基于红外光轴信息的旋转弹位置姿态解算研究

基于旋转导弹的原设计,在旋转弹消旋平台上安装两轴框架,将红外探测光轴固定于框架上,采用微型惯组固连于红外探测光轴的底端以简化旋转弹导引头结构与多模复合设计,对基于红外光轴信息的旋转弹位置姿态解算方法进行了研究,以实现导引头搜索至截获目标期间的姿态和位置的解算。给出了消旋平台和惯组的总体设计,采用引入框架码盘和消旋平台数据的方法,正确解算出此阶段导航信息,确保弹体的平稳准确飞行。建立了引入框架码盘误差后的位置姿态解算模型及流程。理论推导了框架转换定位与姿态及其相应误差。在两轴转台上用实物导引头验证了算法的正确性。对误差补偿设计和惯组精度需求进行了量化分析与验证。结果表明:陀螺漂移量控制在0.1(°)/s以内,初始姿态角误差控制在0.2°以内,探测器指向误差可达到半视场优于0.2°;加速度计误差控制在0.1m/s~2以内,码盘误差控制在0.04°以内,惯导定位误差在10s内可保证小于10m。该结论对此类旋转弹的后续发展有重要的参考意义。     

基于横滚隔离平台的旋转弹惯导系统实现方法研究

为实现反舰导弹的可靠拦截并满足导弹小型化及低成本,对一种基于横滚隔离平台的旋转弹惯导系统实现方法进行了研究。采用横滚隔离平台与成像系统消旋平台复用,建立消旋稳定控制系统的模型,经仿真验证了横滚隔离平台能保证惯导系统在较稳定的载体环境中工作。给出了捷联惯导的初始对准算法,选择捷联惯导自对准算法,经分析发现算法的估计与理论分析结果一致。设计捷联惯导解算算法,用单回路等效旋转矢量三子样算法更新姿态矩阵;在杆臂补偿的前提下用四阶龙格-库塔法更新弹体速度与位置,用数字仿真验证了设计的惯导算法能满足导航精度的要求。选取典型弹道进行评估,仿真结果表明,设计的算法精度基本满足工程实现要求,验证了方法的可行性。     

一种地理系下基于伪线性模型的捷联惯导算法

针对传统捷联惯导算法模型为非线性,需要对姿态、速度和位置分步运算,且高动态下算法精度较低的问题,提出一种地理系下基于伪线性模型的捷联惯导算法。利用伪线性模型及其分析方法,将传统的地理系下捷联惯导方程各部分转换成伪线性形式,定义导航向量并建立其系统模型;再利用高阶数值积分算法提升导航向量更新精度,得到地理系下基于伪线性模型的捷联惯导算法。最后,用仿真评估算法精度,与传统捷联惯导算法相比,大机动条件仿真中伪线性捷联惯导算法的精度提升了两个量级;旋转弹飞行仿真中导航误差不到传统算法的1/5。提出的伪线性捷联惯导算法结构简单,采用一个更新回路即可完成导航向量更新,且在高动态大机动条件下具有更高的算法精度,因此,对于捷联惯导算法研究与工程应用有一定的参考价值。     

捷联式惯性导航积分算法设计（连载）上篇：姿态计算

本论文分上下两篇，给用于现代捷联惯导系统的主要软件算法设计提供一个严密的综合方法：将角速率积分成姿态角，将加速度变换或积分成速度以及将速度积分成位置。该算法是用两速修正法构成的，而两速修正法是具有一定创新程度的新颖算法，是为姿态修正而开发出来的，在姿态修正中，以中速运用精密解析方程去正积分参数（姿态，速度或位置），其输入是由在参数修正（姿态锥化修正，速度遥橹修正以及高分辨率位置螺旋修正）时间间隔内计算运动角速度和加速度的高速算法提供的，该设计方法考虑了通过捷联系统惯性传感器对角速度或比力加速度所进行的测量以及用于姿态其准和矢量速度积分的导航系旋转问题。本论文上篇定义了捷联惯导积分函数的总体设计要求，并开发出了用于姿态修正算法的方向余弦法和四元数法，下篇着重讨论速度和位置积分算法的设计。尽管上下两篇讨论中常常涉及到基本的惯性导航概念。然而，本论文是为那些已对基础惯导概念很熟悉的实际工作者而写的。     

捷联惯导/星敏感器组合导航技术研究

针对在捷联惯导系统中陀螺的误差存在随着时间积累而逐渐增大的缺点,提出了捷联惯导系统+星敏感器的组合导航方案,并进行了仿真及结果分析。以Kalman滤波为基础,通过将捷联惯导系统和CCD光学传感器所测得的飞行器相关姿态信息进行数据融合,估计出组合导航系统的误差状态量,进而修正捷联惯导系统的位置、速度和姿态角。详细推导了捷联惯导+星敏感器组合导航的算法,并通过对仿真结果的分析证实了该方案的可行性和算法的有效性。     

捷联系统姿态算法比较及研究

对捷联惯导系统的几种姿态解算算法和所需计算时间作了比较，提出了一种可在弹上计算机上执行的具有快速实时和滤波功能的算法，并给出了以圆锥运动学全的仿真结果。     

捷联惯性导航系统姿态算法研究

用四元数和旋转矢量在捷联惯导系统中表示姿态矩阵,在圆锥运动的条件下,对旋转矢量算法进行了优化。对四元数、旋转矢量优化算法进行了仿真比较。仿真结果表明:等效旋转矢量算法明显优于四元数算法。     

捷联惯导与星跟踪器组合导航算法研究

捷联惯导与小视场星跟踪器构成惯性/天文组合导航系统,核心思想是利用星体跟踪器的高精度测角信息设计滤波修正算法对捷联惯导的导航姿态、方位和位置误差进行滤波估计并修正,以限制捷联惯导系统导航误差随时间的发散,最终提高系统长航时导航的导航精度。在分析小视场星体跟踪器量测量与SINS导航误差之间关系的基础上,设计了两种不同的组合导航算法：位置+方位修正算法和误差角组合导航修正算法。在此基础上对两种算法的导航精度进行了理论分析,并通过长航时仿真飞行数据进行了仿真验证。结果表明：位置+方位修正算法不受载体的位置误差的影响,更适用于星体跟踪器间断工作的情况;误差角组合算法不受载体姿态误差的影响,更适用于SINS初始位置误差得到有效修正的情况。     

空间平台下传递对准方案

提出了惯性坐标系下空间平台主惯导与有效载荷子惯导之间的传递对准方案。首先, 介绍了惯性坐标下捷联惯导系统算法及其流程图。然后,推导了惯性坐标系下的传递对准状 态方程,包括捷联惯导系统误差方程以及姿态失准角模型方程;推导了传递对准姿态匹配量 测方程。最后,给出了传递对准最优状态方程和降阶状态方程,并且讨论了仿真流程和仿真 环境;传递对准仿真结果表明在10s时间内,在给定的机条件下,子惯导与主惯导的失准角估计精度在1′以内。     

基于卡尔曼滤波的成像旋转弹跟踪系统设计

针对采用捷联稳定方案的旋转弹,为实现用数字计算方法提取比例导引所需的弹目惯性视线角速率信号,对一种基于卡尔曼滤波的成像旋转弹跟踪系统设计进行了研究。将目标的随机加速机动视作修正的瑞利-马尔科夫过程,与视线运动方程联立,建立了机动目标跟踪系统数学模型。由稳定平台的惯性测量元件实现对弹体姿态角的计算,另通过大视场捕获目标,获取目标相对光轴的误差角,综合两者可得目标相对惯性空间的视线角,对视线角进行数字微分获得视线角速度。其中,为避免放大测量噪声,采用自适应卡尔曼滤波法估计视线角速度。闭环仿真结果表明:与低通滤波算法相比,自适应卡尔曼滤波算法的精度高,对测量噪声抑制好,可获得比例导引所需的惯性视线角速率和跟踪角误差的滤波值,从而实现高精度控制。     

基于捷联惯导的船载新型阵列雷达阵面姿态测量系统设计

针对大型船载新型阵列雷达需重新考虑捷联惯导安装设计问题,简单介绍捷联惯导基本工作原理,设计单轴旋转机构激光陀螺捷联惯导新型阵列雷达阵面姿态测量系统,详细说明系统的组成结构,并通过仿真试验给出在组合导航模式下姿态测量结果,证明系统可满足船载新型阵列雷达阵面姿态的精确测量要求。     

临近空间飞行器两种捷联惯导算法的等价性

分析了临近空间高超声速飞行器的弹道特点,指出临近空间飞行器具有航天和航空的双重导航信息需求。介绍了发射惯性坐标系和当地水平坐标系下的捷联惯导算法,前者是航天体系下垂直发射飞行器典型导航算法,而后者是地球表面航空飞行器的典型导航算法。针对临近空间飞行高度,改进了航空体系捷联惯导算法中重力计算模型。从位置、速度和姿态3个角度,得到了2种导航体系下导航信息的转换关系,证明了2种导航体系下导航信息的等价性。     

捷联惯导/星敏感器组合系统的在轨自标定方法研究

研究了捷联惯导/星敏感器组合系统中对陀螺仪和星敏感器进行在轨自标定的方法。分析捷联惯导系统和星敏感器的误差源,对陀螺仪随机漂移和星敏感器安装误差进行建模并列入系统状态,建立系统状态方程;利用捷联惯导输出的载体位置、姿态与星敏感器输出的姿态矩阵来构造量测,建立量测方程。设计卡尔曼滤波算法,经过滤波计算获得陀螺仪随机常值漂移和星敏感器安装误差的估计值,从而实现组合系统的在轨自标定。仿真结果表明,基于卡尔曼滤波的在轨自标定方法能够标定出85%以上的陀螺仪随机常值漂移和95%以上的星敏感器安装误差。     

旋转平台惯导系统旋转效应误差高精度补偿算法

为提高HRG平台惯导系统的自主导航精度,利用旋转平均技术组建了旋转式HRG平台惯导系统。针对旋转效应误差对旋转平台惯导系统的导航解算精度影响较大的问题,提出了一种旋转效应误差的高精度速度补偿算法和位置补偿算法。通过分析旋转平台惯导系统的特殊性,提出将坐标变换矩阵完整的旋转矢量表达式代入速度和位置更新方程以得到完整的误差补偿表达式;为避免直接积分求解,采用余弦函数对载体加速度在台体坐标系上的分量进行拟合,从而实现了精确的补偿运算。仿真及试验结果表明,算法能更有效的补偿系统旋转效应误差,提高了旋转平台惯导系统的导航精度。     

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。     

ABC优化BP神经网络算法在组合导航中的应用研究

针对北斗/捷联惯导组合导航,提出一种基于人工蜂群ABC(Artificial Bee Colony)算法的反向传播BP(Back Propagation)神经网络算法。首先,在北斗卫星导航系统接收机正常接收信号时,将捷联惯性导航解算信息(速度、位置)作为网络输入,卡尔曼滤波输出信息(速度、位置校正量)作为网络输出,对ABCBP神经网络进行在线训练,建立ABCBP神经网络的映射数学模型。然后,在北斗卫星导航系统接收机信号失效情况下,将惯性导航解算信息作为网络输入,利用建立好的ABCBP神经网络预测输出校正量信息,以此来校正捷联惯导系统SINS(Strapdown Inertial Navigation System)。最后,通过飞机飞行半物理仿真实验验证该算法的性能。仿真结果表明,ABCBP神经网络算法在定位精度方面具有更加优越的性能。     

捷联惯导加速度计尺寸效应误差建模及其标定

高动态条件下,加速度计（简称加计）的尺寸效应将成为捷联惯导系统精确导航的重要误差源。这个误差源于加计组合中三个加计振动中心（有效的加速度测量点）的不重合。从几何角度对加计尺寸效应误差进行了建模。设计了三类基于精密三轴速率转台的加计尺寸标定方案,即匀角速度旋转、匀角加速度旋转和正弦角加速度旋转方案。以旋转过程中捷联惯导系统的速度输出作为量测,利用Kalman滤波器可以实现对加计尺寸系数的有效估计。利用分段定常系统可观性分析方法研究表明,三类旋转标定机动均能使系统状态完全可观测。仿真结果证明了三类标定方案的有效性,而以匀角速度旋转方案估计过程最平稳,以正弦角加速度旋转方案估计精度最高。     

长航时环境下高精度组合导航方法研究与仿真

研究了一种利用捷联惯导、星敏感器和北斗接收机进行长航时高精度组合导航的方法.对捷联惯导系统误差、星敏感器安装误差、北斗定位误差分别进行建模,将星敏感器输出的载体姿态角、北斗接收机输出的载体位置与捷联惯导输出的对应参数分别相减作为量测,推导获得组合导航量测方程.针对长航时环境下可能面临量测噪声统计特性的不确定问题,采用简化的Sage-Husa自适应滤波算法进行组合导航滤波设计.仿真结果表明,该组合导航方法的定位精度达到±11.86m,定姿精度达到±0.27′,并且对量测噪声统计特性的突变具有较强的鲁棒性.     

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0.1 7°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。
     

单通道旋转导弹惯导红外空中交班技术研究

对单通道旋转导弹惯导红外交班中的空中截获技术进行了研究。在固定视场角条件下,针对旋转导弹面对的典型目标,对空中红外截获过程中的精度链进行分配,获得惯性制导段的导航误差,并对导航误差进行分解,获得了满足红外导引头半视场角4°且落入概率84%时MEMS陀螺和加速度计的性能指标。选取相应的惯性器件,用误差分析方法获得了雷达测角误差和测距误差引起的截获误差,以及惯导在导航解算中产生的误差。对典型弹道空中截获落入概率进行了计算,结果验证了精度分配的正确性。研究为单通道旋转导弹惯导红外的空中截获技术的工程实现提供了理论依据。