基于对偶四元数的捷联惯导算法在发射点惯性系下的应用研究

针对导弹类载体在做复杂的高动态机动时,采用传统的捷联惯导算法容易产生圆锥误差与划船误差,从而导致解算精度降低的问题,在发射点惯性系下设计了基于对偶四元数的捷联惯导算法。在建立发射点惯性系下的捷联惯导解算模型的基础上,详细推导了基于对偶四元数的捷联惯导解算算法,通过对比分析其中的速度更新过程与传统算法的差异,说明该算法可以有效提高速度和位置解算精度。在设计的多条机动飞行轨迹下,以三子样更新为例,对对偶四元数算法和传统算法的性能进行了仿真对比分析。仿真结果表明,对偶四元数导航算法可以有效提高速度和位置解算精度,且姿态机动情况越复杂、持续时间越长,改善效果越显著。     

基于对偶四元数的INS/GPS组合导航算法研究

在基于对偶四元数的捷联惯导解算方法的基础上,推导了以惯性系作为导航系的惯导误差方程,在此基础上设计了卡尔曼滤波组合导航算法。通过激光惯导跑车采集数据,进行了仿真分析,试验结果表明,该组合导航算法能有效的消除惯导累积的速度误差和位置误差,相比于目前广泛应用的INS/GPS组合导航算法,本文描述了INS/GPS组合导航的另一种实现方式,获得了相当的精度,具有一定的工程应用价值。     

捷联惯性导航传统比力积分算法与对偶四元数算法的比较研究

捷联惯性导航速度更新算法中,将载体坐标系中的比力积分增量变换到导航参考坐标系中,载体姿态变化的影响通常采用一阶近似模型进行计算。本文分析了包括角振动和加速运动的动态运动下一阶近似模型的局限,在典型角振动及加速运动条件下对忽略姿态变化二阶项造成的速度更新误差进行了理论分析。通过比较,揭示了对偶四元数比力积分算法精度高于传统比力积分算法的原因,即和传统比力积分算法相比,对偶四元数比力积分算法等价于考虑了载体姿态变化影响的二阶项。通过典型角振动及加速运动条件下传统捷联惯性导航算法和对偶四元数导航算法的仿真比较,对理论分析结果进行了验证。     

SINS/GNSS组合导航测试系统用惯导模拟源技术研究

针对光纤陀螺SINS(捷联惯性导航系统)与GNSS(全球卫星导航系统)组合导航产品高动态性能测试难的问题,本文研究了一种组合导航测试系统,并对捷联惯导模拟源进行了重点研究.首先以捷联惯导解算算法为基础逆推出了捷联惯导模拟源算法,然后对捷联惯导模拟源进行了功能实现,可以与导航卫星信号模拟源同步向组合导航计算机发送数据用于组合导航解算.最后对捷联惯导模拟源的功能与性能进行了验证.结果表明,捷联惯导模拟源功能正常,模拟数据的精度达到设计要求.利用此惯导模拟源与导航卫星信号模拟源配套使用,将可满足后续SINS/GNSS组合导航系统的相关性能测试或验证要求.     

SINS在小型无人机测控方面的应用

为了满足小型无人机航姿系统设计需要,本文对捷联式惯导系统特点及其在小型无人机导航制导领域的应用进行了讨论,特别是对捷联惯导系统通过优化算法及由全球定位系统和捷联惯导系统组建的组合式导航系统进行了分析.讨论结果表明,捷联式惯导系统(包括以捷联式惯导系统为基础组建的组合式导航系统)能够满足无人机导航要求,在小型无人机领域具有很好的应用前景.     

捷联惯性制导系统的圆锥误差及其补偿

圆锥误差是捷联惯导系统,特别是激光陀螺捷联惯导系统重要的误差源,为提高激光捷联惯性系统的导航精度,防止姿态误差的积累,本文研究了圆锥补偿算法和圆锥补偿误差特性,给出了常用的8种圆锥补偿算法,针对激光陀螺惯组的实际应用背景,开展了弹道仿真研究,给出了圆锥误差对激光陀螺捷联惯导系统导航精度的影响和补偿修正的效果。     

捷联惯导系统中初始四元数计算

捷联惯导系统的姿态矩阵主要采用四元数法来求解，捷联惯导系统初始四元数正确与否决定了初始姿态精度。初始四元数计算是基于方向余弦矩阵和四元数的代数关系和转动的几何特点。本文列出几种初始四元数的计算方法，并作简单的比较分析。     

空空导弹SINS飞行中对准技术

针对空空导弹捷联惯导系统传递对准的精度和快速性之间的矛盾,设计一种利用弹载北斗卫星导航信息的捷联惯导系统飞行中对准算法,详细推导了惯性系下基于北斗卫星伪距/伪距率的飞行中对准模型,优化了飞行中对准的量测方程,对北斗卫星接收机的钟差和钟漂进行了降维处理.相应的数学仿真试验结果表明,所提算法能够在飞行过程中实现捷联惯导系统的初始对准,在10s内对准精度优于6',同时该算法通过在线标定惯性传感器随机启动误差,能够提高捷联惯导系统导航精度和导弹系统抗干扰能力.     

捷联惯导系统初始四元数提取的新算法

给出了捷联惯导系统初始四元数提取的两种新算法。其中算法1的推导是基于方向余弦矩阵和四元数的代数关系式，而算法2则利用了姿态转动的几何特点。与经典的四元数提取算法相比，所给出的算法具有简单、可靠、无奇异的特点，而且所得四元数的归一化程度也优于传统方法。利用数值仿真对所提算法的优越性进行了验证，结果表明，方法是合理的、可行的。     

动态传递对准与导航一体化半物理仿真研究

在机载设备惯导系统的工程实现过程中,研制半物理仿真系统具有重要的意义和实际应用价值。文章从机载设备惯导系统实际工程应用出发,研究了动基座下快速传递对准和高精度捷联姿态解算的实现方法,基于＂比力差积分＂匹配传递对准算法,及一种改进的四阶龙格库塔捷联姿态算法,设计并实现了基于DSP微型导航计算机的动态传递对准与导航一体化半物理仿真系统。半物理仿真结果表明：系统工作稳定可靠,传递对准和捷联解算精度能够满足低动态下机载设备惯导系统的性能指标。     

高超声速飞行器组合导航算法

以高超声速飞行器为对象,建立了卫星/惯性组合导航模型。选择组合系统的状态量并建立状态方程,推导位置观测方程和速度观测方程,通过位置、速度交替组合实现卫星/惯性系统的组合。通过仿真验证算法的有效性,仿真结果表明卫星/惯性组合导航可以得到较好的位置和速度信息,适中的姿态精度信息。     

一种基于无线信号辅助的室内无死角定位算法

针对传统惯性导航系统定位误差随时间积累的问题,提出了一种基于无线信号辅助定位的室内无死角定位算法。该算法首先利用加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计等传感器数据实现三维定位,然后利用无线信号对惯导定位中的位置偏差进行实时校正,再通过航向最优估计算法对航向误差进行修正,在位置和航向上增强惯导系统的实用性。利用实验室自主研发的微惯性测量单元固定在腰部脊椎位置进行实验验证,结果显示基于无线信号辅助的室内无死角定位算法精度达到1%以内,与纯惯导技术相比,能够提供更持久和准确的三维位置信息。     

惯性组合导航系统的实时多级景象匹配算法

 针对景象匹配辅助惯性组合导航系统需要快速准确获取飞行器位置、航向偏差的要求，提出一种实时多级景象匹配算法。算法分为两级，第一级粗匹配中提出了中心点4邻域的抗变形算法，能抗旋转和小尺度变化的影响，使定位精度达到像素级；第二级精匹配中提出了基于分支特征点，应用最小二乘法原理精确匹配定位出两幅图像间的最优相似变换参数，即飞行器的精确位置和航向偏差的算法。仿真分析表明，提出的实时多级算法能满足景象匹配辅助惯性组合导航系统实时性、精确性和鲁棒性的要求。     

用于定位导航授时微终端的SoC系统设计

为了解决遮挡情况下的实时定位问题，美国提出了Micro-PNT方案，我国也提出了定位导航授时微终端(Micro Positioning Navigation and Timing Terminal，MPNTT)方案。定位导航授时微终端集成了卫星导航系统、微惯性测量单元、微型原子钟及处理器系统，可为终端用户提供精确可用、完好及时、连续安全的定位导航服务。介绍了一种用于定位导航授时微终端的SoC系统设计，其包括了基于SoC FPGA的硬件设计和基于GNSS/MIMU的组合导航滤波算法。SoC系统集成了FLASH、SSRAM等存储芯片，通过RS422、RS232、CAN等通信接口接收GNSS、MIMU及外源传感器信息，并在ARM核中完成组合导航算法，以得到导航结果。SoC芯片单片实现了ARM与FPGA的功能，系统集成面积满足小型化需求，为后续移植为ASIC芯片提供了基础。对组合导航滤波算法进行嵌入式软件移植并测试，结果表明：SoC系统单次惯导解算时间为7ms，实测与仿真输出的导航位置差距在0.05m以内，俯仰角差和横滚角差在0.005°以内，航向角差在0.05°以内。本文设计的SoC系统高精度、集成化、可扩展，满足了微终端的要求。     

基于INS/GNSS紧耦合组合的逐步诱导式欺骗检测算法研究

传统惯性辅助GNSS欺骗信号检测方法对小于纯惯导误差漂移的逐步拉偏不敏感。针对这一问题,提出了一种基于INS/GNSS紧耦合组合的逐步诱导式欺骗信号检测方法。基于短时间内纯惯性导航结果和短时间惯导系统位置误差传播模型,利用惯导提供的位置和速度对伪距和伪距率时间序列进行预测估算,并结合伪距、伪距率实际测量结果,分别构造位置/伪距和速度/伪距率时间序列模型做参数拟合。基于真实信号得到的模型参数都是由惯导系统误差造成的,具有一致性;而基于逐步诱导式欺骗信号得到的模型参数还与欺骗策略的设定、载体飞行轨迹的观测以及干扰源的位置有关,具有不一致性。通过对比模型参数可判别欺骗信号的存在,对于真实信号,采用紧耦合组合导航修正INS输出;对于欺骗信号,继续惯性导航并采取相应措施。最后,根据逐步诱导式欺骗原理进行实验仿真,验证了算法的可行性和有效性。     

Wavelet de-noising for IMU alignment

Inertial navigation system (INS) is presently used in several applications related to aerospace systems and land vehicle navigation. An INS determines the position, velocity, and attitude of a moving platform by processing the accelerations and angular velocity measurements of an inertial measurement unit (IMU). Accurate estimation of the initial attitude angles of an IMU is essential to ensure precise determination of the position and attitude of the moving platform. These initial attitude angles are usually estimated using alignment techniques. Due to the relatively low signal-to-noise ratio of the sensor measurement (especially for the gyroscopes), the initial attitude angles may not be computed accurately enough. In addition, the estimated initial attitude angles may have relatively large uncertainties that may affect the accuracy of other navigation parameters. This article suggests processing the gyro and accelerometer measurements with multiple levels of wavelet decomposition to remove the high frequency noise components. The proposed wavelet de-noising method was applied on a navigational grade inertial measurement unit (LTN90-100). The results showed that accurate alignment procedure and fast convergence of the estimation algorithm, in addition to reducing the estimation covariance of the three attitude angles, could be obtained.     

基于惯性导航/无线传感器网络组合的采煤机定位方法研究

采煤机是井下综采工作面的重要设备，采煤机精确定位技术是煤矿生产装备自动化的关键技术之一。为了实现高精度定位满足井下综采自动化作业需求，提出了基于惯性导航/无线传感器网络组合的采煤机定位方法。采用锚节点安置于液压支架上，移动节点与惯导固定安装于采煤机上的配置方案，利用位置已知的锚节点测距信息估计和修正惯导误差，同时实施对安置于推进过程中的液压支架上锚节点（未知节点）位置信息的实时校准，从而达到采煤机高精度定位、无线传感器网络节点动态自动调节的目的。通过试验对所提方法的有效性进行了验证，结果表明，所釆用方法对釆煤机轨迹具有良好跟踪性能，水平定位误差不超过1.57 cm/h。     

平流层飞艇升降阶段BPNN惯性导航算法

软式平流层飞艇艇体在上升和下降时经常呈堆叠状态，GPS信号会被艇体间歇性遮挡，因而只能采用惯性导航。为保证在飞艇上升和下降过程中，INS/GPS组合导航系统在被艇体遮挡GPS时仍能够提供满足精度要求的导航信息，设计了一种改进的反向传播神经网络(Back Propagation Neural Network, BPNN）惯性导航算法。采用神经网络，根据惯性导航系统在1s内的速度均值和姿态变化量，预估其在1s末的位置误差和速度误差，并对惯性导航结果进行修正。仿真实验和跑车试验结果表明，在GPS失效的30s内，新算法使得位置误差低于15m，速度误差低于0.7m/s，误差相比纯惯性导航降低了85%。     

基于PDR和磁场匹配的智能手机室内定位

目前，基于磁场的室内定位方法存在指纹采集无法快速建库的问题，导致匹配特征较少、无法快速进行匹配操作和航向角估计精度低。基于磁场梯度的快速近似，使用高斯牛顿迭代方法结合通过PDR测量的轨迹进行磁场轮廓匹配定位，提高了单点磁场指纹的可分辨性。基于步态模型的更新用作测量信息以改善C-INS的导航性能，提出了一种基于捷联惯性导航系统的行人航位推算算法。基于MFS参考位置，使用扩展Kalman滤波器控制PDR惯性导航的位置漂移误差，进一步提高了轨迹轮廓的精度。测试结果表明，该算法可以获得更好的位置估计和航向估计结果。