低轨星座/惯导紧组合导航技术研究CSCD

现有低轨(LEO)卫星导航研究主要以低轨星座独立导航定位和增强全球卫星导航系统(GNSS)导航定位为主,对低轨卫星和惯性导航系统(INS)组合导航技术研究较少。本文面向应用较小规模低轨星座资源实现米级定位精度的需求,提出了一种低轨星座/惯导紧组合导航方法,系统性地分析了不同规模低轨星座、不同精度级别惯导器件以及不同导航信号播发频度下组合导航定位的性能,并利用构建的仿真试验系统进行了低轨星座/惯导紧组合导航方法的仿真试验验证。试验结果表明,相较于低轨星座独立导航,低轨星座/惯导紧组合导航在星座不满足四重覆盖时仍能达到米级定位精度,并且在低轨星座规模较小和导航信号播发频度较低时,惯导测量精度对组合导航定位精度影响明显。研究结果表明,在利用低轨卫星进行导航时,通过引入惯性观测辅助低轨卫星导航,可有效提高导航效能和精度,为低轨星座和导航信号播发方式设计带来更多的选择。     

捷联惯性制导系统的圆锥误差及其补偿

圆锥误差是捷联惯导系统,特别是激光陀螺捷联惯导系统重要的误差源,为提高激光捷联惯性系统的导航精度,防止姿态误差的积累,本文研究了圆锥补偿算法和圆锥补偿误差特性,给出了常用的8种圆锥补偿算法,针对激光陀螺惯组的实际应用背景,开展了弹道仿真研究,给出了圆锥误差对激光陀螺捷联惯导系统导航精度的影响和补偿修正的效果。     

制导工具误差对导弹射击精度的影响分析

探讨了影响导弹射击精度的主要工具误差系数偏差,建立了导弹惯测组合输出仿真和误差补偿仿真的数学模型。在标准弹道基础上将建立的仿真模型加入导航计算过程,建立了惯测组合工具误差的干扰道模型,并计算分析了不同射向,射程下的工具差系数偏差对导弹薄点的影响,为进一步研究减小制导工具误差的途径打下了基础。     

单轴旋转惯导系统误差特性分析

旋转调制技术能够抑制陀螺和加速度计的误差,提高惯性导航系统的导航精度。从捷联惯导系统的误差方程出发,推到出了单轴旋转惯导系统的误差传播方程,在此基础上分析了旋转调制的基本原理。分别对陀螺和加速度计常值偏差、标度因数误差、安装误差和转台安装误差等在旋转调制下的影响进行了研究,仿真分析了旋转调制提高系统导航精度的作用,最后在实验室条件下做静止导航实验进行了验证。研究的结果能为单轴旋转惯导系统的研究和开发提供一定的理论参考。     

惯导装置精度试验火箭橇弹道设计

以9km 火箭橇试验设施为基础, 就惯导装置精度试验所需的长时、大过载 弹道条件, 提出了一种火箭橇弹道的设计方法。建立了火箭橇主动段和刹车段运动方 程, 针对火箭发动机推力、气动力、摩擦力和刹车力等主要动力学因素, 结合工程经 验,提出了选取原则和方法。以某惯导装置精度试验为背景,设计了火箭橇试验弹道, 通过试验验证,设计结果与实测数据基本一致,满足总体要求,并对其中出现的主要误 差进行了分析和评估。该研究能够为惯导装置开展精度试验奠定良好的火箭橇弹道设计 基础。     

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。     

纯惯导中制导误差分析

针对洲际弹道导弹,在分析加速度计测量误差和陀螺漂移误差对导弹视加速度影响的基础上,给出了中制导段惯性系统对速度和位置的误差传递模型,对给定的惯组误差系数偏差进行了纯惯性导航制导误差计算。仿真结果表明,纯惯导中制导对洲际导弹落点精度影响比较大。该算法可用于纯惯性中制导方案设计。     

确定火箭发射场天文测量必要精度的方法

在火箭发射场的测量保障中,天文测量占有重要的位置。天文测量不仅为火箭系统的陀螺赋于方向基准,为弹道照相机提供定向依椐,而且为发射场测量座标系的转换提供天文-大地垂线偏差。但是,由于天文测量本身不可避免地存在着测量误差,它必然会按照一定的传播途径对方向基准和座标系的转换发生影响。因此,弄清这些影响的量级,并反过来对各种情况下天文测量的精度提出要求,是保证火箭试验中建立所需空间精度的工作之一。本文仅就发射场跟踪测量系统对天文测量提出的两个方面的要求——空间定向的要求和计算天文-大地垂线偏差的要求加以分析,并提供一种确定天文测量必要精度的方法。     

加表量化精度对惯导平台误差系数辨识的影响

通过采用加表的输出以及由离心机半径、角速度、角位置所确定的向心加速度输入作为观测量的辨识方法,结合惯导平台的误差模型,仿真分析了加表量化精度对惯导平台误差系数辨识结果的影响。结果表明,加表量化精度越高,惯导平台误差系数的辨识精度越高。     

基于对偶四元数的INS/GPS组合导航算法研究

在基于对偶四元数的捷联惯导解算方法的基础上,推导了以惯性系作为导航系的惯导误差方程,在此基础上设计了卡尔曼滤波组合导航算法。通过激光惯导跑车采集数据,进行了仿真分析,试验结果表明,该组合导航算法能有效的消除惯导累积的速度误差和位置误差,相比于目前广泛应用的INS/GPS组合导航算法,本文描述了INS/GPS组合导航的另一种实现方式,获得了相当的精度,具有一定的工程应用价值。     

基于动力学约束的实时弹道滑动处理方法

应用卫星短弧定轨理论,根据导弹运动特性建立被动段弹道动力学模型来约束其运动,研究了基于动力学约束的实时弹道滑动处理方法,能有效地提高弹道的定轨精度和稳定性。同时通过设计合理的累积窗口和滑动窗口宽度,可实现弹道处理近实时的快速计算。仿真结果表明,将该方法用于被动段实时弹道处理,其速度精度可提高1～2个量级,明显地克服了滤波定轨的收敛时间较长和单点定位精度较差的不足。     

平台惯性导航位置更新中的改进算法研究

平台惯导系统由于其精度高的优势,在成熟的军用武器和航天设备中仍占有较高比重。导航计算机的运算能力是影响平台惯导实时性和精度的重要因素。本文对比分析了单、双精度浮点处理器计算特性,研究了其对平台惯导导航计算精度的影响;在此基础上,为提高单精度浮点处理器下平台惯性导航精度,提出了将经纬度分解成全量、大量、小量进行运算的改进计算精度的方法,从导航计算原理角度推导了导航计算中经、纬度的改进计算方法。仿真结果表明：改进后的平台惯导计算算法在单精度浮点处理器下,可以在保证运算实时性的同时,有效提高平台惯导精度,水平定位精度提高两个数量级。     

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。     

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。     

空空导弹SINS飞行中对准技术

针对空空导弹捷联惯导系统传递对准的精度和快速性之间的矛盾,设计一种利用弹载北斗卫星导航信息的捷联惯导系统飞行中对准算法,详细推导了惯性系下基于北斗卫星伪距/伪距率的飞行中对准模型,优化了飞行中对准的量测方程,对北斗卫星接收机的钟差和钟漂进行了降维处理.相应的数学仿真试验结果表明,所提算法能够在飞行过程中实现捷联惯导系统的初始对准,在10s内对准精度优于6',同时该算法通过在线标定惯性传感器随机启动误差,能够提高捷联惯导系统导航精度和导弹系统抗干扰能力.     

ADOP可观测性分析方法在旋转式惯导初始对准中的应用

针对旋转式惯导系统多位置初始对准可观测性的问题,对可应用于初始对准方案选择的姿态精度因子(ADOP)可观测性分析方法进行了研究.以惯导初始对准33维状态误差方程为研究对象,分析ADOP方法在旋转式惯导初始对准的转动顺序、停留时间及模型降阶方面的应用.理论分析和仿真结果均表明该方法控制灵活、直观有效,能够为旋转式惯导初始对准应用中最佳方案选择提供依据.     

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。     

惯性导航系统标定滤波方法研究

捷联惯导系统标定技术对提高导航精度十分必要,而惯性导航系统标定选择的滤波方法直接影响到标定的精度。本文对不同状态的滤波估计方法进行了理论分析,利用不同标定仿真环境下所采用的卡尔曼滤波及其他滤波方法,对惯性器件误差及安装误差进行了估计,并通过仿真分析比较了惯性导航标定中各种滤波算法的特点及适用范围,得出了算法的应用建议,对惯导误差模型标定具有一定的工程指导意义。     

高动态环境下惯导高阶姿态算法研究

为满足高超声速飞行器的高动态特性对捷联惯性导航系统的导航精度提出的更高要求,在分析高超声速飞行器高动态运动频谱特性的基础上,研究了高动态环境下的捷联惯导高阶姿态积分算法。通过高超声速飞行器运动特性仿真,对比分析了不同阶次姿态积分算法对捷联惯性导航系统精度的影响。仿真结果表明,在高动态环境下,采用高阶姿态积分算法能有效提高捷联惯导导航精度。     

基于地标信息的车载惯导姿态修正技术

惯导与速率计构成的组合系统是机动作战车辆较常使用的自主定位定向系统,其惯导姿态精度将直接影响组合定位精度。文章利用车辆运动途中的地标信息,讨论了车载惯导姿态误差估计与修正技术,通过仿真分析了地标位置与车辆零速信息在惯导姿态修正过程中的作用。结果表明：利用地标信息是进行车载惯导姿态修正较为实用的途径,在此基础上可以有效提高车载惯导／速率计组合定位系统的精度。