航天器惯性及其组合导航技术发展现状

航天器是在地球大气层以外运动的飞行器,也包括部分从宇宙空间返回地球的飞行器。在航天器的飞行过程中,惯性敏感器是实现航天器姿态确定、速度变化测量的关键敏感器之一。随着航天器任务的不断扩展,航天器对惯性器件的使用日趋复杂,高精度定姿、惯性导航、组合导航等技术在应用深度和广度上不断发展。以此为背景,对航天器惯性技术的发展脉络进行了全面的梳理和总结,包括惯性技术的使用方式、技术现状以及未来发展等几个方面的内容。     

基于MEMS技术的低成本组合导航系统

针对某型航空炸弹对低成本、高精度导航系统的需求,采用已逐渐成熟并在实际中得到应用的微惯性测量组合(MIMU)与高精度、高数据更新率的GPS接收机进行数据融合,组成优势互补的低成本组合导航系统.最后对其进行了半实物仿真实验,结果表明这种低成本的组合导航系统具有精度高、成本低、性价比高的优良指标.     

未来的GPS-Galileo组合导航卫星系统

随着卫星导航定位技术的发展,用户对卫星导航系统提供的服务性能提出了更高的要求,希望能得到高精度、高可靠性、高动态实时的导航定位服务。而目前存在的卫星导航系统已逐渐不能满足这些需求,如果GPS-Galileo组合系统能够很好兼容,则是一个很好的解决途径。     

微惯性器件

本文简述了微惯性器件的发展情况，介绍了微加速度主，微陀螺仪的工作原理，论述了微惯性器件的发展方向。     

车载大视场视觉惯性组合导航算法研究

车载视觉导航在大角度旋转和高速运动等场景下表现不佳,由于视觉和惯性的误差特性互补,所以视觉惯性组合导航算法有良好的应用前景。大视场相机获取外界信息丰富,但大视场相机采样频率低影响视觉数据采集,而且基于优化的组合导航算法计算速度慢,故提出了一种适用于大视场相机的车载视觉惯性组合导航算法。该算法侧重于数据预处理：设计了基于伽马函数的对比度受限自适应直方图均衡化来降低图像噪声,通过FAST角点与光流法的组合完成特征提取与跟踪,进一步加快了计算速度。引入了惯性数据等效旋转矢量二子样算法来减少数据量和计算量,通过预积分算法为误差优化减少计算量,通过视觉误差、惯性误差以及边缘化误差联合优化来提高精度。与其他组合导航算法相比,该算法精度较高,计算速度最快,与VINS-Mono相比节省时间19.7%。     

微小型飞行器惯性组合姿态确定与航路导航研究

构建了微小型飞行器(MAV)导航、制导与控制(GNC)系统。研究了微惯性导航测量单元零偏的温度建模及非正交误差的多位置标定补偿方法,提出微小型飞行器导航、制导与控制系统闭环条件下,利用导航、制导与控制回路的飞行状态特征信息的微惯性组合导航系统滤波算法,根据微小型飞行器飞行状态实时调整卡尔曼滤波器的观测噪声方差,有效提高了动态过程中姿态测量精度和微小型飞行器的飞行平稳度。完成了组合导航系统滤波算法验证飞行试验及自主姿态稳定和航路飞行试验。飞行试验表明:微小型飞行器实现了自主姿态稳定与长距离超视距航路点导航飞行,航路点导航误差小于30 m,惯性组合姿态确定与航路导航系统及算法满足微小型飞行器自主飞行对导航系统的需求。     

激光捷联惯性/卫星组合导航系统基本原理及应用情况

激光捷联惯性/卫星组合导航系统是国外飞机上普遍采用的一种导航设备,但在国内飞机上的应用则刚刚起步。本文简要介绍了激光捷联惯性/卫星组合导航系统的基本原理及应用情况。     

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。     

基于滤波和优化的惯性/里程计组合导航精度对比分析

在广泛使用的惯性/里程计组合导航应用中,一贯的方法是使用Kalman滤波器进行组合导航状态估计,展现出了强大的工程适用性。然而其对于历史状态没有修正,导致整体导航精度受限。而基于优化的方法可以平滑整体组合导航的轨迹,有望提升惯性/里程计组合导航的精度和鲁棒性。将优化方法与滤波方法在惯性/里程计组合导航应用中进行对比,分析在不同条件下优化算法和滤波算法的优劣。试验表明,基于优化的算法在含有稀疏位置观测的条件下能够比滤波算法定位精度更高。但是,无位置观测的条件下,滤波算法更加稳定和精确。可以得到：基于滤波的算法更加简单稳定,更适用于工程实践;基于优化的算法模型更加复杂,在观测约束更多的条件下能够得到更好状态估计结果。     

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。     

时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法研究

针对卫星信号受到遮挡或者干扰、卫星接收机收星数不足的问题,提出了一种时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法。通过正常紧组合状态下的钟差、钟漂估计值建立钟差和钟漂的数学模型,在可见卫星少于4颗时,用时钟模型计算得到的钟差和钟漂作为系统钟差、钟漂的真实值引入观测信息中,并省去状态变量中的钟差和钟漂项,增加了系统的可观测性。最后,通过采集跑车试验数据进行了离线数据仿真试验。试验结果表明,提出的时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法在可见卫星不足的情况下取得了良好的效果。     

时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法研究

针对卫星信号受到遮挡或者干扰、卫星接收机收星数不足的问题,提出了一种时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法。通过正常紧组合状态下的钟差、钟漂估计值建立钟差和钟漂的数学模型,在可见卫星少于4颗时,用时钟模型计算得到的钟差和钟漂作为系统钟差、钟漂的真实值引入观测信息中,并省去状态变量中的钟差和钟漂项,增加了系统的可观测性。最后,通过采集跑车试验数据进行了离线数据仿真试验。试验结果表明,提出的时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法在可见卫星不足的情况下取得了良好的效果。     

挠性捷联惯性系统惯性器件两种模型的研究

本文提出了挠性捷联惯性系统惯性器件的两种常用的稳态模型，并指出它们之间的换算关系。这两种模型在标定，对准，导航和参数补偿过程都有一定的区别，文章根据实际经验指出了模型应用的范围。     

惯性/双目视觉里程计深组合导航方法

针对现有视觉里程计测量噪声大、匹配精度低、实时性差的问题,研究一种基于Kalman滤波器的惯性/双目视觉里程计组合导航方法.在视觉里程计中引入惯性导航信息,辅助完成实时图截取、搜索区预测、输出速度校正等功能,提高视觉里程计的测量精度与计算速度.利用Kalman滤波器,实现视觉里程计对惯导累计误差的修正,提升组合导航系统的导航精度.车载试验结果表明,惯性/双目视觉里程计深组合导航的实时定位精度优于0.5％D (CEP),具备工程应用条件.     

惯性／卫星组合导航开发平台的可视化仿真和实现

对惯性/卫星组合导航开发平台的可视化仿真及其实现进行了研究。该开发平台采用Visual++6.0语言进行编程,可进行实时导航动画显示,对惯性导航、GNSS及多种组合模态进行仿真运行,其结构和参数可由操作者根据实际情况选择或自行设定;特别针对不同的应用对象,可灵活地设置航迹和航路点,因此有较高的应用价值和实用意义,不失为设计组合导航系统的有力工具,在实际应用中对惯性/卫星组合导航系统研制和设计具有前瞻性和指导性。同时,模块化设计使该软件中的核心算法已方便地移植应用于实际工程组合导航系统中,收到了很好的效果。     

微惯性/卫星组合导航系统算法研究

微惯导系统(MINS)与卫星导航系统(GNSS)的结合不仅可以充分利用微惯导系统良好的短期性能和GNSS的长期稳定性,弥补MINS系统误差随时间积累和GNSS采样频率低、动态性能差的缺陷,而且使得组合导航系统的精度和动态能力同步提高,保证了系统在卫星信号受遮挡或失效的环境下仍能够以较高的精度自主运行一段时间,正常工作.采用星网宇达的产品采集真实数据进行了离线仿真,比较了多种滤波算法,实验证明,采用UKF取得的效果最好,EKF次之,KF最差.