捷联惯导系统的可观测性和可观测度研究

可观测性和可观测度分析是确定动态系统卡尔曼滤波效果的重要环节．本文首次提出了一种时变动态系统可观测性矩阵的奇异值分解分析方法，应用于捷联惯导系统初始对准过程中系统状态的可观测度分析取得显著效果，该方法为初始对准中载体最佳机动方案选择提供了依据．计算机仿真结果表明了该方法的有效性．     

捷联惯系统的可观测性和可观测度研究

可观测性和可观测度分析是确定动态系统卡尔曼滤波效果的重要环节，本文首次提出了一种时变动态系统可观测矩阵的奇异值分解分析方法，应用于捷联惯导系统初始对系统状态的可观测度分析取得显著效果。该方法为初始对准中载体最佳机机动方案选择提供了依据，计算机仿真结果表明了该方法的有效性     

基于北向陀螺零偏自观测的捷联惯性导航系统双位置初始对准方法

传统捷联惯性导航系统单位置初始对准系统不完全可观测,不可观测的东向陀螺零偏造成航向估计的主要误差。双位置初始对准可以改善系统的可观测性,但一般需要精确的转位机构,不便于工程应用。该文提出一种基于北向陀螺零偏自观测的双位置初始对准方法,只需陀螺载体在近似水平的任意两个位置停留片刻,从第1位置提取北向陀螺零偏信息传递给第2位置作为观测量,即可提高东向陀螺零偏的可观测度并提高航向对准精度。为了寻找最优转角,提出一种全面可观测度分析方法,将可观测度细分为表征不同条件下同一状态可观测程度的相对可观测度和表征状态收敛速度的可观测阶两部分,利用相对可观测度分析得出最佳转角为±90°,并进行了仿真实验验证。实测实验结果表明:相比于单位置对准,双位置对准将航向误差由0.268°降低到0.041°,并可估计出水平陀螺零偏。     

里程计组合的捷联惯导系统运动基座对准研究

研究利用里程计(DTU)辅助实现惯性导航系统(SINS)运动基座下初始对准.利用分段线性定常系统分析方法,提取了不同运动基座情况下SINS/DTU组合系统的可观测性矩阵;通过计算可观测性矩阵奇异值的大小,定量分析了SINS/DTU组合系统的可观测度;比较了SINS/DTU组合系统和SINS/GPS组合系统的对准机理;并进行了系统仿真.结果表明,这种基于SINS/DTU组合的方法能够实现SINS系统的自主式初始对准;但与SINS/GPS组合系统相比,系统的可观测度稍弱,所需对准时间稍长.     

机载战术武器传递对准可观测性分析

针对机载战术武器系统实际应用情况,选用游动方位作为导航坐标系,推导出了新的传递对准误差模型并合理简化.为了得出系统各状态量的可观测性与可观测度,采用基于分段线性定常系统(PWCS)理论的奇异值分解法,给出了游动方位系统处于传递对准时各状态变量的可观测度.分别计算了平动和转动两种不同情况下各状态变量的可观测度,计算结果表明:水平加速机动结束时方位失准角可观测度从1.7×10-20提高到1.4;绕Z轴转动机动时,游动方位角可观测度从2.4×10-13提高到5.0×10-4,水平加速度计误差可观测度提高到0.7.     

天基红外系统的干扰策略

天基红外系统（SBIRS）是一种监视、发现和跟踪敌方弹道导弹,进行早期报警的遥感类侦察卫星系统,其不仅具有导弹预警功能,还可从主动段、中段到再入段对导弹进行跟踪,并提供精确数据给反导弹打击系统实施打击。本文介绍了天基红外系统并简要的分析了其工作过程,对天基红外系统GPS应用设备干扰的可行性进行分析。     

惯导系统传递对准的可观测性分析

系统的可观测分析对卡尔曼滤波器的效果有较大影响。惯导系统的卡尔曼滤波模型在传递对准时,为线性时变系统,其可观测性分析比较困难。文中采用一种依据系统矩阵的奇异值确定状态可观测度的方法对两种快速传递对准的卡尔曼滤波模型进行可观测性分析,结果表明该方法简单有效,"速度+姿态"的可观测性更高。     

小天体探测序列图像自主相对导航系统可观测性分析

小天体探测对探索宇宙起源、解决地球资源问题具有重要意义,研发小天体探测器及实施小天体探测已成为各国未来发展的重点.受地面测控网指令时延的影响,小天体探测器需自主获取小天体的位置、速度信息,即具备自主相对导航的能力,基于序列图像的自主相对导航系统不仅可提供包含小天体运动信息的角度观测量,还具有低成本、低功耗的优点,是一种理想的小天体探测自主相对导航方法,是目前研究的热点.可观测性分析可评估导航系统的观测能力是研究导航系统的基础.本文针对小天体探测序列图像自主相对导航系统非线性带来的可观测性分析问题,基于微分几何理论,推导了系统0至2阶李导数,建立了系统可观测性矩阵,基于秩判据分析了典型小天体探测轨道流形下序列图像自主相对导航系统的局部弱可观测性.分析结果表明,仅依靠序列图像小天体探测器可完备估计小天体运动状态.此外,本文提出了序列图像自主相对导航系统的可观测度量化方法,并分析了相对轨道流形变化对可观测度的影响,相关结论可指导小天体探测器轨道设计,具有一定的工程实用价值.     

基于高/低轨监视平台的GEO卫星定轨精度比较

针对传统地基监视系统对地球同步轨道(GEO)卫星静地测量模式不利于获取其态势信息,而空间目标监视平台利用其快速轨道运动、增强观测几何强度和GEO卫星动力学模型的约束作用,有利于对GEO卫星环带的跟踪、监视和编目处理这一问题,分析了高、低轨平台与其观测模式,采用了数值微分法计算变分方程系数阵的定轨算法,统计了光学观测误差对定轨结果的影响.仿真计算表明,高、低轨平台对GEO卫星的定轨精度均在公里级,低轨平台对GEO卫星的定轨精度好于高轨监视平台,观测系统误差是定轨误差的主要来源.     

GEO空间慢旋目标天基监视受控绕飞轨道设计与仿真

为实现GEO空间慢旋目标特定面的连续观测,提出了一种天基监视受控绕飞轨道设计方法. 首先建立了目标、天基平台相对运动模型,研究了空间任意自旋轴下的期望相对轨道模型,设计了单周期受控绕飞模型和多周期螺旋接近受控绕飞模型,应用时间约束的多脉冲控制实现平台受控绕飞,仿真分析了不同绕飞半径、不同脉冲数、不同绕飞周期下的受控绕飞轨道,最后提出并验证了多周期螺旋接近受控绕飞策略. 结果表明,基于GEO空间自旋目标姿态变化的受控绕飞的相对轨道设计,能够实现目标特定面的连续指向观测,相关仿真结果和结论对实际工程应用具有一定的参考意义.      

捷联惯导系统多位置可观性分析

研究捷联惯性导航系统的可观性,寻找可观性最好时的载体姿态角.应用分段常值系统可观性理论和奇异值分解理论,讨论不同姿态捷联系统可观性矩阵奇异值的变化.仿真结果表明,系统可观性矩阵奇异值主要受载体航向角的影响,最小奇异值在180°时达到最大值,在0～90°变化最快,随俯仰角、横滚角变化较小.系统可观度取决于俯仰角,最佳范围为10～20°.从而为系统快速初始对准提供理论依据.     

SINS/OD/MM组合导航系统可观测性分析

通过对SINS/OD组合系统和SINS/MM组合系统的可观测性进行初步的定性分析。利用可观测分析的基本方法对SINS/MM/OD组合导航系统在不同机动条件下的可观测性进行了详细的分析。仿真结果表明:SINS/OD/MM组合导航系统的姿态、位置、速度均可观测;系统各状态可观测程度与载车行驶轨迹有很大关系。当载车做大的机动转弯时,能有效地提高系统方位误差角的可观测性。     

基于UKF光电被动目标跟踪及可观性分析

光电经纬仪在跟踪测量过程中经常会由于云层遮挡等原因,导致目标暂时丢失情形,采用数据融合技术是保证系统连续平稳跟踪的一种有效解决办法.由于在数据融合中需要估计目标的状态信息,面临着被动目标跟踪领域普遍存在的非线性估计与可观测性两大难题.采用传统的扩展卡尔曼滤波(EKF)算法会产生较大的估计误差,并易导致滤波发散.介绍无迹卡尔曼滤波器(unscented Kalman:Filter,UKF)来解决非线性估计问题,同时分析了光电经纬仪在实际目标跟踪时的可观测性问题,提出在不可观测条件下保持滤波稳定的方法.Monte-Carlo仿真结果证明此算法有效、可行.     

仅有角度测量跟踪问题中的中央差分算法改进

为解决仅有角度测量的目标跟踪系统初始误差大、可观性弱、精确实时跟踪困难等问题,研究了一种改进中央差分卡尔曼滤波算法。仿真结果表明,同传统估计方法相比,该算法精度高,收敛速度快,且计算量适中,易于在实战中实时跟踪。     

单信标测距AUV水下定位系统观测性分析

针对基于单信标测距的自主水下航行器(AUV)定位系统观测性问题,建立AUV三维空间运动学模型,选取实物平台常用的深度、偏航角和俯仰角作为基本观测量辅助距离信息进行水下定位,利用基于Lie导数的非线性系统观测性秩判据分析不同辅助测量值下系统的可观性以及控制输入和运动路径对可观性的影响。研究结果表明:满足定位系统可观测的最简量测组合为距离值和偏航角,含有偏航角的辅助量测组合均使得定位系统可观测,系统控制输入和运动路径的变化会导致可观性发生变化。     

Passive Target Tracking Based on Current Statistical Model

Bearing-only passive tracking is regarded as a nonlinear hard tracking problem. There are still no completely good solutions to this problem until now. Based on current statistical model, the novel solution to this problem utilizing particle filter （PF） and the unscented Kalman filter （UKF） is proposed. The new solution adopts data fusion from two observers to increase the observability of passive tracking. It applies the residual resampling step to reduce the degeneracy of PF and it introduces the Markov Chain Monte Carlo methods （MCMC） to reduce the effect of the “sample impoverish”. Based on current statistical model, the EKF, the UKF and particle filter with various proposal distributions are compared in the passive tracking experiments with two observers. The simulation results demonstrate the good performance of the proposed new filtering methods with the novel techniques.     

惯性/重力匹配组合导航系统可观测性研究

惯性/重力匹配组合导航系统的导航精度与重力场有很大关系.论文从局部可观测性出发,分析了重力场对该组合导航系统定位精度的影响,认为惯性/重力匹配组合导航系统的位置是局部可观测的,且定位精度受重力场的诸多综合因素的影响.     

一种快速三轴全方位光电跟踪策略

为了消除两轴光电跟踪系统的跟踪盲区,提出了一种存在冗余自由度的三轴光电跟踪系统.先运用四元数方法,建立三轴光电跟踪系统的运动学模型,然后在此基础上,应用极小范数最小二乘算法,设计出一种快速三轴全方位的光电跟踪策略.该跟踪策略针对方程系数求取Moore-Pen-rose广义逆矩阵,通过对三轴光电跟踪系统的运动方程进行三角变换,得到了三轴角增量组合的极小范数最小二乘解.仿真和实验结果表明,该跟踪策略不需要复杂的寻优过程,即可真正实现三轴联动全方位连续跟踪运动,与其他跟踪策略相比,该跟踪策略在跟踪运动过程中所需的各轴转动角度更小,因此跟踪性能更加优越.     

基于背景复杂度分析的智能跟踪器研究

传统基于图像处理的成像目标跟踪系统中,为了提高目标跟踪的可靠性,更多关注的是目标本身的特性,通过分析目标在不同阶段的成像特点,采用相应的算法进行自动提取与跟踪。由于不同目标提取算法在不同复杂程度的背景条件下具有明显的优劣性,实际跟踪过程中需要同时依据目标以及背景两方面的特性才能做出最合理的选择,然而,目前对于影响跟踪的背景特性研究却显得不足。针对这一问题,提出了一种基于结构相似度的背景复杂度判决方法,结合背景复杂度,完成了算法间的自动切换,实现了一个根据目标特性与背景特性的自适应实时多算法跟踪器。仿真测试与外场试验表明,该方法显著提高了对目标跟踪的可靠性。