两种SINS惯性系四元数粗对准算法等价性分析

针对捷联惯导系统惯性系粗对准两种四元数算法的等价性进行了详细分析。首先,根据姿态矩阵的分解原理将初始对准问题转化为多矢量定姿的Wahba问题,并根据重力矢量连续变化的特点建立了积分形式的优化目标函数。然后,根据基于四元数的坐标变换原理,将目标函数变换为关于姿态四元数的函数,进而根据四元数运算性质分别导出最优四元数的两种求解形式,并根据矩阵特征值和特征向量的性质证明了两种算法的等价性。最后,通过仿真和试验数据进一步验证了理论分析的正确性。

摇摆基座上基于信息的捷联惯导粗对准研究

舰船的摇摆使陀螺无法测出地球自转角速度,无法根据陀螺和加速度计的输出直接计算出姿态阵。针对这一问题,提出了基于重力加速度的粗对准算法。该算法中,姿态阵分散成4个矩阵求取,所利用的信息为:摇摆基座姿态变化信息;重力加速度相对惯性空间随地球旋转引起的方向变化信息;地球自转信息;地理信息。算法的巧妙之处是应用惯性凝固假设,建立了基座惯性坐标系ib0,使舰体相对ib0坐标系的姿态阵初值成为单位阵,从而使姿态更新解算成为可能。仿真结果表明,在舰船横摇、纵摇、艏摇幅值分别为10°、7°和5°,周期分别为6 s、5 s和7 s,横荡、纵荡、垂荡幅值分别为0.02 m、0.03 m和0.3 m,周期分别为7 s、6 s和8 s的环境下,由50个样本确定的东、北、天向失准角的均值分别为2.01′-、1.38′和-0.20,°相对的标准差为0.26′、0.21′和1.3,°在此基础上完全可以实现精对准。

基于惯性参考系的动基座初始对准与定位导航

以惯性坐标系作为捷联惯导解算参考基准并综合外测速度辅助信息,可有效隔离载体角运动和线运动干扰的影响,实现捷联惯导系统(strapdown inertial navigation system,SINS)动基座初始对准。但现有算法的对准精度受载体位移影响,通过位移补偿降低重力矢量在惯性系投影的偏斜误差,同时给出了基于惯性参考基准的SINS定位方法,提高SINS动基座初始对准精度,并且具备对准过程中进行实时定位导航的能力。车载实测数据分析表明,动基座方位对准精度达到0.032°,相对定位精度约为行程的0.15%。

微小型捷联惯导系统解析式对准方法研究

对静基座下微小型捷联惯导系统对准技术进行了研究。给出了6种解析式粗对准的对准方法,通过对这6种方法的理论对准误差进行推导,得出对应的理论对准误差结果,其中2种方法误差较小,同时进行仿真,仿真结果验证了理论对准误差推导的正确性。因此,在传感器精度相同的条件下,本文为静基座下微小型捷联惯导系统的粗对准的实现确定了效果较好的2种方法。最后采用了其中的4种方法对实测的微小型IMU数据分别进行了对准验证分析,获得了很好的效果。

基于参数识别视速度的双矢量粗对准方法(英文)

针对传统基于视速度双矢量粗对准中,由于传感器随机噪声的影响,存在对准精度差,收敛速度慢的缺点,提出了一种新型自适应Kalman滤波的参数识别粗对准方法。该方法通过对视速度运动进行建模,设计采用自适应Kalman滤波对模型参数进行参数识别,从而有效地消除视运动中的随机噪声,提高粗对准的精度和收敛速度。由于自适应滤波的特点,新方法不需要对传感器误差进行统计,使其在实际系统中具有更加广泛的应用价值。针对双矢量粗对准的计算特点,设计了一种矢量重构算法,从而尽可能地规避双矢量共线性问题,加快了粗对准的收敛过程。仿真与转台实验表明,与传统方法对比,新方法在相同的对准时间内具有更高的对准精度,在相同的对准精度下,具有更高的收敛速度。转台实验的最终对准精度为-0.1391°,标准差为0.012°。

基于惯性参考系线性滤波传递对准方法

提出一种机载武器捷联惯导系统任意失准角情况下的传递对准方法。该方法以两个相对惯性空间指向不变的坐标系为基础,将姿态四元数分解为可由子惯导陀螺仪输出计算的四元数、可由主惯导传递的信息计算的四元数以及需要估计的常值四元数。对比力方程进行数学变换,得到了线性量测方程。建立了任意失准角情况下的线性传递对准模型。设计了一种自适应卡尔曼滤波算法以解决观测噪声方差阵难以精确计算的问题。仿真结果表明,该方法在任意失准角情况下都能得到较高的对准精度,为机载武器捷联惯导系统提供了一种有效的传递对准方法。

基于LS-SVM的捷联大失准角初始对准技术

针对捷联惯性导航系统（SINS）大失准角初始对准情况下非线性模型线性化导致模型不准确和影响对准精度的问题，设计了一种基于最小二乘支持向量机（LS-SVM）的大失准角对准算法。该方法采用基于加性四元数误差（AQE）的大失准角误差方程，采用简化的无迹卡尔曼滤波器（UKF）来模拟LS—SVM训练样本。捷联惯性导航系统和全球定位系统（GPS）的速度和位置误差作为LS-SVM的输入样本，简化UKF得到的失准角经小波去噪后作为输出样本。LS—SVM算法采用交叉验证法选择最佳的核函数参数。仿真结果表明，在大失准角下LS-SVM算法在对准时间和对准精度上与简化UKF和EKF相比均表现出较好的性能。

病态理论在捷联惯性导航粗对准中的应用

针对捷联惯性导航系统粗对准算法中存在共线性的问题,通过分析基于重力矢量信息的双矢量定姿对准算法中系数矩阵的病态性。利用病态矩阵理论中条件数方法对该问题进行分析研究,确定对准时间对共线性问题的影响,并以实例进行仿真计算。仿真结果表明,1 min后共线性问题可以忽略,可解决传统解析粗对准中的角运动干扰问题。

卫导辅助下的舰船捷联惯导航行间粗对准方法

针对舰船捷联惯导在行进间难以实现自主的粗对准,研究了在动基座下的舰船捷联惯导的粗对准,提出了一种采用全球定位系统(global position system,GPS)辅助舰船捷联惯导系统在运动中实现粗对准的方法。该方法利用GPS获得的位置信息,通过对捷联惯导基本方程的数值积分,计算捷联姿态矩阵。相比于借助外测速度实现粗对准,该方法借助GPS获得的位置信息实现粗对准,不需要装备多普勒测速仪。因此,该方法成本更低、具有实用性。经试验验证,该方法能使舰船捷联惯导在航行间快速的计算出初始捷联矩阵,满足姿态误差角小于1°的精度要求。

基于最优四元数估计的摇摆基座粗对准技术

针对摇摆基座的粗对准问题,提出了一种精度更优的粗对准方法。根据三维坐标矢量与旋转四元数间的内在关系,基于Wahba问题的求解原理,将双观测矢量的最优姿态阵求取问题归结为一个典型三角函数最大值的求解问题。阐述了Wahba问题的求解原理,分析了Wahba问题与最优四元数估计法的关系,剖析了最优四元数估计算法的复共线性,设计了基于最优四元数估计的摇摆基座粗对准方案,并与传统TRIAD算法和最优TRIAD算法进行了应用比较。蒙特卡洛500个样本的仿真结果表明,采用基于最优四元数估计的粗对准法的方位姿态估计精度远优于TRIAD算法和最优TRIAD算法,能使方位失准角的变化幅值控制在角分级,在此基础上能更好实现摇摆基座下惯导系统精对准。

舰船捷联惯导系统粗对准方法研究

提出适合于舰船系泊、锚泊状态下的捷联惯性导航系统惯性凝固粗对准方法。在惯性凝固坐标系和惯性坐标系上对重力向量分别进行积分,并利用重力向量随地球旋转在惯性空间的方向变化信息,粗略计算初始捷联姿态矩阵。该方法通过积分抵消掉舰船线性位移引入的干扰加速度,同时,避免了舰船姿态摇摆引入的干扰角速度。仿真分析表明:在舰船系泊、锚泊状态下,惯性凝固粗对准方法比较传统算法优势明显。

激光捷联惯导多矢量定姿法晃动基座粗对准

针对激光捷联惯导晃动基座下受载体运动干扰难以实现粗对准这一问题,提出了一种惯性系下基于多矢量定姿的粗对准方法。首先分析了基于双矢量定姿的惯性系粗对准算法的原理和不足,在此基础上推导了基于多矢量定姿的粗对准模型,并对新方法进行了仿真验证。结果表明,与传统双矢量定姿惯性系对准方法相比,采用多矢量定姿能更充分利用观测信息,有效抑制干扰运动对对准精度的影响,建立更准确的捷联矩阵,同时使对准结果具有更好的稳定性。

基于惯性系原理的动基座粗对准及其性能影响因素分析

捷联惯导系统(strapdown inertial navigation system,SINS)在进行导航解算前需要粗对准提供初始姿态角,载体受多种因素影响和制约,在微幅晃动或运动状态下,需要进行动基座粗对准。从惯性系对准原理出发,讨论了基于比力和速度矢量的两种动基座粗对准解算方案,分析了位置误差、速度误差、杆臂误差对动基座粗对准的影响。结果表明,惯性系对准方法能够满足SINS粗对准的要求,速度误差和杆臂误差是制约对准精度与速度的主要因素,机动性强的轨迹能够加快对准速度,基于速度矢量的解算方案能够有效减弱姿态角收敛过程中的抖动,以提高对准效率。