惯导系统传递对准模型的研究进展综述

初始对准是惯导系统开启工作后必须经历的阶段,而传递对准则是一种特殊的动基座初始对准技术,可有效提高武器装备的快速反应和精准打击能力。对惯导系统传递对准模型的研究进展进行了综合评述。首先,从姿态误差的定义出发,系统归纳了ϕ_(n)角误差模型、ϕ_(m) 角误差模型和相对姿态对准模型,对比分析了三类误差模型的特点。其次,给出了导航速度、相对速度和惯性速度的定义,理论推导了三种导航速度误差方程。然后,介绍了传递对准的量测模型,并重点归纳了基于相对姿态理论的文献所采用的量测模型。最后,讨论了传递对准有待解决的技术问题和未来研究方向。综述表明,误差的数学定义和参考坐标系以及匹配参数决定了传递对准模型的丰富性,在实际使用时,可以根据应用背景以及使用条件选择相应的传递对准模型,而在误差建模、误差激励、性能评估等方面,传递对准技术都有待进一步研究。

捷联惯导快速传递对准可观测性分析与机动方案设计

基于“速度+姿态”的快速传递对准对实际失准角的估计精度和速度与载体机动密不可分,尤其在大失准角条件下非线性系统观测性分析和可观测度定义仍没有统一方法。首先,在基于量测失准角快速传递对准线性模型的基础上,通过构造可观测性矩阵,分析得出状态量可观测的充分条件;然后,通过构建大失准角条件下快速传递对准非线性数学模型,从全局可观测性的角度出发,系统地推衍非线性系统可观测性与载体机动之间的关系,为载体机动方案的选取提供理论基础;最后,通过仿真实验验证理论分析的正确性。仿真结果表明:在摇摆机动条件下,无论是小失准角还是大失准角,主、子惯导载体的实际失准角在10 s内均可达到约3’的精度。

机载微型导弹动基座传递对准方法研究

为了解决微型导弹应用于轻小型无人机平台的动基座传递对准难题,分析确定了基于姿态匹配修正的传递对准方法,构建了姿态误差方程、姿态矩阵匹配方程、姿态矩阵小角度提取和传递对准滤波器的数学模型,并完成了数值仿真验证.研究表明:基于姿态匹配修正的传递对准方法,在无人机作双轴和三轴分时摇摆机动时均能实现失准角、安装角误差的有效估计,并且估计误差均在5′以内、收敛时间不大于10 s,为轻小型察打一体无人装备研制奠定了良好基础.

一种快速传递对准方法的误差模型研究

传递对准是机载、舰载武器惯导系统初始对准的首选方案,初始对准的速度和精度直接影响着武器系统的快速反应能力和精确打击能力,提高初始对准的速度和精度一直是该领域研究的主要目标,美国学者Kain首次提出了先进的"速度+姿态"匹配快速传递对准方法,能在10s内达到1mrad的对准精度,很快得到了广泛的关注。利用四元数这一有力的数学工具,从惯性导航系统工作原理出发,重新诠释证明了该先进的快速传递对准误差模型,最后通过仿真对该方法进行了分析,为该模型的深入理解和工程应用提供了有价值的理论参考。

传递对准中测量延迟的补偿方法

采用“速度+姿态”匹配方式,提出了一种解决传递对准中主惯导数据测量延迟现象的方法。该方法将主惯导数据测量延迟时间扩展为卡尔曼滤波器的一个状态变量,并同时考虑了测量延迟时间对速度和姿态测量量的影响。在主惯导数据存在测量延迟的情况下,推导了速度、姿态测量方程,最后对提出的方法进行了仿真。仿真结果表明,该方法可以加快滤波器的收敛速度,提高传递对准的对准精度。

一种有效的空—空导弹捷联惯导系统快速精确传递对准方法

针对空—空导弹对于对准精度与速度的特殊要求 ,建立了动基座姿态角传递对准的卡尔曼滤波模型 ,详细及准确地推导了姿态角匹配方案中卡尔曼滤波器的量测方程 ,提出了一种有效的空空导弹捷联惯导系统快速精确传递对准方法。通过计算机仿真 ,验证了该方法的快速性和有效性。最后 ,采用分级标定的思路 ,实现了在飞机摇摆机翼情况下 ,对惯性器件误差的准确标定。

大陀螺零偏条件下的快速传递对准算法

针对某些某些微机械陀螺零偏重复性差的特点,提出了滤波反馈修正和陀螺零偏粗对准预处理两种方法,使"速度+姿态"快速传递对准算法在大陀螺零偏条件下能够不损失估计精度。在简要介绍"速度+姿态"快速传递对准算法数学模型的基础上,探讨了大陀螺零偏导致的惯导系统非线性误差。为减小上述非线性误差的影响,提出用每一步滤波估计值修正子惯导状态的反馈修正方法,和在进行卡尔曼滤波前直接测量比较主、子惯导陀螺输出的陀螺零偏粗对准预处理方法。仿真结果表明,采用上述两种方法,快速传递对准算法可在陀螺零偏过大的情况下保持算法的有效性和估计精度。

舰载平台式惯导系统的传递对准

舰载子惯导系统在海上应急启动时需要利用主惯导的信息进行传递对准,以达到快速、高精度启动的目的。同时必须对惯性器件的某些误差进行标定和补偿,以满足舰载惯导系统需要长时间高精度导航的要求。文中对平台式惯导系统采用速度加姿态匹配传递对准方法进行了研究,建立了基于Kalman滤波器的传递对准滤波方程,并在实际系统中对所设计的方案进行了静态和跑车试验,验证了方案的正确性和工程应用的可行性。

传递对准姿态匹配算法的统一性

推导了传递对准中使用的传统姿态匹配算法和现代姿态匹配算法,证明了这两类姿态匹配算法是统一的。首先介绍了传统姿态匹配算法,包括"姿态角匹配法"和"姿态矩阵匹配法"。然后论述了现代姿态匹配算法,包括"量测失准角匹配法"和"最优姿态匹配法"。"量测失准角匹配法"是一种通过引入量测失准角进行传递对准姿态匹配的算法;"最优姿态匹配法"是对"量测失准角匹配法"的改进和完善。最后,从理论上证明了"姿态角匹配法"和"量测失准角匹配法"是等价的,进而,说明了传统姿态匹配算法和现代姿态匹配算法的统一性。

传递对准在制导型多管火箭中的应用

以无控多管火箭制导化改造过程中弹载子惯导初始对准问题为背景,研究了利用火箭发射车高精度惯性导航系统作为主惯导,对多管火箭弹载子惯导同时进行传递对准的方案。详细推导了利用主、子惯导输出的姿态信息构造传递对准Kalman滤波量测方程。数学仿真结果表明,采用姿态匹配传递对准方案,仅利用多管火箭发射过程正常的俯仰、回转机动,在20 s内就能实现对弹载子惯导的初始对准和射前标定,对准精度达角分级,为提高制导型多管火箭发射精度提供了一种可行的思路。

考虑载体弹性变形的两种传递对准方法的对比研究

传递对准时,载体的弹性变形会对装在载体上的子惯导系统的对准精度产生影响,因此需要对弹性变形进行建模,估计出弹性变形角并加以补偿来提高对准精度。文中分别采用“速度+角速率”匹配的对准方法和“速度+姿态角”匹配的对准方法进行卡尔曼滤波仿真,对安装误差角和弹性变形角进行了估计,并对估计结果进行了比较,分析了它们的对准精度和适用性。

传递对准中一种新的姿态匹配算法

根据Kain J E和Cloutier J R定义的量测失准角,设计了一种新的姿态匹配量测方程。通过与传统传递对准方程比较,推导出了这种姿态匹配量测方程。由推导出的量测方程,指出平台失准角、量测失准角和实际失准角三者之间的关系。该量测方程使传递对准姿态量测方程形式简单,计算量减少。最后,采用"速度+姿态"匹配方法进行仿真,仿真结果表明:该方法与其它姿态角量测方法比较,在降低计算量的同时,仍然具有相同的估计精度。

一种新的快速传递对准方法及其可观测度分析

传递对准能够充分的利用主惯导(MINS)的高精度导航信息,使子惯导(SINS)获得较高的对准精度和较快的对准速度,成为机载、舰载武器惯导系统初始对准的首选方案。为了实现快速传递对准,美国学者Kain放弃了在导航坐标系内定义姿态误差进而建立误差模型的传统方案,在载体坐标系内分别定义了真实姿态误差和计算姿态误差,并分别建立了误差模型,并在该模型的基础上提出了具有较快对准速度和较高对准精度的"速度+姿态"匹配快速传递对准方法。提出了基于该误差模型的"速度+角速度"匹配快速传递对准方法,并对基于奇异值分解的可观测度分析方法进行了改进,通过可观测度的分析表明本文所提方法使得真实姿态误差的可观测度有较大的提高,仿真结果验证了理论分析的结论,各个坐标轴上姿态误差角的估计精度都有不同程度的提高,特别是方位误差角的估计误差减小为不到原来的1/3。

双主惯导对子惯导的高精度传递对准方法

激光陀螺惯性导航系统在旋转调制过程中会产生锯齿形速度误差,影响舰载武器系统子惯导传递对准精度。通过分析锯齿形误差产生的机理,提出了一种基于不同旋转控制策略的双惯导数据融合方法,估计并补偿主惯导惯性元件误差,从而减小主惯导锯齿形速度误差波动幅度。仿真结果表明,补偿后主惯导速度锯齿形速度误差峰峰值减小了一个数量级,子惯导传递对准后的水平角精度提高了1.5″,方位角精度提高了3′。

传递对准姿态匹配的优化算法

推导了4种传递对准姿态匹配算法,分析了这4种姿态匹配算法的优缺点,证明并验证了其中的"最优姿态匹配法"在姿态匹配算法中的最优性。首先介绍了传统的"姿态角匹配法"及其改进算法,即"姿态矩阵匹配法",接着引入了量测失准角的概念,经过理论推导,提出了利用量测失准角进行传递对准姿态匹配的"量测失准角匹配法"。上述3种姿态匹配算法都是在子惯导安装角是小量的条件下推导而获得的,只能适用于安装角是小量的条件,具有一定的局限性。基于此,对"量测失准角匹配法"进行了完善,推导出了一种可在多挂点下使用的现代姿态匹配算法——最优姿态匹配法。从理论上证明了4种姿态匹配算法的相互关系。最后,采用"速度+姿态"匹配方案进行的传递对准仿真结果表明:4种姿态匹配算法具有相同的估计精度;推导的"最优姿态匹配法"在保证精度的同时,可应用于子惯导安装角是任意角度的情况,具有更广的应用范围。

一种稳健的自适应传递对准算法

传递对准算法的性能受量测噪声影响较大但其统计特性通常难以精确给定。为实现对传递对准中量测噪声的稳健自适应调整,提出了一种改进的自适应传递对准算法。在传统的Sage-Husa自适应卡尔曼滤波算法基础上,通过减少自适应调整的参数个数、采用渐进无偏估计代替无偏估计、分段调整加权系数三重处理,有效地提高了算法的稳健性,同时算法的计算量也有所降低。结合一种经典的速度加姿态匹配传递对准模型,对改进的自适应算法进行了仿真测试。仿真结果表明,当量测噪声协方差阵取值与真实噪声水平偏离时,该改进算法能够对量测噪声的统计特性进行有效的自适应调整,从而使传递对准在精度和稳健性两个方面的综合性能得以改善。

基于“姿态矩阵”量测的机载导弹传递对准技术

“速度+姿态”量测匹配方案是目前比较理想的机载导弹传递对准技术。采用“姿态”量测时存在矩阵计算量大等缺点,在具体工程应用时更会受到计算机速度的限制,尤其是需要快速进行卡尔曼滤波计算时。引入了一种与“姿态”量测具有相同特点的“姿态矩阵”量测方案,设计了快速对准卡尔曼滤波器,并进行了仿真分析。结果表明是一种具有工程意义的实用快速传递对准技术。

H_∞次优滤波在速度姿态匹配传递对准中的应用

针对速度+姿态匹配传递对准中量测中的不确定性干扰,采用H∞滤波方法进行速度+姿态匹配传递对准。并与卡尔曼滤波进行了比较,仿真结果表明,当系统噪声和量测噪声为白噪声时,卡尔曼滤波器和H∞滤波器均有效,而且卡尔曼滤波器优于H∞滤波器。但是,当系统噪声与量测噪声为有色噪声并且存在建模误差时,卡尔曼滤波收敛速度明显低于H∞滤波的收敛速度。H∞滤波更符合工程应用的实际情况,因而H∞滤波是一种非常有效的估计方法。

大方位失准角下舰载机快速传递对准技术

为解决舰载主惯导与机载子惯导之间大失准角问题,同时满足对准快速性的需求,提出了从舰载机进入弹射位置开始,到舰载机飞离甲板时间内,基于虚拟惯导(VINS),综合利用舰载主惯导信息、跑道航向信息以及激光多普勒测速仪(LDV)信息,利用速度匹配方法实现舰/机惯导传递对准的方法,并建立了传递对准误差模型。该模型利用舰艇坐标系与跑道坐标系之间的方向余弦矩阵,将舰载坐标系与机载坐标系之间的大失准角问题,转化为机载坐标系与跑道坐标系之间的小方位失准角问题。考虑弹射过程舰艇及舰载机的运动模型,利用数学仿真对传递对准误差模型进行了验证,并与UKF滤波方法进行了对比。仿真结果表明,该方法可以在8 s内实现舰/机惯导的传递对准,对准性能与UKF滤波方法相当,且对准过程不需要舰艇进行任何机动运动。

三种传递对准方法的对比研究

传递对准是动基座对准的一种方法,其有多种匹配方案。文章对比了＂速度＂匹配和＂姿态＂匹配、＂速度＋姿态角＂匹配3种传递对准方案。运用卡尔曼滤波算法,对失准角进行估计,并对估计结果进行比较,分析了3种匹配方案的对准精度及适用性。