综合采用GPS和地面雷达测量数据评估制导系统精度

仅用地面雷达跟踪数据评估制导系统的精度,其效果受客观条件限制。研究表明,把GPS(全球定位系统)作为外测资源在精度分析工作中加以利用,则效益显著。本文探讨综合利用GPS和地面雷达测量数据评估制导系统精度的问题。即对飞行试验的导弹,除了采用地面雷达进行跟踪测量外,还假设其装有弹载接收机。该高动态接收机通过弹载天线接收从四颗(以上)卫星发射的信号,该信号提供伪距和伪距变化率数据及广播星历资料。将这些外测数据(GPS数据和雷达数据)与遥测信息结合起来,选定合适的状态参数后,即可建立状态方程和观测方程。本文采用先进的估计技术(尤指U-D型卡尔曼滤波器)可分离出制导系统惯性器件等误差。由于把导弹的遥测速度和位置(修正了已知误差)转化成相应的外测数据并与之求差产生观测量,同时形成相应的测量矩阵。而U-D型卡尔曼滤波器又能将观矢量进行标量化处理,因此综合利用GPS数据和地面跟踪数据,实际上增大了观测矢量的阶数,从而提高了状态估计精度。当仅有其中一种测量手段时,该滤波器仍能正常运算。     

用于靶机控制的RAJPO GPS设备

将在佛罗里达州的海湾靶场靶机控制系统(GRDCUS)设施验证靶场应用计划联合办公室(RAJPO)的GPS高动态测量设备(HDLS)和五通道定位组件(PLM-5)对靶机的控制。来自靶机上GPS接收机装置的下行导航数据将取代现行的多R(距离)系统的时空信息(TSPI),这是地基控制环的输入信息。随后从纵向、横向以及高度控制定律导出的控制指令将利用现行操作方案上行发送。数据链中的误码率(BER)和数据丢失以及GPS信号等都是控制系统总体设计中需要考虑的重要问题。本文讨论了IRU辅助/无辅助的HDIS(10g动态)和仅用L_1的PLM-5(4g动态)的性能对于靶机编队控制的意义。本文提出了一种利用靶机惯性测量装置(IMU)以10Hz速率传播1Hz PLM-5数据的方法,及其误差分析。分析并比较了自主和半自主靶机控制方案。最后介绍了一种最佳双环控制方案(靶机上有一个主环,地面有一个副环)的细节及优点。     

飞行试验鉴定用的测量、控制和估计的新方法

现代导弹武器系统飞行试验鉴定中所用的制导系统的精度不断提高,促使西部导弹航天试验中心关心和要求采用新的测量、控制和精度估计方案。由于采用了在相位(即距离)域采集和处理雷达多卜勒测量值的方法,外测精度和估计精度比起传统的在频率(即距离变化率)域进行测量有了很大的提高。这种多卜勒技术已经用到了C波段雷达上,但也可以应用到其它系统,尤其是GPS系统。通过应用测量噪声去相关方法,消除了控制和估计功能间的相互影响,从而实现了每一种功能的各自独立优化。采用了在数字计算中具有极好数值特性的平方根估计算法,确保了充分发挥愈益精确的测量设备和制导系统的潜力。这里所介绍的已在西试验中心得到了检验的方法,预期在未来的试验鉴定工作中将发挥重大的作用。     

低成本GPS/INS综合姿态测位系统

廉价固态惯性传感器技术取得很大进展,使得惯性测量设备(IMU)的价格下降到10,000美元左右。测地和导航研究所(IfEN)购买了这种IMU,即SystronDonners公司的MotionPak~(TM),用来开发GPS/INS综合姿态确定系统。至于综合系统中的GPS接收机,IfEN选用了天宝公司的先进导航传感器(TANS)Vector接收系统,这是一个多天线测姿测位系统。 IfEN开发了实时导航软件,利用MotionPak陀螺仪和加速计的输出计算位置、速度和姿态。这些计算值与从TANS Vector得到的位置、速度和姿态信息在卡尔曼滤波器中综合处理。试验结果表明该系统可以达到0.1°的姿态确定精度(RMS)。本文介绍了这种低成本GPS/INS综合系统,包括GPS和INS硬件,数据获取和软件。     

一种面向即插即用车载GNSS/INS/ODO系统的时空在线标定方法

车载轮速里程计(ODO)辅助卫星/惯性(GNSS/INS)组合导航时需要先进行惯性传感器(IMU)与ODO的空间对齐,而传统GNSS辅助IMU/ODO参数在线标定时未考虑GNSS时延与ODO时延对标定的影响,这对于无法实现硬件时间同步而需要即插即用的车载导航应用而言,考虑不够全面。因此,提出了一种面向即插即用车载GNSS/INS/ODO系统的时空在线标定方法。该方法在传统GNSS辅助IMU/ODO参数估计模型的基础上,增广了GNSS与ODO的时延误差,分析了两种时延对IMU/ODO参数在线标定的影响,推导并构建了完整的GNSS与ODO观测模型,采用卡尔曼滤波器对GNSS时延、ODO时延以及IMU与ODO之间的参数进行估计。实际测试结果表明,该方法可以有效提高IMU/ODO在线标定的精度。     

基于模糊控制的惯性测量单元温控系统数值分析

针对捷联惯性测量单元(IMU)温控系统的高精度、高滞后性和时变性,提出一种基于CFD技术的捷联IMU模糊PID控制器设计方法.首先,对某型号IMU的热量传递机理进行分析,建立IMU传热特性三维数值计算模型,借助CFD软件Fluent的UDF功能实现对IMU数学模型温控系统的模糊PID控制.最后,通过改变环境温度获得IMU数学模型在瞬态计算条件下的温度分布规律,并将IMU不同部位的温升值与试验结果进行对比,分析温度分布对惯性仪表的影响.研究结果能为IMU温控系统的改进和优化提供依据.     

双轴地磁辅助的惯性/卫星组合导航方法

旋转弹姿态的精确获取是旋转弹控制领域的一个研究重点,单纯将惯性/卫星组合导航方案应用于旋转弹上,无法快速而准确地获取弹体滚转姿态角。提出一种双轴地磁辅助惯性/卫星组合导航方法,该方法采用双轴地磁传感器、微机电(Micro Electro Mechanical System, MEMS)惯组和卫星导航组合测量方案,由序贯Kalman滤波算法完成对弹体姿态、速度和位置的估计。选取某旋转弹为仿真对象,仿真结果表明该方法在获得高精度速度、位置的同时,可快速完成弹体姿态准确估计。当地磁传感器精度为10mGs时,弹体姿态可在1s内快速收敛,且姿态精度优于0.5°(1σ)。该方法具有导航精度高、地磁标定简单、价格低廉的优点,在旋转弹导航方案上有一定的工程应用价值。     

高精度光纤IMU的磁屏蔽方法及实验研究

惯性测量单元(IMU)是位置姿态系统(POS)的核心部分,IMU的精度很大程度上决定着POS精度.由于高精度光纤陀螺(FOG)的光纤线圈对磁场敏感,基于高精度FOG的IMU精度会受磁场影响而降低.本文研究了FOG磁敏感性机理,通过实验得出高精度光纤IMU对磁场敏感的结论.采用电磁场有限元分析软件Ansoft Maxwe...     

小卫星用的地面保障设备

传统的地面保障设备(EGSE)大量使用客户定制的设备,这些设备价值几十万美元,并且只适用于专为其设计的卫星。由于小卫星计划的预算紧张,得另想它法。本文介绍了一种利用现有商品来设计EGSE的方法,这种设备的成本远低于传统设备。并介绍了这种设备的重复使用能力,即用于随后的卫星设计,或装进地面站里。该设备可做多种扩充,以适应不同的遥测速率和存贮要求;各种仿真要求及输入/输出能力。     

基于MEMS陀螺的低成本捷联惯导系统设计

介绍了一种基于MEMS陀螺和石英挠性加速度计的低成本捷联惯性导航系统的设计与实现方法。给出了惯性测量单元(IMU)的模型方程,并在全温下对IMU的输出进行补偿;采用"四元数"法进行姿态计算,通过坐标变换、积分运算确定载体的速度、位置;对惯测样机进行了60 s的静态测试,结果表明该系统短期准确度满足SINS/GPS组合导航系统需求。     

微机电惯性测量元件在导航系统的应用研究

介绍了微机电(MEMS)惯性测量元件(IMU)的基本情况，总结了误差主要来源，根据公开文献介绍的性能测试参数，建立了动态误差模型，并与GPS测量的速度和位置组合，进行了导航系统的数学仿真。仿真结果表明，MEMS—IMU尚不能独立构成导航系统，但与GPS组合，则可满足低精度的导航要求。     

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.     

航弹安装车

5A380/XZI-002 航弹安装车是我厂研制的一种多功能的地面装弹设备。这种设备具有良好的实用性、可靠性、工艺性和经济性。本文着重介绍该设备的设计方案、结构特点、用方法和技术数据。     

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。     

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。     

基于DKF的IMU误差预测算法

作为导航领域常用的组合导航方式,全球导航卫星系统(GNSS)/惯性导航系统(INS)组合导航在GNSS信号失锁后,由于惯性测量单元(IMU)误差随时间迅速积累,其定位结果会偏离载体真实位置,导航精度下降.针对此问题,提出了一种长短期记忆网络(LSTM)辅助的算法,称之为深度卡尔曼滤波(DKF)算法.DKF算法的核心思想是使用LSTM训练IMU误差模型,然后通过训练出的模型预测IMU误差,最后将预测的IMU误差代入IMU数据以校正导航结果.仿真结果表明:在200s测试数据上,DKF算法将误差从1.1537m/s降低到0.3746m/s.与平均预测、卡尔曼预测和最小二乘估计等方法相比,DKF算法的误差最小,具有更优越的导航性能.     

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。     

哥达德航天中心的多微处理机系统

目前有一种明显的倾向,即按照规划使用大规模计算机所用的方法(即一台中心处理机加大量辅助设备)来规划基于微处理机的工作系统。可是,微处理机成本很低,这就允许人们考虑采用由几台中心处理机(CPU)构成一个分布式处理网的方案。这种设计方法极为简单,人们由此得到的好处远远超过了采纳这种方案稍微增加的费用。本文介绍了哥达德航天中心所设计的采用多处理机技术的两个系统。     

全球定位系统用作洲际导弹制导系统鉴定工具的测量性能

八十年代初期,在两次民兵Ⅲ型导弹发射中(编号为PVM-18,19),试飞了一种四信道全球定位系统(GPS)接收机——弹载接收设备(MBRS)。这两次发射试验是称为“飞-2”系列飞行中的一部分。每次带两个NS20惯性测量装置。这两次试验的主要目的是在洲际导弹实际飞行环境中验证、测定全球定位系统的性能。本文概括了这两次飞行中GPS性能的分析结果。由此验证了如何利用这种质量的数据来高精度地鉴定制导误差,并用该数据来识别出飞行过程中各种制导误差。这两次试飞所得到的GPS数据证实了短期精度达到了预期能力。典型的随机误差为2英尺~*和0.01英尺/秒(一秒平均)。有了这一精度就可利用GPS作为外部测量仪器,对自由段中摆式积分陀螺加速度表(PIGA)的磁敏感效应进行直接观测。实现这种观测还是第一次。由于缺乏合适的标准,尚不容易进行绝对精度鉴定。显然,GPS的精度比同时参与导弹跟踪的雷达(多台)的好,拟合后残差非常一致,说明总精度很高。因此可得出结论,GPS的总精度达到了预期性能指标。 (本文常用缩略语AIRS——高级惯性基准球,BREW——民兵导弹上装的第二惯性测量装置,CSDL——Charles Stark Draper实验室,ECI——地心惯性座标系,GPS——全球定位系统,MBRS——导弹装载的GPS接收机,MISTRAM——米斯特拉姆,高精度无线电外测系统,PIGA——摆式积分陀螺加速度表,PVB——民兵导弹试验编号,TI——德克萨斯仪器公司)     

用全球定位系统对导弹进行实时跟踪

本文将介绍一套利用全球定位系统(GPS)对远程导弹进行实时跟踪的系统。全球定位系统全面投入工作后(八十年代后期),用它来跟踪导弹、飞机和地面车船正是其英雄用武之地。为了充分利用该系统,必须要有一种高经济效率的跟踪方案。在跟踪导弹这样一些非回收性试验体时,尤其要注意这一点。本文所介绍的这些技术就是跟踪非回收性试验导弹的一种经济实惠的方法。其基本方案是被试导弹接收多个GPS信号,将这些混合信号的频率变换到一个新的S波段频率上、然后再将混合的S波段信号发送到地面接收站。地面站接收经转发的GPS信号,并加以处理,得到该导弹的正常伪距和伪距离率测量值。用卡尔曼滤波器计算出位置和速度解。除了能独立工作之外,本文所介绍的系统还能与现有跟踪系统相结合,提高跟踪精度。