船用捷联式惯性导航仿真系统设计及研究

针对船用捷联式惯性导航系统长时间工作后,精度明显下降,不能满足导航需求的问题,设计了一种模块化的船用捷联式惯性导航仿真系统,并进行了仿真研究。将船用捷联惯导设计为四个模块,分别为轨迹仿真模块、惯性器件仿真模块、导航解算模块和误差分析模块。利用建立的模型,仿真分析捷联式惯性导航系统姿态角、速度和位置误差的主要特性,研究天向速度的发散对东向和北向速度误差的影响,探究初始对准误差对导航精度的影响。结果表明,仿真系统可以很好的模拟舰船捷联式惯性导航系统的初始对准和导航过程;天向速度的发散和初始对准的精度都会直接影响导航精度。因此,在舰船长时间航行时,必须提高初始对准精度且引入阻尼系统,以减小船用捷联式惯性导航系统的导航误差。     

某型捷联惯导系统标定方法研究

该文介绍了某型捷联惯导系统的几种标定方法,根据目前捷联惯导系统标定存在的一些问题,如标定精度分析技术不深入,综合仿真验证技术手段不够等,需要探索新的标定方法来解决。该文先采用对捷联惯性导航核心元件进行系统误差建模,主要研究了传统分立标定方法、系统级标定方法和加速度敏感项标定方法对误差和精度的影响;对船用捷联惯性导航系统的标定精度进行验证时,采用由半实物仿真综合验证技术构建的仿真环境模拟摇摆运动,可实现船用捷联惯导系统的自动化标定,确保系统提供准确导航精度,达到预期研究目标。     

UKF和UPF在惯导初始对准中的应用研究对比

捷联惯性导航系统是新型航位推算系统,在惯导系统执行工作任务之前需要进行初始对准,以保证系统的正常运行。对捷联式惯导系统,初始对准就是确定初始时刻的姿态阵,利用惯性元件的输出信息,选用合适的滤波方法,将计算的导航坐标系与真实导航坐标系的失准角估计出来,来修正姿态矩阵,使计算坐标系与真实坐标系尽可能重合。在实际的导航系统中,状态方程和量测方程通常都是非线性的,对于非线性特性,传统的解决方法是利用EKF滤波算法,但它只适用于弱非线性模型的估计,系统的非线性越强,引起的估计误差就越大,甚至会引起滤波发散。为此提出两种滤波算法UKF与UPF,并将两者进行了仿真对比,结果表明UPF算法比UKF算法收敛速度更快,估计精度更高。     

船用捷联惯性导航系统初始对准的最优化设计

研究了对船用捷联惯性导航系统的初始对准问题，在船舶晃动的情况下，可采用鲁棒状态估计器对失准角进行估计，并利用状态估值对系统的误差进行补偿，仿真结果证明了新型滤波器对于克服船舶晃动干扰具有良好效果。     

一种新的捷联惯导系统动基座对准中的可观测性分析法

以惯性坐标系为导航坐标系,建立了捷联惯性导航系统动基座对准的误差模型.利用分段定常系统可观测性分析方法对系统动基座对准时的可观测性进行了全面分析,定性地得出了载体不同运动对系统可观测性的影响.分析结果表明,在动基座对准过程中,不同于传统的以地理坐标系为导航坐标系,惯性坐标系具有简化分析过程、利于定轨等优点,且无论载体是线运动还是角运动,在一定条件下都能提高系统的可观测性,进而提高卡尔曼滤波器的估计精度和速度.在以惯性坐标系为导航坐标系的捷联惯性导航系统动基座对准过程中,采用卡尔曼滤波方法,基于具体试验数据,对失准角进行了估计,给出了仿真曲线,验证了分析结论.     

无迹卡尔曼滤波和无迹粒子滤波在惯导初始对准中的应用对比

捷联惯性导航系统是新型航位推算系统,在惯导系统执行工作任务之前需要进行初始对准,以保证系统的正常运行。对捷联式惯导系统,初始对准就是确定初始时刻的姿态阵,利用惯性元件的输出信息,选用合适的滤波方法,将计算的导航坐标系与真实导航坐标系的失准角估计出来,来修正姿态矩阵,使计算坐标系与真实坐标系尽可能重合。在实际的导航系统中,状态方程和量测方程通常都是非线性的,对于非线性特性,传统的解决方法是利用EKF滤波算法,但它只适用于弱非线性模型的估计,系统的非线性越强,引起的估计误差就越大,甚至会引起滤波发散。为此提出两种滤波算法无迹卡尔曼滤波UKF与无迹粒子滤波UPF,并将两者进行了仿真对比,结果表明(UPF)算法比(UKF)算法收敛速度更快,估计精度更高。     

交互式地图匹配算法在组合导航中的应用

针对捷联惯性导航系统（SINS）/里程仪组合导航中车辆受初始对准偏差和测量器件自身误差等因素影响的精度随时间和位移增加而降低的问题,设计了交互式电子地图匹配修正新方案.通过车辆姿态角变化选择合适的地图匹配算法,并在转弯处精确反馈修正车辆坐标,同时利用定位误差修正初始对准偏差和里程仪刻度系数误差,降低其对以后导航定位的影响.仿真结果表明,采用交互式电子地图匹配算法,航向失准角偏差可很快收敛至2′左右,里程仪刻度系数偏差也降低至0.08%左右,能够实现系统的需要,跑车实验也证明了此方案的有效性.
     

基于非线性滤波的捷联惯导系统罗经法对准改进算法

为提高捷联惯导系统初始对准的快速性和精确性,根据传统的平台惯导系统罗经法对准原理,提出包括水平对准和方位对准的捷联式罗经对准算法.给出了导航坐标系下加速度和角速率的修正值,经过姿态矩阵的转换对载体坐标系下的惯性测量组件输出值进行修正补偿.对不同初始姿态角误差和不同初始航向角的仿真表明,初始航向角的改变对系统影响较大,特别在大方位失准角情况下.采用UKF算法对非线性模型滤波的仿真结果显示,最大航向角误差从15′降至6′,证明将罗经法和UKF滤波方法相结合进行捷联系统初始对准是可行有效的.     

四阶龙格库塔法在激光陀螺捷联惯性导航系统中的应用

在激光捷联惯性导航系统中,应用四阶龙格库塔法求解载体速度增量,有效地解决了载体转动过程中三轴陀螺角速度变化对速度的影响,通过与三轴加速度计实测的X,Y,Z方向的加速度叠加,大大减少了导航中速度的累积误差,保证了捷联惯性导航系统在地理坐标系东北天中实时测量载体的三轴运动速度,以及载体航向、横滚、俯仰的快速实时输出,提高了纯惯性导航系统姿态精度和定位精度.动静态寻北、导航实验及捆绑载体测量其姿态跟踪性能的测试结果表明,寻北精度CEP小于0.5密位,横滚、俯仰精度误差小于0.3密位,里程计组合导航精度误差小于1‰.     

对偶四元数捷联惯性导航系统初始对准方法

采用对偶四元数将捷联惯性导航系统坐标系间的转动和平移统一考虑,以降低初始对准的模型复杂度和计算复杂性.给出了对偶四元数捷联惯性导航系统初始对准过程的粗对准模型,在此基础上,分别获得了基于加性和乘性对偶四元数误差的精对准模型.以航向角估计为例进行仿真分析,结果表明,采用该方法的收敛速度比传统方法加快了约40%,对准精度提高约0.01°.     

光纤陀螺标定误差对舰船捷联惯导系统的影响

为降低船用光纤陀螺标定误差对捷联惯导系统的影响,有针对性地提高光纤陀螺各标定参数的精度,采用将光纤陀螺标度因数误差、安装误差和零位误差进行分离的方法,推导出光纤陀螺三种标定误差与舰船角速率误差之间的函数关系,将其分别代入舰船捷联惯导系统姿态误差方程进行误差分析.并将舰船摇摆运动下的导航误差与静止下的导航误差进行比较.研究结果表明:光纤陀螺零位误差等效于光纤陀螺漂移,舰船摇摆运动会激励光纤陀螺标度因数误差和安装误差的标定误差对系统的影响.     

捷联式光纤陀螺罗经系统误差分析

对采用光纤陀螺的捷联式罗经系统进行了研究.提出了使用惯性组件旋转调制技术提高光纤陀螺捷联式罗经系统精度的方法,分析了罗经系统的误差特性.针对旋转组件的误差,在系统初始对准过程中,应用限定记忆的Kalman滤波进行状态估计,提高了对准精度.静止基座的初始对准仿真结果表明,航向失准角估计误差均方差为0.159°.     

一种基于动态规划理论的捷联惯导系统初始对准方法

以陆地导航为背景,研究动态规划理论在捷联惯导系统初始对准中的应用.采用闭环控制方法,选择惯性导航的误差状态作为系统反馈,用动态规划理论优化控制策略,论述了系统在二次型性能指标下,如何从动态规划理论出发,寻找实现对准策略.     

GPS失效下的无人机组合导航系统

针对电力巡线无人机GPS失效下的导航问题,鉴于单一的惯性导航系统导航精度不高及高度通道发散的缺陷,利用电力巡线无人机必须配备的CCD高清相机构成单目视觉系统,组成基于单目视觉系统、气压高度计辅助的捷联惯性导航系统。系统通过事先设定的定位点信息修正导航系统的导航参数。文中给出了系统总体设计方案,建立了包括元件误差模型在内的组合导航系统模型,并进行组合导航与SINS导航对比的数值仿真。仿真结果表明,组合导航系统具有较好的容错性能,其导航精度和可靠性均有提高。     

R-T-S平滑算法在捷联惯性异航系统初始对准精度事后评估中的应用

捷联惯性导航系统(SINS)通常采用Kalman滤波实现初始对准．由于R-T-S最优固定区间平滑算法的精度比Kalman滤波高，采用R-T-S最优平滑算法通过事后处理SINS对准数据来计算SINS的失准角，作为参考失准角，对SINS初始对准的精度进行事后评估．以船用SINS为例进行了仿真．结果表明，R-T-S最优平滑算法的精度比Kalman滤波精度高，从而说明利用R-T-S平滑算法对SINS初始对准精度进行事后评估是可行的．     

一种抗基座扰动的捷联惯导系统初始对准方法

将自抗扰控制技术应用于捷联惯导系统的初始对准中,提出了一种抗基座扰动的初始对准新方法. 建立了系统的误差模型,深入研究了该对准方法的精度和速度. 计算机仿真和实际系统试验结果均表明,与传统的Kalman滤波精对准方法相比,该方法对扰动具有很好的跟踪作用,是一种应用在捷联惯导系统中的理想对准方案.     

弹道修正引信滚转角未知条件下MIMU快速初始对准方法

针对基于双旋结构的二维弹道修正引信及所配用弹药发射后修正引信滚转角不确定的问题,提出采用BP神经网络快速确定修正引信滚转角范围进行粗对准,进而利用卫星导航信息辅助惯性导航系统进行快速初始对准的方法. 该方法利用修正引信滚转角误差与惯性导航解算速度误差之间的关系建立神经网络模型,并通过仿真生成不同工况的弹道数据对神经网络进行训练. 针对某旋转弹弹道进行仿真,结果表明,使用中等精度微惯性测量组合,粗对准过程中修正引信滚转角误差估计值小于20°,精对准过程中姿态误差角在弹丸发射后40 s内收敛到0.4°以内.      

基于熵和ICCP的多级地磁辅助惯性导航算法研究

惯性导航技术是一种完全自主的导航技术,为了解决惯性导航定位误差随时间积累不断增加的问题,采取地磁导航的方式来修正惯性导航的误差。研究地磁信息的熵算法和ICCP算法,利用熵算法具有剔除离散点、野值点,并且抗基准误差能力强和ICCP算法具有匹配精度较高,匹配结果较稳定的优点,提出一种将熵算法和改进的ICCP算法融合的新算法,以实现粗精结合多级匹配。仿真结果表明,该算法能够取得了很好的匹配效果,在一定程度上修正惯导误差,抑制惯性导航定位误差的发散,提高整个导航的精度,实现惯性导航长时间工作。     

一种基于相关特性的低精度IMU初始方位角对准方法研究

为降低陀螺制造成本，本文针对只需定向而对定位精度要求不高的捷联惯性导航系统，提出了一种两位置对准改进优化方法。该方法基于对准误差与水平X、Y轴陀螺随机噪声在东向投影的相关性，且与惯性导航设备所处的方位角有关的原理，通过在精对准时将惯性测量单元（IMU）转到0°和18 0°，降低Y、Z轴的陀螺精度对初始对准精度的影响，从而实现以较低精度陀螺完成精确初始对准的目的。最终进行了相关仿真试验和实物测试，结果表明，本文提出的方法在Y、Z轴陀螺精度降低50%时，仍能保持初始对准精度不变，进一步验证了本文所提方法的有效性。     

移动机器人的嵌入式控制系统

基于ARM处理器和MEMS器件设计了移动焊接机器人控制和导航定位系统,给出了陀螺仪、加速度计外围电路和相应AD采集模块设计方法,以及捷联式惯性导航系统位置和姿态解算方法.仿真实验结果表明,该导航定位系统能正确给出移动焊接机器人的位置、姿态信息.