激光陀螺惯性导航系统旋转技术综述

旋转技术能够有效调制激光陀螺和加速度计的误差,提高惯性导航系统的精度。首先基于惯性测量单元的误差模型,分析了旋转技术的基本原理。然后对旋转技术的旋转方案、最优转动速率、旋转机构误差对系统精度的影响、载体角运动对旋转效果的影响、采用旋转技术的惯导解算、采用旋转技术的初始对准与测漂等进行了综述,探讨了我国研究旋转技术的重点研究方向,为开展我国旋转式光学陀螺惯导系统的研究提供了一定参考。     

基于惯性空间稳定的双轴惯导旋转调制方法

陀螺标度因数误差是影响长航时船用旋转调制惯导系统的关键误差源,其与地球自转和载体运动的耦合误差,可导致惯导系统误差发散。针对此问题,结合船用惯导使用特点,采用外航向、内俯仰的双轴旋转框架结构。在此基础上,提出了一种基于惯性系的双轴旋转惯导系统多位置转停调制方案,通过补偿地球自转和载体运动在双轴旋转惯导内外框架旋转轴上的投影分量,可显著降低陀螺标度因数误差对长航时导航精度的影响。数学仿真和船载试验结果表明,在载体航向角运动的场景下,该方法与传统的双轴旋转调制方案相比可有效抑制地球周期项振幅的增大,系统导航位置误差的发散也降低50%以上。     

光纤陀螺惯导稳定平台与旋转调制方法

光纤陀螺仪在随机误差方面表现出极佳的性能优势,但受限于其标度因数不理想的现实。针对航海用长航时、高精度光纤陀螺惯导系统的使用需求,设计了基于光纤陀螺数字信号实现载体三维角运动隔离的同时完成惯性测量装置的旋转调制功能,可有效减小光纤陀螺标度因数误差与载体运动角速度的耦合误差,同时充分发挥光纤陀螺随机游走小的精度优势。理论仿真验证了光纤惯导稳定平台加旋转调制方法的优越性和可行性,为光纤陀螺惯导系统在高精度导航领域中的应用提供了技术基础。     

主惯导速度误差短周期波动对子惯导传递对准影响分析

随着激光陀螺技术的发展,旋转调制式激光陀螺惯性导航系统逐渐成为舰载主惯导系统,舰载机、舰载武器系统需要旋转调制式激光惯导系统提供的姿态、速度和位置信息进行对准,即主子惯导的传递对准。由于旋转调制式系统中的姿态、速度和位置具有随旋转的短周期波动问题,势必会影响对准时间较短的子惯导对准精度。为了保证传递对准的快速性,一般采用速度匹配方法。定量分析了主子惯导传递对准过程中主惯导速度误差短周期波动对子惯导系统对准精度的影响,首先进行了数字仿真,之后利用双轴激光陀螺惯导、纯捷联光纤陀螺惯导数据进行了半实物仿真,验证了主惯导速度误差的一次项系数与子惯导初始对准水平姿态误差呈线性关系,二次项系数与子惯导初始对准航向误差呈线性关系。     

里程仪辅助捷联惯导系统的旋转式行进间对准方法

行进间对准可有效提高捷联惯导武器系统平台的快速反应能力和机动性能,但其对准精度受限于等效东向陀螺的零偏。鉴于惯性仪表整周旋转的积分平均作用能对消常值零偏,将旋转调制原理引入里程仪辅助捷联惯导的行进间对准以提升其精度,提出了“正反旋转+惯性系粗对准+回溯Kalman滤波精对准”的对准方案。相比于常规双重积分惯性系算法,该对准方案仅采用一次积分算法,其速度矢量信息采用滑动平均处理,较大程度地抑制了由里程增量微分导致的噪声误差,并实现了从非零速开始的行进间对准。对机抖激光陀螺固定数字滤波延时进行补偿后输出,以确保惯性仪表、转位测角和里程仪三者的同步。仿真结果表明,旋转式行进间对准能够将航向对准精度从1.1′(RMS)提高到0.54′(RMS)。同时,车载试验表明,旋转式行进间对准能够达到15min时间内1′(RMS)的航向对准性能。     

一种改进型光纤陀螺惯导系统单轴旋转调制方案

在常规单轴两位置旋转调制方案基础上,提出了一种改进型光纤陀螺惯导系统单轴旋转调制方案,该方案深入研究了载体航向角变化时,通过优选惯性测量组合(IMU)的旋转停止位置,实现了比常规调制方案更好的导航误差自补偿效果.通过理论推导和仿真验证,证明了本方案的有效性、可行性.     

未知纬度条件下基于空间圆拟合的SINS初始对准方法

传统的捷联惯导系统(SINS)晃动基座初始对准算法,如积分双矢量方法和多矢量Wahba方法等均需要精确的纬度信息,粗对准偏航角误差较大.针对此特点,提出了一种未知纬度条件下基于空间圆拟合的SINS初始对准方法.根据重力矢量在惯性系中绕地轴旋转包含北向信息的特征,以初始时刻凝固载体坐标系作为惯性系,首先对重力矢量在凝固载体系内进行投影并滤波,对其矢量端点进行空间圆拟合,然后通过三角几何关系得到导航坐标系,从而完成对准过程.通过仿真验证,证实了该对准方法不需要已知对准点的精确位置信息,相比于积分双矢量方法与多矢量Wahba方法,偏航角对准精度分别提高了12.37'与5.10'.     

瞄准吊舱捷联惯导系统快速传递对准方法

 新型瞄准吊舱系统中安装捷联惯导系统,使其在跟踪、探测目标的同时具备一定的自主导航能力。吊舱系统中的捷联惯导一般采用较低精度的惯性器件配置,且传递对准实现过程受到机动条件的严格限制。针对该问题提出了一种“比力积分/角速度匹配”传递对准方法,利用主惯导导航信息与惯性器件输出,以及子惯导惯性器件输出实现子惯导的对准。推导了基于主、子惯导系统误差的数学模型,详细分析了器件精度与低动态条件对系统状态量可观测度的影响,并针对低精度惯性器件与低动态条件下的传递对准性能进行了数字仿真。仿真结果表明,该方法在器件低精度与低动态条件下,对准性能达到5′,优于常规传递对准方法,可满足瞄准吊舱捷联惯导系统的快速对准性能要求。     

航海光纤陀螺捷联惯导系统快速对准技术研究

针对中小型水面舰船对航海惯导系统快速对准的实际需求,结合光纤陀螺的误差特性,提出一种针对航海光纤陀螺捷联惯导系统的快速对准方法。该方法充分考虑光纤陀螺启动特性对惯导系统对准精度的影响,在对准过程中保存光纤陀螺输出平稳后的数据,并利用基于正反向联合导航和滤波的方法,重复利用输出平稳后的数据,缩短对准时间,提高系统对准精度。经过实际的舰载试验验证表明,采取该方法后,所研制的航海光纤陀螺捷联惯导系统在对准时间20min条件下的导航精度相当于传统方法对准时间1h条件下的导航精度,显示了本方法的正确性和有效性,为航海光纤陀螺捷联惯导系统的进一步工程应用提供了有力支撑。     

初始方位信息辅助下潜航器快速传递对准算法

针对多潜航器连续快速布放需求,提出基于初始方位信息辅助下快速传递对准算法.潜航器惯导系统只在对准初始时刻由移动基准惯导提供准确的方位信息和概略的水平姿态信息,布放入水后以初始时刻水平姿态误差和当前速度误差为滤波状态,以水下多普勒测速仪的速度为观测量,通过卡尔曼滤波进行惯性系下的航行中对准.实验验证以优于0.01(°)/h的激光陀螺惯导系统/卫星组合导航的姿态解算值为参考基准,基于实际数据的仿真计算表明,在50s内即可实现快速对准,方位精度达到1密位(1σ).     

旋转调制式惯性平台的圆锥运动误差

转调制式空间稳定平台采用陀螺壳体翻滚技术,陀螺壳体翻滚在平台伺服跟踪作用下将形成圆锥运动。圆锥运动误差会引起陀螺漂移,对高精度、长航时惯性导航系统的精度将造成严重影响。首先,介绍了高精度、长航时旋转调制式惯性平台的基本工作原理,推导了平台上的陀螺沿旋转主轴相对地球的角速度。其次,阐述了陀螺壳体翻滚的圆锥运动,推导了壳体翻滚装置和框架伺服系统的跟踪误差及牵连运动角速度引起的圆锥运动附加漂移误差公式。再次,根据数值举例给出了计算机仿真曲线,指出该误差对高精度系统的危害。最后,得出结论：为了实现圆锥运动误差极小化,确保系统长时间运行精度和可靠性,必须实时扣除牵连运动角速度引起的圆锥运动误差分量,并优化设计壳体翻滚装置与平台伺服系统。     

一种无卫星辅助的制导弹药滚转角误差修正算法

针对海军舰载制导弹药MEMS惯导系统在卫星失锁后滚转角误差较大的问题，提出了一种不依赖卫星的制导弹药误差修正算法。根据弹体高速旋转时的定轴性使得短期内弹体侧向位移为零的特点，建立了弹体发射坐标系导航误差方程。利用自适应扩展Kalman滤波估计与修正卫星失效条件下的滚转角误差。为了检测并抑制量测突变引起的随机误差，使用自适应因子来调整滤波器参数。车载模拟试验和弹道仿真结果表明，10s对准时间内，滚转角误差能够收敛到0.5°以内，满足制导弹药控制精度的要求, 降低了制导弹药飞行过程中对卫星导航的依赖，提高了系统的自主性。     

基于星光导航分离陀螺仪漂移误差方法研究

星光/惯性组合制导方式集中了两种方式的优点,可在导弹飞出大气层后通过对导航星的观测校正陀螺仪误差系数。在研究了星光导航的特点和陀螺仪误差特性的基础上,提出了通过旋转弹体观测特定位置的导航星,利用星光导航系统分离陀螺仪漂移误差系数的方法。结果表明:利用导航恒星高精度基准可以分离陀螺仪漂移误差系数,准确地确定陀螺仪漂移误差模型,对于提高导弹的精度具有重要意义。     

传递对准中载舰挠曲变形和杆臂效应一体化建模与仿真

 针对舰载机惯导系统大方位失准角传递对准的非线性问题,根据舰载机在载舰上的实际停放情况,引入舰载机标称坐标系,并综合考虑载舰挠曲变形和杆臂效应的影响,建立挠曲变形和杆臂效应加速度一体化模型,完善舰载机惯导系统大方位失准角传递对准线性化模型。采用“速度+角速度”组合匹配算法的滤波模型,对固定安装失准角和挠曲变形角进行了估计。结果表明,该模型在舰载机大方位失准角传递对准时可以满足对准精度和时间的要求。     

一种提高捷联惯导系统动基座初始对准精度的方法

捷联惯导系统初始对准精度直接影响系统导航精度,以适用于动基座的惯性凝固系粗对准方法为基础,针对船载设备动基座机动条件,通过实际数据分析,提出了一种粗对准方案,在相同的载体运行条件下,对减小粗对准误差,进而提高导航精度有一定帮助。相对于原粗对准方法,通过试验仿真验证,粗对准精度均有所提高,在此基础上初始对准后,1h导航定位误差从2nmil提高到约0.45nmil。     

速率方位惯性导航系统

本文提出一种把平台式和捷联式惯导系统结合在一起的新的惯性导航系统。在该系统中使用的速率方位平台没有方位稳定回路、方位坐标分解器及同步器。平台和运载器的方位角是根据由水平环架支承的方位速率陀螺讯号借助积分运算得到的。这种惯导系统适用于运输机、飞航式及弹道式导弹等不作大角度俯仰机动的运载器。文中叙述了方位速率平台的工作原理、力学编排方程、初始对准的特点以及陀螺漂移的标定和补偿;同时对各主要误差源所引起的姿态、速度和导航定位误差的传播特性进行了模拟计算。在结论中指出:平台的结构简单、体积小、重量轻、可靠性好、可对方位陀螺的漂移进行标定和补偿是其独特优点。另外,如果利用专门的光学系统,配合已知地标的方位角和纬度,不仅能够实现快速对准,而且还可进行水平陀螺的标定和补偿。     

INS/GNSS组合导航系统空中快速对准方法

针对机载惯性/全球导航卫星系统(INS/GNSS)组合导航系统地面静基座对准时间较长、航向对准精度较低以及惯导空中故障重启后无法快速得到精确姿态信息重新进入导航状态等问题,提出一种快速初始对准方法。该对准方法基于惯性导航比力方程,利用GNSS的定位、测速信息与惯性测量组件(IMU)的输出信息解算载体姿态信息,并结合遗传-牛顿算法与求和自回归滑动平均(ARIMA)模型卡尔曼滤波信号降噪技术提高姿态信息的解算精度。基于实测飞行数据的解算验证了该方法的有效性、对准精度以及在实际工程应用中的优越性。     

原子干涉技术在惯性领域中的应用

惯性技术因其强自主性、不依赖外界信号、适应全天候等特性在导航领域备受关注,为了提升惯性导航的精度,数十年来人们在如何提高惯性传感器性能方面进行了大量的攻关工作并研制出了多种基于不同原理的惯性传感器。得益于量子效应,原子传感器能在诸如时间、加速度、转动、磁场等领域提供比现有技术更高的测量灵敏度、精度和速度。通过研制基于原子干涉技术的高精度原子惯性器件,实现重力/重力梯度数据实时补偿匹配的量子导航将是新一代高精准军用惯性导航的首选。本文简要介绍了以物质波干涉为基础的原子干涉惯性器件的原理,回顾了以原子重力仪、原子干涉陀螺为主的技术发展历程及现状,并结合我国目前在该领域的发展态势,表达了对我国原子惯性设备实装应用的迫切性。     

车载惯导系统抗扰动自对准方法对比研究

自对准技术是陆基机动平台及装备用惯导系统的一项关键技术,其核心在于惯导系统如何在风扰、发动机振动、人员走动等各种干扰下实现快速、高精度对准.针对目前常用的惯性系解析自对准、Kalman滤波估计自对准和惯性系奇异值分解(SVD)自对准等三种方法进行了研究和对比分析,根据三种对准方法各自的实现原理,提出了一种有针对性的抗扰动优化方法,并通过了数学仿真分析和车载试验验证.结果 表明,在车载使用环境下,后两种方法都能获得较为准确的姿态信息,惯性系SVD方法可以达到与Kalman滤波方法相当的对准精度和收敛速度,且无需先验信息即可获得最优解,表现出了较好的工程应用优势.