适用于低精度惯导的非线性对准方法研究

给出了一种适用于低精度惯导的非线性对准模型。用乘性四元数形式定义捷联惯导的姿态误差,推导了捷联惯导的非线性速度误差方程和姿态误差方程。基于速度量测信息,给出了大失准角条件下的非线性对准模型,通过UKF算法估计失准角完成精对准。仿真结果表明,在陀螺精度为0.1°/h的情况下,在360 s对准时间内达到水平0.03°,方位1.5°的精度(1σ)。即使当方位误差达到90°,非线性模型仍能正常收敛。最后通过转台摇摆试验进一步验证了非线性模型的有效性。

摇摆状态下基于非线性误差模型的惯导对准研究

摇摆状态下无法使用传统解析方法完成粗对准。为避开摇摆基座的粗对准问题,提出了基于捷联惯导非线性误差模型的直接精对准算法。推导了捷联惯导的非线性速度误差方程和姿态误差方程,基于速度量测信息给出了非线性对准模型,通过UKF算法估计失准角完成摇摆状态下的精对准。算法可允许初始姿态误差达到40°。通过计算机仿真和摇摆台试验对算法进行了验证分析。在给定试验条件下,在600秒对准时间内达到水平0.02°,方位0.17°的精度。同时计算机仿真结果表明需对惯导速度进行反馈校正来保证模型的工作精度。

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。

带模型误差系统的自适应卡尔曼滤波在捷联惯导系统初始对准中的应用研究

对于有模型误差的惯导系统 ,采用常规卡尔曼滤波会导致较大的状态估计误差 ,甚至使滤波器发散。可采用自适应卡尔曼滤波算法 ,通过引入虚拟噪声 ,利用观测数据带来的信息 ,在线改进滤波器的设计 ,并将其运用到捷联惯导系统的初始对准中 ,由此得到的滤波估计比常规卡尔曼估计具有更高的精度和准确度。试验及计算机仿真结果验证了该方法的有效性。

基于UKF的旋转式SINS大方位失准角初始对准方法

旋转调制自补偿技术可以调制惯性元件的常值误差,从而提高惯性导航系统的导航精度。出于实际工程应用需求,研究了旋转式SINS大方位失准角初始对准方法。以单轴旋转式SINS为例,给出了单轴旋转式SINS大方位失准角非线性误差模型;根据系统误差模型的非线性特性,利用简化Unscented卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter UKF)算法,设计了系统的大方位失准角初始对准算法。数字仿真实验结果表明:在相同条件下,提出的UKF算法在收敛速度与对准精度方面均优于EKF算法;系统试验验证结果表明,采用本文提出的初始对准方法,系统的水平对准精度优于0.1′,方位对准精度优于1.5′,证明本文提出的初始对准方法在工程应用中是有效、可行的。

捷联惯导系统快速自对准误差模型的建立

通过对惯性制导系统两个基本方程的研究,求出了各状态矢量在各坐标系下的微分方程,然后以ψ角法所确立的平台为基准,分别推导得出惯性制导系统各主要状态的微分方程,从而建立了捷联惯性制导系统的误差模型。最后根据静基座捷联惯导系统初始对准的特点对其进行简化,得到了静基座捷联惯导系统快速自对准的误差模型。

传递对准非线性误差模型一致性研究

针对大失准角情况下的舰载机捷联惯导系统传递对准问题,建立了非线性的经典传递对准和快速传递对准误差模型。从二者对失准角的定义出发,通过理论推导,论证了非线性情况下两种误差模型的一致性关系。采用“速度+姿态”组合匹配算法,对大失准角情况下舰载机捷联惯导系统的传递对准进行了仿真实验。仿真实验中,经典传递对准方法对水平失准角的估计误差均在1′左右,对方位失准角的估计误差均在1′左右;快速传递对准方法对对水平失准角的估计误差均在1′左右,对方位失准角的估计误差均在2′左右。结果表明,两种方法均能对失准角进行有效估计且精度接近,两种误差模型在非线性情况下具有一致性。

四元数计算舍入误差的概率分析

对捷联式制导系统中四元数微分方程数值求解舍入误差进行概率分析。首先，对于定点计算机上四元数计算的舍入误差建立了概率模型，然后对舍入误差进行概率估计。

基于改进四元数阻尼误差模型的SINS初始对准算法

针对传统捷联惯导系统(strapdown inertial navigation system,SINS)四元数非线性误差模型存在坐标系不一致的问题,对姿态误差模型和速度误差模型进行改进,将误差矢量统一投影至计算导航坐标系下。此外,引入全球定位系统阻尼信息,在阻尼SINS解算基础上,结合四元数无迹估计器提出了一种改进四元数阻尼误差模型对准算法,可应用于系泊状态下的SINS初始对准。仿真和车载试验结果表明,在不同的大失准角下,该改进算法相比传统四元数阻尼误差模型对准算法和欧拉角阻尼误差模型对准算法,具有更好的对准精度、收敛速度以及稳定性。

卡尔曼滤波在惯导初始对准中的应用

针对捷联惯导系统中初始对准的问题,本文采用了设计卡尔曼滤波器的方法,通过建立惯导系统的误差模型,分析卡尔曼滤波的基本理论,以东向和北向速度误差进行分析。通过初始对准计算机仿真结果,进一步验证了该方法的快速性与准确性,所得结果可以为进行惯导系统快速精确对准方法研究提供理论与工程应用思考,这说明卡尔曼滤波在惯导系统中应用是有效的。

晃动基座下正向-正向回溯初始对准方法

针对传统方式需要对准时间长的问题,提出一种晃动基座下正向-正向回溯初始对准方法,实现了快速初始对准的目的。首先,给出了导航惯性系粗对准的基本原理,分析了导航惯性系粗对准在回溯过程中的作用。其次,对捷联惯导系统初始对准过程进行了深入的研究,利用导航惯性系建立精对准系统误差模型,将晃动基座时变姿态误差角估计问题转换为时不变姿态误差角估计问题,进而为正向-正向回溯对准奠定了理论基础。在此基础上,详细分析了正向-正向回溯对准的基本原理和设计方法。最后,通过设计仿真实验,验证了本文设计的对准方法可以在303 s内实现晃动基座上航向误差优于0. 1°的对准精度。试验结果表明,本文提出的方法具有计算效率高、对准时间短、对准精度高的优点。