圆锥误差补偿算法改进及实时性分析

弹丸圆锥运动会对制导系统产生严重的控制干扰,为了补偿该误差,分析了一种新的圆锥误差补偿算法,以提高弹载姿态控制系统在高动态运动环境下的解算精度和实时性。结合四元数四阶龙格-库塔法和三子样等效旋转矢量法,利用修正型罗德里格斯参数改进基于角增量输出的三子样四元数姿态算法,推导相应的微分方程表达式,建立三子样四元数改进算法姿态求解数学模型。仿真结果表明,与传统圆锥误差补偿算法相比,改进算法能更有效的补偿圆锥误差,平均解算精度提高了约17.32%,减少了高动态环境下的计算量,实时性提升了约22.54%。

一种基于Adams-PECE捷联惯导数值更新算法

捷联惯导k子样算法的速度更新需要对Rodrigues旋转公式近似,积分区间为k个采样间隔。为避免速度更新中Rodrigues旋转公式近似,缩小积分区间,提出一种基于Adams-PECE捷联惯导数值更新算法。由Adams预测公式估计当前速度与位置,采用预测参数参与姿态矩阵和当前加速度计算;由Adams校正公式计算当前速度与位置,并更新姿态矩阵。所提算法无需计算划桨和旋转误差,积分区间为一个采样间隔。基于捷联惯导真值数据,所提算法的逼近精度比k子样算法高10倍以上;随着测量误差的增加,所提算法在天向通道和偏航通道上偏差小于k子样算法,偏航通道最大差为4.89×10^(-4)度,高程最大差为20.60 m,在其他通道上与k子样算法偏差相近,表明所提算法比k子样算法具有更好的适用性。

基于毕卡迭代的捷联姿态更新精确数值解法

针对捷联惯导在大角度机动等场合下姿态精确求解问题,论文根据四元数微分方程的毕卡级数解法,提出一种新的求解姿态更新的数值算法。新算法利用角增量建立角速度多项式拟合,再根据多项式四元数的乘法特点将其变换为多项式的卷积运算,求得更新四元数的幂级数解。新算法在推导过程中未做任何近似和假设,不存在原理性误差。在大幅值圆锥运动和大角度机动环境下,新算法与传统算法进行了对比仿真试验,校验了新算法具有明显的精度优势。

一种求解姿态不可交换误差补偿系数的通用方法

针对捷联惯导姿态更新算法中的不可交换误差补偿系数求解问题,论文在多项式角运动条件下建立了角速度多项式、角增量多项式与多子样角增量采样之间的线性关系,根据等效旋转矢量微分方程中不可交换误差多项式的向量叉乘特点,将叉乘转化为多项式系数的卷积运算,推导给出了计算任意子样数不可交换误差补偿系数的数值方法,新方法易于软件编程实现。最后,通过仿真计算给出了2~6子样误差补偿系数,其中2~4子样结果与已有文献完全相同,而5、6子样为首次给出。

捷联惯导系统姿态算法比较

姿态算法是捷联惯导系统算法中的一个重要组成部分,解算姿态阵相当于建立起数学平台,其精度对捷联惯导系统的精度影响很大。该文就实际应用,对欧拉角法、方向余弦法、四元数算法、罗德利格参数法、优化旋转矢量算法及一种改进的递推旋转矢量算法做了分析,并在典型圆锥运动输入下,对后五种算法进行了仿真,为姿态算法的研究提供了参考。

捷联惯性导航中一种算法的推证

捷联惯性导航系统中,常常用到解算四元数矩阵微分方程的问题。为此给出了解四元数矩阵微分方程的一个强有力的算式,并给出了详细的数学推导和证明。

传递对准精度离线评估方法研究

针对基于平滑滤波算法的捷联惯导传递对准精度评估方法在整个过程中采用开环滤波方式可能影响评估精度的问题,该文给出了一种基于后向捷联算法和最优平滑算法的闭环精度评估方法。先按时间顺序进行卡尔曼滤波,在滤波结束时可获得较精确的姿态估计值,再以此为姿态初始值用保存的惯组数据进行后向捷联惯导解算和闭环后向组合导航直到对准结束时刻。最后对后向组合过程中的数据进行平滑得到姿态参考值,从而对传递对准精度进行评估。仿真结果验证了方法的有效性,最终评估精度得到了一定程度的改善。

旋转矢量航姿算法的一种新的表达式

传统的旋转矢量航姿算法一般采用陀螺的角增量输出来构造积分算法 ,本文将光纤陀螺输出的角速率信号再引入航姿计算 ,提出一种新的航姿算法表达式 ,并分析了此算法在圆锥运动输入下的误差。与传统的旋转矢量法比较 ,新算法具有较高的精度 。

捷联惯导系统姿态算法研究

姿态算法是捷联惯导系统算法中的一个重要组成部分 ,研究了一种新的递推补偿方法并在BorlandC语言环境下进行了仿真 。

捷联惯导系统姿态解算模块的实现

提出了一种实现捷联惯性导航系统姿态解算模块的方法。基于DSP的硬件平台和四元数的数学平台,设计了捷联惯性导航系统的姿态解算模块。介绍了捷联惯性导航系统的工作原理和姿态解算的基本算法,并给出了四元数法的四阶龙格-库塔数值解法。设计了姿态解算模块的硬件电路和软件实现程序。实验测试结果表明,在增量角<5°的情况下,用四阶龙格-库塔法进行姿态解算,误差<0.0053%;应用TMS320C6713B进行硬件电路设计,每次解算时间<36μs,能够满足捷联惯性导航系统对精度和速度的要求。

基于多项式迭代的等效旋转矢量微分方程精确数值算法

提出了一种基于多项式迭代的求解等效旋转矢量微分方程(Bortz方程)的新算法,以角速度多项式作为输入,利用泰勒级数将Bortz方程中的余切函数展开成多项式形式,将不可交换误差补偿中的叉乘和求模运算变换为多项式的卷积运算,通过迭代求取等效旋转矢量的多项式精确解,有效地解决了捷联惯导系统在大角度机动环境下的姿态精确确定问题。此外,还对新算法的数值运算量和迭代收敛精度进行了分析。最后,进行了半锥角90°、频率1 Hz、时长1 s的大幅值圆锥运动姿态更新仿真实验,与传统圆锥优化算法的5''姿态误差相比,新算法的误差仅为10^(-7)'',具有明显的精度优势。

捷联惯导中求解圆锥误差系数的通用算法

在捷联惯导姿态更新算法中,针对传统的由等效旋转矢量微分方程求解多子样优化圆锥误差补偿系数的推导过程比较繁琐的问题,提出了一种新的计算任意子样数优化圆锥误差补偿系数的数值算法。在圆锥角运动条件下,新算法对角速度和角增量三角函数作泰勒级数展开,再根据圆锥误差积分和不同子样角增量叉乘计算过程中的多项式系数向量叉乘特点,将叉乘运算转化为多项式系数的卷积运算,新算法易于软件编程实现。最后,通过仿真计算给出了所有共计21种1~6子样优化圆锥误差补偿系数及相应的算法漂移。

基于非等间距采样输出的旋转矢量姿态算法

基于实际系统中陀螺的输出为非等间隔的角增量信号,重点研究了采样时刻的变化对捷联姿态算法的影响,并推导出旋转矢量三子样算法和二子样算法的通用表达式及其误差方程。传统的Miller算法已被证明是本算法的特例。研究发现,算法误差与由采样时刻构成的误差系数阵密切相关,Miller算法中的等间距采样使得该矩阵奇异,而改变采样间距可使其满秩,从而降低算法误差。然而对角增量输出的二子样算法而言,等间隔采样比非等间距采样具有更小的算法漂移。仿真及试验结果证明了本文的观点。

一种新的捷联矩阵更新算法在无陀螺捷联惯导系统中的应用

本文为改进无陀螺捷联惯导系统解算的实时性 ,引入一种姿态阵更新的算法 ,并和常用的四阶 -龙格库塔法进行仿真比较 ,其结果是在不影响其精度的情况下 ,新算法的计算量和计算机时都有明显的减少。

捷联陀螺漂移误差模型辨识及其应用

在对陀螺漂移数据建立时间序列模型的基础上，采用卡尔曼滤波算法对船用捷联陀螺漂移数据进行了处理，以提高陀螺静态漂移误差系数的估计精度，并把得到的陀螺漂移误差模型实时补偿到捷联系统中，得到了满意的效果．

一种求解等效旋转矢量高阶误差补偿系数的新方法

在传统等效旋转矢量多子样算法中,仅考虑了二阶不可交换误差的补偿而忽略了高阶项的影响,算法精度有限。高阶误差补偿算法在一定程度上提高了等效旋转矢量的计算精度,但是其系数求解方法比较烦琐。针对以上问题,提出一种采用数值仿真方法进行误差补偿算法系数的求解方法,将等效旋转矢量方程(Bortz方程)分解为互不相关的不同重数的角速度叉乘积的形式,随机仿真生成高阶误差期望值和一组角增量的叉乘积,建立量测方程组,通过角增量矩阵秩的计算化简消除叉乘积之间的相关性,最终求得所有误差补偿系数,所提方法具有操作简单和易于推广的突出优点。在大锥角圆锥运动和大角度机动环境下进行了对比仿真验证,与传统算法相比新的高阶算法的精度提高了2~3个数量级。

捷联惯导系统快速最小二乘精对准方法

传统最小二乘精对准方法采用水平速度误差作为量测值,对方位失准角和陀螺漂移的估计时间较长,且收敛速度受递推计算初值影响。改进方法直接采用单位时间的水平比力作为量测值,同时忽略失准角误差中的高次项,将三次曲线转化为线性模型进行估计。在简化模型的基础上,推导了计算量很小的无初值最小二乘递推算法,进一步加快了对准收敛速度。静基座条件下的仿真和实验验证结果表明,改进方法估计的失准角误差和北向陀螺漂移均可在120 s内收敛,在不影响对准精度的前提下缩短了对准和测漂时间。