高精度光纤陀螺捷联系统设计

以高精度光纤陀螺捷联系统为研究对象,提出了基于仿真的系统总体设计方法,分析了高精度光纤陀螺捷联系统设计中的关键技术,重点对轨迹发生器的设计、卡尔曼滤波器中状态变量的确定原则、滤波器中外部辅助信息的利用,以及卡尔曼滤波器在初始对准中的应用进行了研究,并选取不同状态变量、不同的组合导航工作时间、单位置和双位置对准等几种情况的仿真进行了对比分析,仿真结果表明:卡尔曼滤波器是系统总体设计的主题,它与载体的机动特性、组合导航工作模式、器件精度等是密不可分的.      

一种新的惯导系统静基座快速初始对准方法

惯导系统中的一个十分重要的问题是其初始对准问题,提高其初始对准的速度和精度无论对军用或民用领域都具有十分重要的意义.由于惯导系统静基座对准时的可观测性很差,将卡尔曼滤波器用于解决惯导系统的初始对准问题时,方位失准角收敛很慢.提出一种快速估计方位失准角的方法,直接利用两水平失准角快速收敛的估计结果估计方位失准角,从而大大提高了整个惯导系统静基座对准的速度,计算机仿真结果验证了该方法的快速性和有效性.      

基于MEMS器件的旋转调制式航姿参考系统设计

为实现中精度、低成本的航姿测量系统,提出了一种基于低精度MEMS(Mi-cro Electronic Mechanical System)陀螺旋转调制技术的解决方案.系统采用四元数及三子样法进行航姿解算,可选用全自主及快速两种对准模式.全自主对准采用基于速度观测的Kalman滤波方案,利用30(°)/h的MEMS陀螺可实现优于5°的航向对准精度;快速对准时航向角由磁场计提供,经磁罗差补偿后航向精度优于0.4°.静态及动态实验结果表明:旋转调制可将MEMS陀螺的精度提高30倍左右,系统在1 h内的航姿保持精度优于1°.     

系泊状态下舰载导弹自主式初始对准研究

风浪波动及人员走动等因素给系泊状态下舰载导弹的初始对准带来困难,同时惯性测量组件安装位置与船体摇摆中心不重合所引起的杆臂效应误差又严重影响对准精度.为了解决问题,采用参数辩识法来提取姿态角误差时间二次多项式中的诸系数,从而确定陀螺漂移及姿态角误差,并提出一种在摇摆基座上补偿捷联惯导杆臂效应误差的有效方案.理论分析和仿真计算结果表明:该捷联式自主初始对准方案能有效的解决系泊状态下舰载导弹的初始对准问题.     

基于GPS和里程计的快速行进间粗对准方法

针对车载捷联惯导系统(SINS),提出一种快速行进间粗对准方法。将捷联矩阵分解为3个矩阵相乘,利用GPS提供的载体在导航坐标系的速度和里程计提供的载体在载体坐标系的速度构建不共线向量,求解初始载体坐标系相对惯性坐标系的常值转换矩阵,进而求得初始姿态矩阵。该对准方法对载车的唯一要求是在对准过程中做一个转弯机动。与现有对准方法相比,该方法没有用到加速度计信息。仿真结果表明,该方法能在1 min之内完成粗对准,采用零偏为0.1(°)/h的低精度陀螺,对准误差小于0.3°。     

初始定位误差对SINS动基座对准的影响分析

初始定位误差对捷联式惯导系统水下初始对准有着重要影响。针对此问题,基于捷联式惯导系统非线性误差模型利用无迹卡尔曼滤波方法进行载体系测速辅助捷联式惯导系统精对准。首先在水下单应答器定位技术已有研究成果的基础上,对初始定位误差对捷联式惯导系统水下动基座初始对准结果的影响进行理论分析;而后基于船载实测数据对理论分析结果进行水下动基座对准半物理仿真试验验证。试验结果表明,当水下初始位置的定位误差在200m以内时,初始定位误差对捷联式惯导系统动基座精对准的姿态对准结果基本没有影响;会给精对准过程中的位置误差估计带来与初始定位误差相同大小的常值误差。     

捷联惯导系统最简多位置解析对准

传统的多位置解析对准方法一般要求将捷联惯导系统(SINS)安装在一个伺服平台上并绕天向轴旋转90°或180°,这对工程带来不便,且伺服平台的精度会影响多位置解析对准的精度.针对这一问题,提出最简多位置解析对准方法,指出任意两位置是实现SINS多位置解析对准所需的最小条件,即通常理论上任意两位置可解算出惯性测量单元(IMU)的常值偏置,给出了计算方法,并通过仿真实例加以说明和验证,可以作为一种简易初始对准或现场标定方法.另外通过解析方法指出在特殊姿态下,某单一轴向的加速度计常值偏置或陀螺常值漂移可以直接被较好地估计出来,结论可用于进一步改进多位置对准方法.      

基于多矢量定姿的动基座最优化对准算法

针对车载捷联惯导系统（Strapdown Inertial Navigation System, SINS）的传统动基座粗对准方法精度低且环境适应性差的问题,提出了一种基于多矢量定姿的动基座最优化粗对准算法。在传统的基于重力矢量的初始对准方法基础上,将姿态矩阵求解问题转化为Wahba问题,实现对多个时刻重力矢量信息的充分利用,并通过SVD算法实现对Wahba问题的求解,结合全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）输出信息和SINS输出信息,构建状态方程和量测方程,采用Sage-Husa自适应滤波算法以解决量测噪声不准确问题,不断修正载体系变换矩阵以获得更加精确的姿态转换矩阵。仿真和半物理实验表明,改进算法能够明显提高惯导系统在动基座下的姿态精度,转台实验对准方位误差小于0.05°。     

一种机载遥感成像用分布式POS传递对准方法

针对机载遥感成像用分布式位置姿态测量系统(POS,Position and Orientation System)精确初始对准的问题,结合遥感成像的实际作业情况,在分析影响传递对准精度和速度的误差源的基础上,提出一种利用载机爬升段进行分布式POS传递对准的方法,并与多种机动方式进行对比.半物理仿真结果表明:利用遥感载荷作业现有条件能够获得数学平台失准角和安装误差角的准确快速估计.研究结果可为机载分布式POS传递对准方案的选择和设计提供理论参考.     

一种高动态条件下惯性星光组合定姿方法

针对高动态条件下星图拖尾导致惯性星光组合定姿精度下降甚至无法定姿的问题,提出了一种基于乘性扩展卡尔曼滤波的惯性星光深度组合姿态确定方法.利用星敏感器观测信息修正姿态误差,补偿陀螺漂移,并建立了陀螺输出的角度变化量与星图像移的关系,利用陀螺输出信息估计星图拖尾的模糊参数,采用维纳滤波复原方法对产生拖尾的星图进行复原以提高星图信噪比和观测精度.仿真结果表明该方法可以有效提高星像质心提取精度和星图识别率,对初始姿态误差修正更快,且不存在星图误匹配的情况,保证了惯性星光组合定姿方法在高动态条件下仍能保持较高的精度.     

基于预测滤波的捷联惯导任意双位置对准方法

针对捷联惯性导航系统(SINS,Strapdown Inertial Navigation System)在大失准角情况下的初始对准问题,建立基于加性四元数误差模型的非线性滤波方程,并提出一种基于模型预测滤波(MPF, Model Predictive Filter)与扩展卡尔曼滤波(EKF, Extended Kalman Filter)相结合的地面任意双位置初始对准方法.该方法将部分惯性器件误差作为模型误差,在线实时估计并修正系统模型,提高了状态估计的精度,并克服了将模型误差假设为高斯白噪声的局限性.半物理仿真结果表明,该方法有效提高了SINS姿态误差角的估计精度,而且也降低了系统状态变量的维数,提高了对准解算的实时性.      

卫星推进及控制装置准直测量方法研究

在传统的卫星推进及控制装置准直测量方法的基础上,提出两种新的测量方法,即小角度准直测量法和三维坐标准直测量法,并给出了相应的数据处理方法。所提出的方法测量精度高、测量速度快,无需转台整平,也不必对转台上的定位销进行精确准直。     

捷联惯导系统动基座对准的可观测性分析

建立了SINS(捷联惯导系统)动基座对准的误差模型,首次应用PWCS(分段定常系统)可观测性分析理论对SINS动基座对准过程中的可观测性进行了全面研究.将载体的运动分解为平动和姿态变化两大类情形,深入研究和详细分析了载体的各种运动对系统可观测性的影响,指出在SINS动基座对准过程,无论载体的线运动还是角运动在一定条件下都能提高SINS的可观测性.定性地得出了不同运动对系统可观测性的影响结果,这为研究SINS的快速精确对准方法奠定了理论基础.      

火星探测器进入段预测校正制导方法

根据美国宇航局的计划,未来火星探测任务的要求是能确保在高精度和高海拔的火星表面着陆,而进入段所使用的制导方法是探测器能够精确着陆的关键。文章首先介绍了两种进入段制导算法——标称轨迹算法和预测校正算法,通过比较得出预测校正算法对于初始扰动的敏感性较低,但需要有较高的在线计算能力;其次,文章对于预测校正中的横向控制,纵向控制算法和航向调整算法进行了详细介绍,同时提出一种通过增加检测点的改进预测校正算法;最后对算法进行软件仿真,仿真结果表明:这种进入段预测校正制导算法在有很高不确定性的情况下仍然能体现出可靠性和鲁棒性。     

摇摆基座SINS快速精确传递对准方法

动基座对准时,系统模型的精确性及状态的可观测性和可观测度是决定动态系统卡尔曼滤波效果的重要因素.建立了考虑主-子惯导匹配信息时间延迟问题的摇摆基座捷联惯导系统SINS(Strapdown Inertial Naviagtion System)精确传递对准模型,将PWCS(Piece-Wise Constant System)可观测性与奇异值分解可观测度分析方法相结合,对基座在不同摇摆方式下舰载武器SINS状态的可观测度进行了定量分析,得到了基座在三轴摇摆运动时SINS的状态变量具有最佳的可估计性能,从而使SINS可获得最优的对准速度和精度.该方法为舰载武器初始对准时舰船最佳机动方案及传递对准匹配模式的选择提供了依据,仿真结果表明了该方法的正确性和有效性.     

基于脊线校准的指纹细节点匹配算法

对自动指纹识别系统(AFIS, Automated Fingerprint Identification Systems)中居于重要地位的细节点匹配算法进行研究,对基于校准的细节匹配算法进行了修正.在细节点相关脊线信息的提取阶段,提取分叉点相关脊线的拓扑信息,并将其引入后续的校准和匹配算法.采用一种半可变的限界盒以适应指纹图像的非线性形变.引入一个新的参考量计算并比较脊线相似度,以更低的计算代价解决匹配中参考细节点对的选择问题,加快匹配算法的收敛速度.将脊线校准和细节点匹配两个阶段结合起来,采用一种新的更简单有效的方法进行细节匹配.测试结果表明,改进的匹配算法能够在使用较少资源的前提下,提高指纹匹配速度,改善系统的匹配性能.      

基于T-H方程的多脉冲最优交会方法

针对椭圆参考轨道交会问题,采用T-H方程描述相对运动,提出了一种时间固定燃料最省的多脉冲最优交会方法,优化参数为交会脉冲及其施加时刻.当考虑到J2摄动或航天器初始相对距离较大时,用T-H方程进行状态预测其线性化误差一般不容忽略,而若用轨道积分预测则耗时较多,进而导致优化时间过长.针对此问题,提出一种采用前一优化脉冲节点的状态导出的轨道根数预测当前节点状态的预测方法.该方法简单实用,有效地加快了优化收敛速度.最后基于多脉冲优化解进行了数值轨道积分以验证交会精度.仿真结果表明,即使加上J2摄动,在初始相对距离为1 000 km时,该方法的终端位置精度仍能达到75 m.     

基于空中对准过程的在线标定及优化设计

光纤陀螺惯组输出误差影响武器系统导航精度,为了弥补地面标定的不足,利用机载制导武器发射前空中对准过程进行光纤捷联系统在线标定.介绍了光纤捷联系统空中对准/在线标定系统模型,基于此设计卡尔曼滤波器;针对某机载航空制导炸弹工作过程进行了对准过程中误差激发与对导航精度影响的仿真分析,并基于此进行了滤波器优化设计;最后进行了优化设计前后导航精度仿真比较,仿真结果显示:完成空中对准/在线标定优化设计后,光纤捷联系统纯惯性导航精度得到提高.      

控制滤波发散的新方法及其应用

通过大量的仿真，发现现行的滤波算法各有其利弊．在综合考虑和分析各种滤波方法之后，在理论推导的基础上，提出了一种新的控制滤波发散的方法，即通过判定发散的判据，求出噪声统计的估计值，然后再按得到的噪声统计的估计值计算新息序列的协方差阵．将该算法应用于惯导初始对准问题．通过仿真，可以验证该算法是十分有效的．     

大方位失准角MIMU空中对准建模及半物理仿真

由于快速性的要求,微小型无人机不经过地面精确初始对准就升空作业,因此MIMU(Micro Inertial Measurement Unit)空中对准在大失准角下进行. 为了提高微小型无人机空中的反应速度和作业精度,把非线性误差部分作为状态变量,建立MIMU在大方位失准角下无需小角度近似的空中对准的线性模型,同时为解决噪声不确定导致滤波器发散的问题,提出将AKF (Adaptive Kalman Filter)应用在GPS(Global Positioning System)辅助MIMU的空中对准中,半物理仿真结果证实其取得了比基于非线性误差模型的EKF(Extended Kalman Filter)精度高且速度快的结果,不仅使MIMU的方位失准角由60° 快速下降到2° 左右,且所需时间仅为EKF的67%.