非线性滤波在捷联惯导系统初始对准中的应用

惯性导航系统(INS)初始对准的误差方程在本质上是非线性的,估计惯性导航初始对准误差普遍采用的做法是把失准角假设为小角度,再将误差模型线性化.但当运载体遭遇恶劣环境姿态变化剧烈时,用于估计小失准角的误差模型将不再满足初始对准的要求.为满足大失准角下惯导系统的初始对准,在建立大失准角下的非线性误差模型基础上,分别应用2种...     

捷联惯导准静基座大失准角线性初始对准方法研究

研究了利用线性卡尔曼滤波实现准静基座捷联惯导大失准角初始对准的问题。根据李群理论，如果系统模型具有仿射性，则其对应的线性误差模型是独立于状态估计值的，同时可以从该线性模型精确反推出李群上的非线性状态误差。分析指出，准静基座条件下捷联惯导姿态微分方程满足仿射性条件，其对应的姿态误差方程是独立于姿态估计值的。但是，如果将速度考虑进状态，则整体的状态模型不再满足仿射条件，无论是基于SO(3)+R3还是SE(3)姿态描述，所对应的状态误差方程都不能做到独立于状态估计值。基于上述分析，直接对SO(3)+R3状态描述下的速度误差方程进行改造，用重力矢量直接替换比力项，从而构造出独立于状态估计值的状态转移矩阵。仿真实验结果表明，利用所构造的线性状态空间模型，即使在大失准角条件下也能快速收敛到极限对准精度；车载晃动实验结果表明，利用所构造的线性状态空间模型，在大失准角条件下同样能够快速地跟上小失准角条件下的线性卡尔曼滤波对准结果。     

四旋翼无人机建模及其四元数控制律设计

对四旋翼无人机进行建模与控制.在建模时采用了物理机理建模方法,尤其是对电机和螺旋桨进行了详细的建模,然后应用四元数对所建的模型进行了姿态角的控制.首先将欧拉角转换为四元数,然后求出误差四元数,接着由误差四元数推导出所要转动的角度和所要绕的轴.在此基础上,又对各个方向上的速度进行了控制,并与PID控制结果进行了对比.仿真结果表明,基于四元数的控制律更能有效地控制四旋翼速度较大的情况.     

舰载机惯导系统快速传递对准方法建模与仿真

为解决舰载机惯导系统在大方位失准角条件下的快速传递对准问题,提出了一种新的线性化方法.通过舰船坐标系与舰载机标称坐标系之间的方向余弦矩阵,将舰船坐标系与舰载机实际坐标系之间的大方位失准角问题,转化为舰载机标称坐标系与舰载机实际坐标系之间的小方位失准角问题,建立了舰载机传递对准的线性化数学模型,采用"速度+姿态"匹配法对传递对准滤波器进行仿真.结果表明在20 s时间以内曲线即收敛,使得水平失准角误差和方位失准角误差在1以内,满足了对准速度和精度的要求,克服了传统方法对准时间较长的缺点.     

基于星敏感器的平台失准角测量精度分析与提高

在平台惯性/天文组合导航系统中,星敏感器可由单星方案或双星方案测量平台失准角。本文推导了两种方案的算法,并进行了精度分析和仿真,提出了提高测量精度的途径。通过对影响星敏感器姿态测量精度的因素进行仿真,论文提出,采用大视场、测量噪声小的星敏感器克服单星方案中绕星敏感器光轴方向姿态误差太大的问题,从而满足平台惯性/天文组合导航系统对星敏感器测量平台失准角的精度要求。     

一种无人机罗差修正方法

栽体磁场的干扰是导致地磁导航精度较低的主要因素,在对无人机载体磁场干扰地磁场产生的地磁测量误差简要分析的基础上,将小姿态时地磁匹配导航采用的12系数误差补偿模型引入一种无人机地磁定向导航的罗差修正.在静态条件下,利用无磁转台分别获取无人机在±30°姿态角范围内有无干扰源的磁测数据.实验数据分析表明,通过补偿,栽体航向角在±5°范围内其误差均方差由2.174°下降到0.350°,其余角度下航向角误差均方差则由2.282°下降到0.732°,满足无人机在大角度姿态飞行时航向稳定度优于±3°的要求.     

捷联惯导系统大失准角下的初始对准研究

针对捷联惯导系统初始对准过程中的大失准角情况,建立了基于欧拉平台误差角概念的捷联惯导系统(SINS)非线性误差模型,对于具有加性噪声的动态方程,当状态方程为非线性而观测方程为线性时,将一种简化的UKF滤波方法运用到捷联惯导系统初始对准中,并在静基座下对捷联惯导系统大失准角初始对准进行了仿真。仿真结果表明,随着失准角的增大,简化的UKF比EKF估计精度更高,是一种在进行捷联惯导系统大失准角条件下的初始对准时实用方法。     

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。     

一种改进的类高斯和粒子滤波在大失准角传递对准中的应用

 在小失准角传递对准模型基础上提出了一种大失准角下的速度加姿态匹配的传递对准模型;针对模型中存在的非线性和非高斯性问题,根据二阶马尔可夫过程的时域特性,提出了一种改进的采用类高斯和重采样的粒子滤波算法。理论分析证明了大失准角下传递对准模型和小失准角下传递对准模型的统一性。小失准角下的仿真验证了大失准角传递对准模型的正确性;大失准角下的仿真结果表明在大失准角的非线性、非高斯状态下,相比传统粒子滤波算法只稍微增加了计算量,而传递对准的精度提高了大约40%。     

光纤陀螺SINS大失准角下快速初始对准技术

针对光纤陀螺(FOG)捷联惯导系统(SINS)初始对准过程中存在大姿态失准角的情况,本文建立了基于欧拉平台误差角的SINS非线性误差模型,给出了一种简化的UKF滤波方法并将其运用到光纤陀螺SINS初始对准中,在静基座大方位失准角条件下,分别采用传统闭环卡尔曼滤波和闭环UKF非线性滤波方法进行初始对准仿真研究,结果表明在对准精度要求相同时,后者在对准速度方面具有明显优势。     

Comparison of SDINS in-flight alignment using equivalent errormodels

The psi-angle model and the equivalent tilt (ET) model have been widely used for in-flight alignment (IFA) to align and to calibrate a strapdown inertial navigation system (SDINS) on a moving base. However, these models are not effective for a system with large attitude errors because the neglected error terms in the models degrade the performance of a designed filter. In this paper, with an odometer as an external aid, a velocity-aided SDINS is designed for IFA. Equivalent error models applicable to IFA with large attitude errors are derived in terms of rotation vector error and additive and multiplicative quaternion errors. It is found that error models in terms of additive quaternion error (AQE) become linear. Thus the proposed error models reduce unmodeled error terms for a linear filter. From a number of van tests, it is shown that the proposed error models effectively improve the performance of IFA     

晃动基座捷联惯导系统初始对准迭代方法

由于受风力或发动机启动等因素的影响,惯导系统载体(如导弹、飞机、舰船和车辆)经常遇到低频晃动的情况。晃动干扰使得陀螺测量到的地球自转角速度信噪比大幅下降,从而导致常用的对准方法无法满足高精度初始对准要求。针对这一问题,提出了一种基于晃动基座的捷联惯导系统迭代初始对准方法。本方法由惯性导航计算出水平速度误差,利用最小二乘法估算出水平角速度误差、姿态误差和航向误差,然后进行迭代计算,从而算出导航初始时刻的姿态和航向。车载(发动机启动)试验结果表明,该算法既提高了晃动基座条件下的初始对准精度,航向角误差的方差采用静态对准时为0.39244°,摇摆对准为0.03331°,本文采用的迭代对准为0.00883°,缩短了对准时间,迭代对准2min的航向角精度等效于静态对准和摇摆对准5min的精度。     

Strapdown INS error model for multiposition alignment

The relationship between quaternion errors and tilt angles from true navigation frame to analytic platform frame is newly derived for strapdown inertial navigation system (SDINS). Using the relationship it is shown that the quaternion error model for attitude and velocity is equivalent to the conventional perturbation error model. Based upon the equivalency, the quaternion errors during a multiposition alignment are determined and analyzed. Furthermore, it is shown that the heading rotation of 180 deg achieves the minimal quaternion error for 2-position ground alignment     

陆用惯性导航系统非线性对准方法

以某型自行火炮炮载惯性导航系统为研究对象。为解决大方位失准角造成的系统非线性问题,在对大失准角误差模型进行详细分析的基础上,提出了基于快速正交搜索（FOS）和卡尔曼滤波（KF）的非线性参数估计方法。利用事先训练好的非线性误差模型进行对准,既能消除线性姿态误差,又可以对非线性姿态误差起到良好的抑制作用。仿真结果表明,FOS/KF方法的对准精度和实时性远优于扩展卡尔曼滤波（EKF）。对比试验结果表明,单独使用EKF时的方位角误差最大达到14.99°,而FOS/KF可以使方位角误差保持在0.8°以内。FOS/KF方法的估计精度不随系统非线性程度的变化而变化,并且不需要进行粗对准,简化了对准过程,提高了载体机动性。     

纬度未知条件下捷联惯导系统晃动基座的初始对准

针对纬度未知条件下捷联惯导系统(SINS)晃动基座的初始对准问题,提出晃动基座下的纬度估计算法和初始对准方法。前者通过惯性坐标系下两个不同时刻的重力加速度向量的夹角来求取纬度;后者利用惯性坐标系下的姿态更新来实时地反映载体在晃动干扰下的姿态变化,结合初始姿态的最优估计实现初始对准。理论分析表明,本文提出的纬度估计算法的误差主要由加速度计误差决定,陀螺误差和晃动干扰对其影响很小。仿真结果表明,本文提出的纬度估计算法和初始对准方法适用于纬度未知条件下晃动基座的初始对准。     

双轴连续旋转调制捷联惯导系统大失准角初始对准技术

由于可以补偿惯性器件在三个轴向上的输出误差，双轴旋转调制技术被广泛应用于捷联惯导系统(SINS)。选择了一种合理且实用的十六次序双轴转位方案，并对其调制原理和误差进行了分析。初始对准技术是捷联惯导系统的一项重要技术，其对准精度直接决定了后续导航的精度。在粗对准完成后，当姿态误差角较大时，后续的精对准误差模型呈非线性特性，故选择了滤波精度高、稳定性强的平方根容积Kalman滤波算法(SCKF)来解决这一问题。考虑到在实际对准过程中，量测噪声的统计特性易发生变化，将SCKF算法与Sage-Husa算法相结合，在传统Sage-Husa SCKF算法的基础上提出了一种改进的自适应滤波算法(ASCKF)。该算法采用QR分解来完成对噪声协方差的平方根矩阵估计，从而避免了传统Sage-Husa SCKF算法中所估噪声协方差矩阵不正定的问题。最后，通过仿真证实了ASCKF算法可被很好地应用于量测噪声统计特性发生变化的初始对准中。     

快速定位定向系统设计及车载实验研究

定位定向系统是能为载体提供精确地理位置坐标、指北方向和姿态角的导航系统,通常用于舰船、飞机、车辆等功能平台,为平台上的设备提供准确的位置和姿态参考信息.本文针对车载平台机动性高的特点,设计能够实现运动中对准的快速定位定向系统,开展捷联惯导数字递推算法、航位推算、多源信息组合导航、动基座对准算法、系统免标定、误差补偿等算法和技术研究.最后,开展静态对准、静态导航和动态车载实验研究.实验结果表明,动态对准时间小于5min,对准姿态精度小于1mil,方位保持精度小于1mil/2h,横滚角、俯仰角保持精度小于0.5mil/2h,里程计/惯导组合水平定位精度小于0.15％D,卫星/惯导组合水平定位精度小于10m.     

多个MEMS惯性姿态模块同时标定方法研究

针对MEMS 惯性姿态模块的应用需求, 根据已有的MEMS 三轴加速度计和 三轴陀螺仪的零偏、标度因子和非正交等误差及其随温度的变化模型, 设计了多个 MEMS 惯性姿态模块误差同时标定的方法,该方法可实现多个模块传感器数据的同步采 集,在常温下可对多个MEMS 惯性姿态模块的非正交误差进行批量标定,在全温度范围 内同时标定多个模块的温度漂移误差。试验表明,该方法校正了MEMS 惯性传感器的非 正交误差和温度漂移误差,提高了MEMS 惯性传感器的精度,同时提高了标定的效率, 减少了标定成本,有利于工程实现。     

基于边缘采样的简化高阶CKF在非线性快速传递对准中的应用

针对舰载机惯导系统非线性传递对准问题中误差模型不完善的问题，同时考虑了挠曲运动和动态杆臂的影响，提出了一种新的适用于大方位失准角情形下的挠曲变形和杆臂效应加速度一体化误差模型。采用高阶容积卡尔曼滤波（HCKF）算法对状态进行滤波估计，考虑到HCKF具有较大的计算量，分析了传递对准模型的状态方程与量测方程结构，设计了一种基于边缘采样的简化高阶容积卡尔曼滤波（M-RHCKF）算法，其在时间更新中使用边缘采样算法，在量测更新过程中使用简化量测更新过程，并给出了该算法的证明过程。采用"速度+姿态"组合匹配方式，对提出的误差模型进行仿真实验。结果表明，该模型可以满足对准精度和对准时间的要求，相比于未考虑动态杆臂的传递对准模型具有更高的对准精度。     

一种非线性滤波器的误差分析及应用

针对一类具有未建模误差和扰动的非线性系统的状态估计问题,提出一种在线估计并补偿模型误差的非线性滤波算法,该算法利用非线性预测滤波(NPF)基于预测输出残差的方差最小的基本原则估计模型误差,冉利用扩展卡尔曼滤波(EKF)的思想对补偿后的模型进行状态估计;详细推导了状态估计误差及其方差阵的传播模型.以卫星姿态确定系统为例,...