深空天文测角测速组合自主导航可观测性分析方法

导航系统的性能与其可观测性密切相关,而可观测矩阵是分析导航系统可观测性能的重要依据。本文基于分段线性定常系统(PWCS)方法给出导航系统的可观测矩阵,进而针对测角测速组合导航系统开展可观测性分析。通过分析测角测速组合导航系统可观测矩阵的秩和条件数,得到导航系统的可观测性和整体可观测度,并研究导航系统的可观测阶数对导航系统的影响;同时基于奇异值分解(SVD)方法给出测角测速组合导航系统各个状态分量的可观测性分析方法。最后,以小行星探测工程任务巡航段为背景,系统地给出了不同量测模型的导航系统可观测性结果,分析了不同可观测性分析方法对导航系统可观测性刻画的适用性。本文所提出的可观测性分析方法,对导航系统可观测性分析具有很好的参考性,可为组合导航系统量测模型的优选提供参考,具有良好的理论和应用价值。     

SINS/CNS组合导航系统的降阶模型研究

在利用卡尔曼滤波器对数据进行处理时,其计算时间是由模型的状态矢量维数n决定的,每一步迭代的计算量与n3成正比。状态维数的减少会使计算时间大大缩短。本文首先介绍了SINS/CNS组合导航系统的动态模型,研究了基于奇异值分解的状态可观测度分析方法并提出一种改进的方法,在求状态变量的可观测度时,抛开了观测量,只利用可观测矩阵进行分析,然后应用该理论对SINS/CNS组合导航系统进行状态可观测度的分析,略去不可观测的状态分量,提出一种降阶的系统模型。仿真结果证明,降阶模型可以提供满意的导航精度。     

车辆行进中的SINS动态对准技术

研究了车载捷联惯性导航系统（SINS）行进中的动态对准技术。以磁力计和全球定位系统（GPS）为外部传感器,分析了SINS/GPS/磁力计组合导航原理,建立了车载SINS行进中的动态对准模型。基于该模型,讨论了动态对准技术研究及系统可观测性,用自适应扩展卡尔曼滤波（AEKF）方法进行状态的最优估计。仿真结果表明：当只有GPS提供外部参考信息时,系统不是完全可观测,而加入磁力计的信息后,系统变为无条件可观,保证了滤波的收敛性能和精度;改变车辆运行轨迹也能改善系统的可观测性,在特定的运行轨迹下系统为完全可观。     

INS／GPS／Odometer组合系统初始对准及自适应联合滤波

本文提出了INS／GPS／Odometer（测速仪）组合际航系统。基于信息融合理论，提出了基于子滤波器可观性矩阵条件数和误差协方差矩阵特征值分解的自适应联合滤波。然后利用该方法对INS／GPS／Odometer组合系统的初始对准问题进行了研究。仿真结果表明，自适应联合滤波能够改善系统初始对准的状态估计精度，信息分配因子的不同选择对状态估计有一定的影响。     

惯导系统可观测性及最佳可观测子空间的定量研究

应用结构分解理论及奇异值分解法对惯导系统（INS）误差模型的可观测性进行了全面分析。研究了一种基于可观测性定义及奇异值分解法结合的定量确定惯导系统可观测性及可观测度的方法，明确了惯导系统的三个最佳不可观测状态组合；应用线性控制系统的Kalman典范结构分解定理，确定了惯导系统的最佳观测子系统。此项研究成果，为进一步研究INS的快速精确对准及标定技术奠定了理论基础。     

GPS/速率陀螺组合Kalman滤波姿态确定算法研究

建立了GPS／速率陀螺组合姿态估计系统的模型，研究比较了三种典型的Kalman滤波姿态确定算法：状态扩充法、量测量求差法和时变噪声估计跟踪自适应滤波算法。给出了某航天器采用GPS／速率陀螺组合姿态确定的仿真计算结果，并对结果进行了分析。结果表明，与传统Kalman滤波算法比较，时变噪声跟踪自适应滤波算法和量测量求差滤波算法能较好地消除GPS测量中相关时变噪声的影响，提高姿态确定的精度；而且时变噪声跟踪自适应滤波算法能很好地消除由于噪声统计性能的不确定性对Kalman滤波的影响，提高姿态确定系统的性能。     

一种引入陀螺角速度信息的快速对准方法

基于捷联惯导系统（SINS）的误差模型,将静基座条件下速度误差和角速度误差这两种信息作为系统的观测量,提出了一种静基座条件下快速对准的新方法,详细推导了引入陀螺角速度误差作为观测量后的观测方程,并进行了可观测性的定性分析和可观测度的定量计算,与常规方法相比,该方法充分利用了外部可观测信息,提高了系统状态的可观测度,加快了初始对准的速度,使系统的快速反应能力和快速机动能力大幅度提高     

基于可观测性分析的深空自主导航方法研究

基于可观测性分析,研究了不同观测模型下的深空自主导航算法。从非线性系统的可观测性分析出发,利用微分几何理论求解出系统的可观测矩阵,并给出了系统的可观测度定义和状态变量的可观测度分析方法;将其应用于深空自主导航系统,分析了不同观测模型下导航系统以及轨道参数的可观测度,并将其作为观测模型的选取准则;根据可观测性分析结果,结合非线性扩展卡尔曼滤波,建立了不同观测模型对应的自主导航算法。最后,以深度撞击任务的实际飞行数据对文中的自主导航算法进行数值仿真,验证了导航系统可观测度与系统状态估计精度之间的关系,结果表明本文提出的可观测性分析方法是可行的。     

基于MEP-UKF的组合导航滤波算法

针对目前应用于SINS／GPS组合导航系统中的扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman
Filter, EKF)存在精度低、实时性差的缺点,提出一种基于模型误差预测(Model Error
Prediction, MEP)的Unscented 卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,
UKF)。MEP-UKF滤波算法将惯性器件测量误差作为模型误差使用MEP进行实时预测的同时,采 用UKF估计载体的姿态、速度及位置等误差信息,并反馈给SINS系统来校正导航参数。MEP-U KF不仅克服了UKF必须假设惯性器件误差为高斯白噪声的局限性,而且降低了SINS／GPS组合 导航系统状态变量的维数,大大缩短了导航解算的时间。仿真结果表明,MEP-UKF的收敛速 度和滤波精度均明显优于EKF,更好地满足了工程应用中对导航精度和实时性的要求。     

基于转动基座的SINS初始对准方法研究

提出了一种基于转动基座的快速估计平台失准角的初始对准方法,研究了扩展观测量的Kalman滤波算法,运用谱条件数方法分析了载体在转动基座方式下各状态量的可观测度,指出转动基座初始对准的可观测度优于传统最优二位置对准。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精度,可为进行SINS快速精确对准方法研究提供理论与工程应用参考。     

一种新的SINS动基座误差模型及其应用研究

研究了一种新的捷联惯导系统（SINS）动基座误差模型及载体动基座对准时的最优机动方式问题。提出利用李雅普诺夫变换建立了一种易于进行分析的SINS动基座误差模型，同时论证了SINS与平台式惯导系统（GINS）模型的等价关系。应用分段定常系统可观测性分析理论和奇异值分析法，深入研究和详细分析了载体的不同机动方式对SINS可观测性的影响，定量地得到了各种机动方式下系统状态的可观测度。研究结果表明，在SINS动基座对准过程中，同时改变俯仰角、横滚角和航向角的俯冲转弯横滚角变化是一种最佳的机动方式，计算机仿真结果验证了该机动方式的有效性。这为进行SINS动基座快速精确对准方法研究提供了理论参考。     

偏振光/地磁/GPS/SINS组合导航方法

为了提高微小型飞行器导航系统姿态测量性能，提出偏振光／地磁／GPS，SINS组合导航方法。推导了三维空间中应用偏振光／地磁辅助测姿原理，并证明了系统具有完全能观性，指出了观测结构具有退化现象和退化条件。采用联邦卡尔曼滤波方法实现了组合导航算法，利用Madab仿真方式对单独使用偏振光和同时使用偏振光／地磁辅助的组合导航系统的测姿修正效果和能观度改善效果进行了检验和比较。结果表明偏振光／地磁／GPS／STNS组合对测姿的修正能力优于单独使用偏振光辅助的情况。由此可以得出该方法能够改善导航系统能观性和精度的结论。     

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。     

一种用于SINS行进间对准的模糊抗野值滤波算法

针对观测存在野值的非线性系统滤波问题，本文综合运用多高斯和近似算法(GSA)、贝叶斯公式、马尔科夫链蒙特卡洛算法(MCMC)以及集合卡尔曼滤波算法(EnKF)设计了一种能从状态后验分布中抽取粒子的改进粒子滤波算法，并根据模糊理论为此改进算法设计了模糊抗野值功能，从而提出了模糊抗野值集合粒子滤波算法，命名为REnPF。GPS辅助SINS行进间对准的仿真实验表明，REnPF能够很好地避免虚警、漏检问题，并能提供良好的滤波精度。     

星间相对测量自主导航的改进容积卡尔曼滤波

针对仅利用星间相对位置测量的双星自主导航系统，提出一种基于可观度的改进容积卡尔曼滤波算法。该算法从系统可观度的物理意义出发，通过对预测协方差阵进行在线调整改善标准容积卡尔曼滤波算法对系统可观度敏感和不满足滤波拟一致性等问题。对具体算例进行数值仿真，校验了该改进容积卡尔曼滤波算法在基于星间相对位置测量的双星自主导航系统中的有效性，与标准容积卡尔曼滤波相比趋稳更快，精度更高。     

GPS/INS组合系统空中对准方法研究

针对单天线的GPS与捷联惯性导航组合系统,提出了一种空中对准方案,不同于传统的传递对准方法,仅依靠GPS测量信息进行速度匹配,完成空中初始对准。该方案采用扩展卡尔曼滤波方法解决对准过程中的非线性问题。仿真结果表明该方案的对准精度(1σ)可以达到水平姿态误差0.07,°方位误差0.3°。     

SINS/DGPS/Magnetometer组合导航研究

本文针对SINS/DGPS/Magnetometer全组合系统进行了研究,建立了相应的误差模型和系统观测模型。应用扩展卡尔曼滤波算法将GPS测量方程和SINS动态线性化,进行SINS验前状态估计及其误差协方差时间更新。仿真结果表明:本文提出的组合导航系统能够给出载体的高精度姿态信息,位置误差和速度误差也较小。