动基座条件下舰载机快速传递对准方法研究

为了研究海况与航母机动方式对舰载机捷联惯导快速传递对准的影响,以姿态误差角为研究对象,建立了惯导系统的比力方程和姿态微分方程。从误差传播机理出发,详细推导了速度匹配和速度加姿态匹配的误差模型,然后用卡尔曼滤波算法进行仿真分析。仿真结果表明,航母有一定摇摆幅度更有利于舰载机进行速度匹配或速度加姿态匹配;典型海况条件下,航母的机动方式对速度匹配传递对准方式影响较为明显。     

混合式惯导系统姿态四元数连续自标定模型

混合式惯导系统作为一种新型惯导系统,具有三轴全姿态物理平台、捷联姿态算法和系统装机自标定等特点。针对以上特点,为提高其导航定位精度,在混合式惯导系统框架角约束方程的基础上,利用姿态四元数代替欧拉角描述混合式惯导系统中三轴物理平台的转动,建立了一种混合式惯导系统姿态四元数连续自标定模型对其进行误差系数标定。针对该模型的特点,对传统的无迹卡尔曼滤波（UKF）算法进行改进,提出了一种基于奇异值分解的四元数无迹卡尔曼滤波（SVD-QUKF）算法进行模型误差系数辨识。仿真和试验结果表明,基于SVD-QUKF算法,四元数连续自标定模型能够以低于1%的相对误差标定出混合式惯导系统所有的误差系数,在标定精度和计算速度上相比基于传统UKF算法的框架角自标定模型都具有一定优势。      

基于状态量扩维的旋转式捷联惯导系统精对准方法

初始对准是旋转式捷联惯导系统（SINS）的关键技术之一。传统旋转式捷联惯导精对准方法多采用10维模型,该模型的精对准精度不能满足导航精度要求。针对此问题,提出了一种基于状态量扩维的旋转式捷联惯导系统精对准方法。首先,将陀螺和加速度计标度因数误差、安装误差扩展为状态变量,建立了28维的精对准模型;然后,对旋转过程中各状态量的可观测度进行分析,根据分析结果将模型优化为13维;最后,采用卡尔曼滤波实现了旋转式捷联惯导系统的精对准。仿真结果表明,与传统初始对准方法相比,该方法能有效提高姿态对准精度,并估计出更多陀螺误差项。      

基于双轴旋转的惯导系统误差自补偿技术

针对陀螺漂移影响惯导系统长时间导航精度的问题,提出了一种基于双单元体结构的误差自补偿方案.通过单元体的连续正反旋转,可以实现对所有方向上陀螺常值漂移的调制,从而大幅提高惯导系统的精度.对常值漂移、刻度系数误差、安装误差和角度随机游走等主要误差源的误差特性进行了分析,同时讨论了旋转机构精度对系统调制性能的影响.利用自行研制的双轴旋转调制式激光捷联惯导系统进行了多次海上试验,试验结果表明该方案可行,在不改变惯性器件精度的前提下,可提高系统精度一个量级以上.     

旋转式光纤陀螺惯导系统随机误差抑制技术

采用旋转调制技术能够有效降低陀螺常值漂移和加速度计常值零偏对导航系统精度的影响,但其对陀螺随机漂移和噪声几乎没有抑制作用.惯导系统在随机干扰的作用下输出误差将发散,影响系统长时间的导航定位能力.通过对抑制随机干扰误差的阻尼技术进行研究,提出一种具有阻尼特性的旋转式光纤陀螺惯导系统,利用阻尼技术抑制随机干扰对导航系统精度的影响.从仿真结果可以看出,具有阻尼特性的单轴旋转光纤陀螺惯导系统精度提高1倍以上.当系统采用更高精度的惯性仪表时,随机误差的阻尼抑制效果将更明显.     

基于相互测距信息的机群组网协同定位技术

在网络中心战条件下,针对无GPS(Global Positioning System)时如何提高机群的导航定位精度问题,构建了以机载数据链和惯导系统为核心的协同定位系统,设计了协同定位系统的测距方案,分析了协同定位过程中的时间同步问题,提出了一种基于机间相互测距信息的机群组网协同定位方法.该方法利用几何图形平移旋转来估计机群各飞机的惯导系统定位误差.仿真表明:该方法可以用于长时间估计惯导位置误差,有效延缓惯导位置误差的发散速度,当5架飞机协同定位时,机群惯导位置精度将提高2倍左右.     

旋转激光陀螺惯导系统误差传播特性分析

设计旋转式惯导系统(INS, Inertial Navigation System)最重要的工作是理清旋转调制误差自动补偿机理、掌握补偿前后误差的传播特性,在此基础上设计合理的转位方案,并对其进行仿真和试验验证.结合单轴旋转式惯导系统工作原理和误差传播方程,解释了旋转调制误差自动补偿的机理,利用理论和仿真两种手段分析了单轴旋转惯导系统中惯性元件常值误差、随机误差、标度因数误差和安装误差的传播特性,得到了旋转调制对惯性器件误差的调制效果,验证了单轴正反转停方案的有效性和应用的合理性.研究结果为旋转式激光陀螺(LG, Laser Gyroscope)惯导系统的设计提供了理论参考和设计依据.     

适应于极区的惯导系统传递对准技术研究

针对飞机、舰艇全球航行的需求,以及由地球经线在极区收敛而导致的以真北向作为航向参考时的导航算法失效问题,在传统的“速度+姿态”匹配对准及修正算法的基础上,提出了格网导航系下的“速度+姿态”传递对准方法。基于格网导航系下惯性导航算法的编排,建立了格网坐标系的惯导误差模型,推导了格网导航系“速度+姿态”匹配的量测方程,利用卡尔曼滤波器对子惯导的速度、失准角、陀螺漂移、加速度计零偏、主子惯导间的安装误差角等进行了估计与修正。数学仿真及基于极区航行试验数据的半实物仿真结果表明,采用本文提出的格网导航系下的“速度+姿态”匹配传递对准算法,可实现中低精度惯导系统在高纬度地区时间为30s、水平对准精度优于1角分、方位对准精度优于6角分的快速、高精度对准。     

新型快速传递对准方法

针对惯性导航系统的动基座传递对准问题,提出了速度加姿态加角速率组合匹配法.用来自主、子惯导的3组参数信息作观测量,通过卡尔曼滤波法迅速准确地估计出失准角及安装误差角等状态量,以便精确地对子惯导系统进行初始化.根据传递对准的基本原理,设计了载体结构挠曲运动统计模型,建立了状态方程及量测方程.同条件仿真结果表明:这种方法与速度加姿态匹配和速度加角速率匹配的对准精度相当,但估计速度约为这两种方法的2倍.可用于机载或舰载战术导弹武器系统,有效减小导航误差和制导误差.     

捷联惯导与星敏感器组合导航算法研究

以Kalman滤波为基础,通过将捷联惯导系统和星敏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与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。     

高动态环境下SINS姿态更新的改进等效旋转矢量算法

高动态环境下捷联惯导系统的姿态算法是提高系统精度的关键技术. 通过研究SINS高动态姿态更新方法, 分析姿态矩阵解算的四元数及等效旋转矢量算法, 使等效旋转矢量算法在高动态环境下的应用问题得以完善. 为改善等效旋转矢量算法对于高动态飞行环境的适应性, 以圆锥运动作为环境条件, 对等效旋转矢量算法进行改进, 推导改进算法的误差. 通过与单子样和三子样等效旋转矢量算法进行仿真对比, 验证了改进算法的有效性.      

空间稳定型捷联惯导系统静态误差分析

定量分析空间稳定型捷联惯导系统的误差传播特性,以便实现惯导系统对战术技术指标及元部件对自身精度指标的设定要求.首先设计了一种用于地球表面导航的船用空间稳定型捷联惯导系统方案,然后通过求解静基座状态下的该种捷联惯导系统误差方程,分析了陀螺常值漂移以及加速度计零偏对空间稳定型捷联惯导系统的影响.理论分析以及实物试验表明陀螺常值漂移会造成经度误差随时间线性增长,其它导航信息按舒勒频率和地球频率等幅振荡传播.     

机载SAR运动补偿传感器研究

提出一种不依赖于机载主惯导的运动传感器方案——基于GNSS／SINS的组合运动信息系统。即在SAR成像期间输出以纯惯性为主的信息以保证较高的相对定位精度，供SAR成像补偿；同时，GNSS／SINS的组合保证了长时间的绝对定位精度。介绍了这种运动传感器的原理、数学模型、工作流程控制。实验结果表明，基于GNSS／SINS的运动传感器具有很高的精度，完全满足了SAR成像的精度要求，特别适合于没有机载主惯导或主惯导精度较低的情况。     

基于遥测姿态变换的外测数据跟踪部位修正方法

外测数据跟踪部位修正对于飞行器飞行试验的高精度轨迹参数获取有着重要意义.提出一种基于飞行器遥测姿态数据和粗略轨迹参数的跟踪部位修正新方法,利用遥测姿态数据确定惯导平台中心与跟踪部位轨迹参数的变换关系,进而由粗略轨迹参数推算惯导平台中心与跟踪部位测距、径向速度、方位角和俯仰角的差异值,实现跟踪部位修正量的准确计算.采用误差传播法对粗略轨迹误差影响下的跟踪部位修正精度进行理论分析,验证了该修正方法在实际应用中的有效性.进一步通过仿真实验和实装实验检验了修正精度.结果表明跟踪部位修正量的计算误差远小于外测系统的精度指标要求,有重要的实际应用价值.     

速率转台S曲线加减速算法研究

速率转台常用的加减速算法有直线加减速和指数加减速两种方法。这两种加减速方法都存在加速度突变,容易对被测设备产生冲击。讨论了转台采用S形曲线加减速的方法,保证了电机性能的充分发挥并有效的减小了冲击,从而实现转台的平稳运行,同时给出了该方法的计算机控制算法。     

双星定位系统/SINS深组合导航系统研究

以卫星模拟器为基础，介绍了一种双星定位系统定姿的基本原理，解决了双星定位系统存在的位置滞后即定位实时性较差的缺陷，把双星定位系统的位置与姿态信息和捷联惯导系统的位置、姿态信息进行组合后，可有效地提高系统的精度．     

捷联惯导/里程计组合导航方法

针对车载自主导航需求,基于卡尔曼滤波器,实现捷联惯导与里程计量测信息的组合导航.推导了里程计误差模型,结合捷联惯组误差模型与捷联系统误差模型,建立了捷联惯导/里程计自主组合导航系统误差状态模型.建立了捷联惯导/里程计组合导航量测模型,阐述了估计误差修正方法.采用仿真计算对此方法进行了验证,仿真结果表明:组合导航过程中,初始姿态误差能得到有效估计,姿态误差和位置误差均能控制在一定精度范围内,应用此组合导航方法相对于传统的航位推算方法能得到更高的导航精度,能有效实现自主高精度定位定向.     

对地指向偏差为约束的卫星平稳对日定向方法

传统以对地指向偏差为约束的对日定向方法在星-日、星-地连线的夹角达到极值后，卫星期望姿态会发生大幅度快速翻转，导致较大的峰值功耗和寿命损伤。针对该现象，提出了一种可使期望姿态平稳变化的以对地指向偏差为约束的对日定向方法，将卫星的期望姿态设置为绕一基准姿态周期性地旋转。在不显著牺牲对日定向效能的同时，既确保卫星期望对地轴与对地方向的夹角小于约束角，又使得卫星姿态总体平稳变化。数值仿真表明:所提出的平稳对日定向方法能够大幅降低卫星期望角速度的峰值，同时能够满足对日指向和对地指向的需求。      

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°。