Fast alignment and calibration algorithms for inertial navigation system

Algorithms for fast estimating the azimuth misalignment angle and calibrating gyro drift rates are approached from the point of view of control theory. By introducing the Lyapunov transformation, the equivalence of Strapdown Inertial Navigation System (SINS) and Gimbaled Inertial Navigation System (GINS) is discussed, and it shows that the analysis results of GINS can be applied to SINS directly by using such kind of equivalence. A similar transformation that based on physical essence is introduced, so that the true states can be replaced by the so-called pseudo-states, and then the observable states of INS can be dynamically decoupled with the unobservable states. Consequently, the best completely observable subsystem model of INS can be obtained. Based on the simplified subsystem model of INS, the algorithms for fast estimating the azimuth misalignment angle and calibrating gyro drift rates are proposed. The proposed algorithms show that the azimuth misalignment angle and gyro drift rates can be estimated from the rates of leveling misalignment angles without using the gyro output signals.     

机载共形阵天线阵列信号处理的关键技术分析

机载共形阵是机载有源相控阵天线发展的下一个目标。共形阵天线的阵元具有不同的方向性,空间分辨率算法必须考虑来波的极化问题。本文研究了空间信号波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计算法的现状,分析了一种适用于共形阵天线空域自适应波束形成的高速滤波算法。     

MEMS陀螺仪随机漂移仿真和试验

为了提高使用精度,研究了某微机电系统(MEMS,Micro Electro Mechanical System)陀螺仪的随机漂移模型.应用时间序列分析方法对经过预处理的陀螺仪量测数据进行建模,提出采用状态扩增法设计Kalman滤波器.进行速率试验和摇摆试验,验证了在静态和恒定角速率条件下,滤波后的误差均值和标准差分别为滤波前的55%和12%.针对在摇摆运动时随着振幅的增加滤波效果下降的问题,设计了自适应Kalman滤波器,分析了衰减因子的选取原则.仿真结果表明:常值衰减因子法和自适应衰减因子法都能显著改善摇摆运动时的滤波效果,而自适应衰减因子法的精度更高.     

一种新颖的微型化收发一体模块

光纤陀螺精度受温度、振动的影响较大.在分析了输入通道混偏型方案和全保偏型方案的局限性基础上,设计了一种微型化收发一体模块,将超辐射发光二极管光源、半透半反玻片、准直透镜、自聚焦透镜、PIN探测器和场效应晶体管电路集成在一起,采用系统内集成封装技术,封装内部抽真空.光在真空传播不产生双折射,因此避免了温度变化、振动等原因对系统精度和可靠性的影响,从而提高了光纤陀螺的整体性能.用光束扫描仪对Superlum公司生产的SLD-57-HP型光源建模,根据高斯光束的特性设计了光学系统,分析了菲涅尔反射损耗对其的影响,并用Zemax软件进行了仿真,其耦合效率为38.98%,远优于目前20%左右的耦合效率.     

旋转式SINS的自标校技术研究

惯性器件常值及慢变误差是影响捷联惯导系统精度的主要因素之一,所以在捷联惯导系统出厂前需要对常值及慢变误差参数进行标定。但这些误差参数会随时间发生变化,对于高精度捷联惯导系统,每次启动后需要对惯性器件的误差参数进行重新标校。针对光纤惯导系统,建立了IMU误差模型,并根据提出的旋转式捷联惯导系统自标校转位方案原则设计出了一种8位置自标校方案,对惯性器件标定参数进行激励和辨识,并建立了Kalman滤波状态方程及量测方程,对惯导系统误差参数进行在线标定。实验结果表明,该方案对其惯性器件误差参数能进行准确估计,具有一定的参考价值。     

一种基于动态挠曲误差估计的“速度+姿态”传递对准方法

为了保证传递对准信息的可靠性及准确性,航姿基准一般安装在舰载武器的附近,离舰艇主基准距离较远,舰艇的挠曲变形对主基准、航姿基准之间的传递对准影响不可忽略。通过将动态挠曲变形模型的相关变量引入到传递对准状态方程中,从而降低动态挠曲变形对传递对准精度的影响。仿真结果表明,该方法有效降低了动态挠曲变形对传递对准精度的影响,满足传递对准的高精度和快速性要求。     

一种基于卡尔曼滤波的定位解算性能评估新方法

对基于卡尔曼滤波的定位解算性能进行评估是提高卫星导航系统性能的有效途径。而传统的评估方法受人为主观性因素影响较大,提出了一种对数最小二乘模糊层次分析(FAHP)方法和模糊综合评价(FCE)方法相结合的性能评估方法。推导了模糊权重向量的唯一性确定条件,并将对数最小二乘FAHP方法确定的模糊权重向量去模糊化,使得权重向量可直接利用FCE方法进行加权综合,形成优势互补。以基于卡尔曼滤波的定位解算性能评估为实例,通过比较分析表明,所提出的对数最小二乘FAHP-FCE评估方法计算得到的权重向量优于基于程度分析的FAHP方法和基于先验规则挖掘的FAHP方法,使其更适合于对基于卡尔曼滤波的定位解算算法进行性能评估。     

Hierarchical Bayesian modeling of ionospheric TEC disturbances as non-stationary processes

We model regular and irregular variation of ionospheric total electron content as stationary and non-stationary processes, respectively. We apply the method developed to SCINDA GPS data set observed at Bahir Dar, Ethiopia $\left(11.6°\text{N,}37.4°\text{E}\right)$. We use hierarchical Bayesian inversion with Gaussian Markov random process priors, and we model the prior parameters in the hyperprior. We use Matérn priors via stochastic partial differential equations, and use scaled $\text{Inv}-{\chi }^2$ hyperpriors for the hyperparameters. For drawing posterior estimates, we use Markov Chain Monte Carlo methods: Gibbs sampling and Metropolis-within-Gibbs for parameter and hyperparameter estimations, respectively. This allows us to quantify model parameter estimation uncertainties as well. We demonstrate the applicability of the method proposed using a synthetic test case. Finally, we apply the method to real GPS data set, which we decompose to regular and irregular variation components. The result shows that the approach can be used as an accurate ionospheric disturbance characterization technique that quantifies the total electron content variability with corresponding error uncertainties.     

超流体陀螺相位波动噪声自适应抵消系统分析

针对超流体陀螺相位波动噪声影响陀螺角速度检测精度的问题,提出了一种基于递推最小二乘（RLS）算法的陀螺自适应噪声抵消系统。首先,建立了超流体陀螺的相位检测模型,得到了陀螺输出薄膜幅值和相位的关系。其次,考虑热运动的影响,建立了相位波动噪声的等效输入角速度模型,探索了陀螺参数对角速度噪声的影响,得到了陀螺角速度噪声幅值范围。在此基础上,考虑该角速度噪声与输入角速度的互不相关性,将超流体陀螺薄膜幅值解算输出的混合角速度信息作为抵消系统的期望输入,将相位波动噪声引起的角速度噪声作为RLS自适应滤波器的参考输入,通过自适应调节参数使得RLS自适应滤波器的输出与混合角速度信息的噪声部分相抵消。通过与最小均方（LMS）算法仿真对比表明,在大角速度、大噪声情况下,该抵消系统能够有效消除陀螺混合角速度信息中的噪声成分,且具有较快的收敛速度和较好的稳定性。