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。     

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。     

一种新的低成本组合导航系统初始对准算法

基于低成本惯性测量单元的组合导航系统已经逐步成为导航领域的研究热点和主要发展方向。但是,低成本惯性元件精度低,无法进行自主初始对准。基于规范化四元数的概念,研究了一种仅利用GPS的位置和速度数据对组合系统进行初始对准的新算法,克服了传统滤波方法进行初始对准存在的诸多局限性。理论分析和仿真计算表明,这种算法仅受组合系统自身硬件条件的约束,可以较好地应用于组合系统中低成本惯性单元的初始对准。     

基于视觉的惯性导航误差在线修正

陀螺零偏和加速度计零偏是影响惯性测量单元(IMU)积分精度的重要因素。提供一组精确的实时的零偏估计可以提高IMU的积分精度,为视觉导航提供良好的位姿预测,提高整个系统的动态性能。通过合理地建立IMU的噪声模型以及IMU和视觉的组合方程,利用一种基于李群和李代数知识的IMU预积分方法将零偏进行合理的线性化,运用Kalman滤波进行IMU零偏的在线估计。实验结果表明,通过本文的修正方法,惯性导航的平均积累误差由0.034m/s提高到0.0037m/s,精度明显提高。     

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。     

MEMS惯测技术在管道测绘系统中的应用

针对小口径管道的测绘问题,提出了一种MEMS惯测装置在小管道测绘系统中应用的方法,直接利用地标点信息为MEMS惯测装置装订初始方位,采用因子图理论对惯性/里程计组合导航信息进行处理,通过后续处理对装订误差进行修正,解决了MEMS惯测装置无法完成初始对准的问题。给出了惯性/里程计组合导航的因子图以及和积算法递推公式,并通过牵引试验对所提方法进行了验证。试验结果表明,提出的应用方法能够有效解决小口径管道的测绘问题,在100m间隔的路标点条件下,单边定位精度能够达到5cm。     

基于速度积分匹配的旋转调制惯导系统动基座对准方法

卫星导航信息辅助动基座对准过程中,速度噪声会影响对准精度和快速性,制约了旋转调制惯导角秒级高精度快速对准的实现.针对这一问题,提出了一种基于旋转调制惯导速度积分匹配的快速动基座对准方法,通过建立旋转调制惯导动基座对准误差方程和卡尔曼滤波观测模型,以消除动基座对准对载机特殊运动的要求.最后,在实验室静态环境和车载环境下,分别开展了速度积分匹配和速度十位置组合导航动基座对准仿真实验.仿真结果表明,提出的速度积分匹配方法具有误差估计量收敛速度快的特点,在对准精度不降低的情况下相对组合导航匹配方式能有效缩短动基座对准时间,并能基于旋转调制惯导取消动基座对准对载机的机动需求.     

机抖激光陀螺捷联系统动力学建模及结构动特性设计方法

机抖激光陀螺捷联系统普遍采用抖频偏频技术消除闭锁效应的影响,这使得激光惯导成为自带激励源的动力学系统,动力学系统结构参数的设计将影响陀螺抖动效率和陀螺测量精度。在陀螺抖动驱动力条件下,建立了包含激光惯导箱体、惯性测量本体、陀螺、减振器、抖轮在内的较为完整的动力学模型,给出了该模型的解答过程和Matlab仿真计算结果,讨论了不同结构参数对抖动效率及惯导精度的影响规律,并在此基础上提出了激光惯导结构基于动特性设计的原则和方法。经验证,该方法能够有效指导结构转动惯量等参数设计,提高了设计质量,有效避免了激光惯导由结构设计不足而导致的动力学问题。     

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。     

舰载机惯导动基座传递对准基准系统技术研究

根据舰载机惯导动基座高精度对准的需求,从系统顶层设计的角度,引入数字停机位空间坐标系概念,建立了舰载机惯导动基座传递对准的基准。在此基础上,分析了杆臂效应和船体挠曲变形对基准精度的影响,并给出了相应的处理模型和方法。舰载机可直接引入该基准坐标系下的导航信息进行对准,无须关注舰船性能参数和主导航安装位置等,有利于减少惯导动基座对准技术难度,提高对准效率。     

Accurate INS Transfer Alignment Using a Monitor Gyro and External Navigation Measurements

A particular alignment mechanization for a nonmaneuvering vehicle is described which uses a monitor gyro to estimate the slave inertial navigation system (INS) equivalent east gyro drift rate and thus improves azimuth alignment. A state-space model of the dynamic system with measurements is developed. Results of covariance simulations employing Kalman filter estimation are presented for two master INS position update scenarios, one involving frequent and very accurate updates and the other including infrequent and coarse updates. The ef fects of position updates and the monitor gyro on the quality of transfer alignment are demonstrated and analyzed.     

适合于机动弹道导弹的星光—惯性组合制导系统研究

机动弹道导弹通常会带来较大的初始定位定向误差,星光-惯性组合制导系统能有效地修正初始定位定向误差,提高惯导系统的精度。本文详细介绍了基于一种随动平台的星光-惯性组合制导系统的原理;研究了随动平台跟踪星体的机理;推导了控制随动平台转动所需的计算公式;讨论了星体跟踪器对平台误差角的观测过程;导出了星体跟踪器的测量输出与平台误差角之间的数学方程。仿真结果表明了该方案的有效性。     

Autonomous GPS/INS navigation experiment for space transfer vehicle

An experiment is described to validate the concept of developing an autonomous integrated spacecraft navigation system using onboard Global Positioning System (GPS) and inertial navigation system (INS) measurements. Previous work by the authors (1988, 1990) has demonstrated the feasibility of integrating GPS measurements with INS measurements to provide a total improvement in spacecraft navigation performance, i.e., improvement in position, velocity and attitude information. An important aspect of this research is the automatic real-time reconfiguration capability of the system, which is designed to respond to changes in a spacecraft mission under the control of an expert system     

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。     

In-Flight Alignment and Calibration of Inertial Measurement Units?Part I: General Formulation

This is the first part of a two-part paper which summarizes work pursued by the author in 1966 [1]. The paper describes the application of minimum-variance estimation techniques for in-flight alignment and calibration of an inertial measurement unit (IMU) relative to another IMU and/or some other reference. The first part formulates the problem, and the second part [2] reports numerical results and analyses. The approach taken is to cast the problem into the framework of Kalman-Bucy estimation theory, where velocity and position differences between the two IMU's are used as observations and the IMU parameters of interest become part of the state vector. Instrument quantization and computer roundoff errors are considered as measurement noise, and environmental induced random accelerations are considered as state noise. Typical applications of the technique presented might include the alignment and calibration of IMU's on aircraft carriers, the initialization of rockets or rocket airplanes which are launched from the wing of a mother ship, the alignment and calibration of IMU's which are only used in the latter phases of rocket flight, and for the initialization/updating of SST guidance systems.     

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.     

带FDI算法的无人机组合导航姿态确定控制系统设计

无人机导航系统的作用是提供导航数据给飞控计算机作为制导和控制用,因为飞控计算机的性能在很大程度上依赖于导航数据,导航系统的某一个错误可能会导致整个无人机的失败,因此,导航系统应具有故障检测和隔离(FDI)算法,介绍了一种用于无人机导航的FDI和低成本的组合导航系统,硬件包括低成本商业用MEMSIMU、GPS接收器、磁力计和导航计算机,软件包括带FDI算法的卡尔曼滤波。     

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     

基于卫星和星敏感器的冗余激光惯组在轨标定

采用高精度卫星导航速度、位置信息以及星敏感器提供的姿态信息设计十表冗余捷联惯组的标定模型,包含陀螺和加速度计的零次项和标度因数,对卫星和星敏感器辅助的冗余激光陀螺捷联惯组进行实时在轨标定.利用标准Kalman滤波和Sage-Husa自适应滤波作为估计算法,对十表冗余捷联惯组参数进行在线估计.数值仿真结果表明:参数标定精度均在7％以内,是一种实时的在轨标定方法,满足误差补偿要求.冗余惯组在轨标定方法为航天器高精度定姿和定轨提供了一种理论参考.