摇摆基座下捷联系统快速初始对准研究

针对舰船摇摆状态下无法从陀螺仪输出中提取地球自转角速度信息这一问题,提出基于惯性系改进的粗对准方法.该方法通过建立惯导系统初始捷联矩阵隔离载体摇摆运动以保征失准角为小角度.为了满足舰船对准快速性的需求,提出了一种惯导数据循环使用的卡尔曼滤波精对准方法.系泊状态下的半实物仿真结果表明:采用惯导数据循环使用的系泊对准方法可以达到对准精度要求的同时缩短对准时间,验证了该方法的有效性.     

船用捷联惯导系统运动中对准的UKF设计

针对海况恶劣船体大幅晃动,捷联惯导系统无法快速完成自主初始对准的问题,给出了大方位失准角情况下捷联惯导系统的非线性误差方程,采用UKF方法来解决GPS辅助船用捷联惯导的运动中对准问题。仿真结果表明,该方法仅需60 s即可完成初始对准,并且水平对准精度达1′,方位对准精度达6′。与传统的EKF非线性滤波方法相比,采用UKF来实现船用捷联惯导系统运动中对准,不仅无需计算复杂的Jcobian矩阵,而且精度更高。     

基于多观测量的舰载惯导传递对准精度评估方法

针对传递对准精度评估采用差分GPS作为基准量存在对载体机动特性要求高的问题,以舰载惯导传递对准精度评估为研究对象,引入差分GPS速度、位置和舰载主惯导姿态为参考信息;以捷联惯导系统误差方程为基础,推导了状态方程和量测方程;设计了基于固定点的卡尔曼平滑算法;考虑不同主惯导姿态误差条件情况,与传统的传递对准精度评估方法的评估效果进行了比对仿真分析,给出了分析结论。仿真结果表明,基于多观测量的精度评估方法仅通过舰船的摇摆运动,能实现对舰载惯导姿态误差的有效估计。     

#br# 舰船捷联惯导传递对准的改进自适应滤波算法

针对舰船捷联惯导传递对准性能受系统动态模型和噪声统计特性影响的问题,提出了一种基于改进自适应滤波的“速度+姿态”传递对准算法。针对噪声矩阵半正定性问题而导致的滤波发散,对自适应滤波噪声矩阵的迭代算式进行了改进,并基于协方差匹配技术给出了滤波发散的抑制策略。考虑到舰船航行中的载体变形影响动态模型的问题,在状态量中加入了安装误差角和挠曲变形角,并在算法中进行了补偿。仿真结果表明,改进算法可以在100 s之内有效地估计出姿态失准角和安装误差角,完成舰船捷联惯导的快速传递对准。     

捷联惯导连续旋转方位轴式初始对准研究

针对捷联惯导系统初始对准时可观测性差的缺点,提出了一种提高系统状态变量可观测度的新方法。该方法通过连续旋转方位轴来等效地变换捷联惯导系统误差模型中的系统矩阵,从而提高了初始对准过程中的可观测度,满足了初始对准过程中对精度和速度的要求。分析了连续旋转方位轴式对准时系统的可观测性,并对不同方式下的捷联惯导初始对准过程中系统状态的可观测度进行了对比研究,指出采用连续旋转方式时系统状态的可观测度最高。仿真验证结果表明,连续旋转方位轴式初始对准对姿态误差角的估计精度较二、三位置方法提高了一倍。     

基于惯性参考系线性滤波传递对准方法

提出一种机载武器捷联惯导系统任意失准角情况下的传递对准方法。该方法以两个相对惯性空间指向不变的坐标系为基础,将姿态四元数分解为可由子惯导陀螺仪输出计算的四元数、可由主惯导传递的信息计算的四元数以及需要估计的常值四元数。对比力方程进行数学变换,得到了线性量测方程。建立了任意失准角情况下的线性传递对准模型。设计了一种自适应卡尔曼滤波算法以解决观测噪声方差阵难以精确计算的问题。仿真结果表明,该方法在任意失准角情况下都能得到较高的对准精度,为机载武器捷联惯导系统提供了一种有效的传递对准方法。     

一种四元数更新算法的推导及仿真研究

在捷联惯导系统中，可以四元数表示姿态矩阵，而姿态矩阵的计算是捷联惯导系统的关键问题之一，本文引入四元数三阶泰勒展开递推式作为四元数的更新算法，着重进行了公式的推导。并对某陆地捷联惯导系统的实际测量数据进行了仿真，仿真结果表明该算法的有效性。     

基于单轴转动的捷联系统粗对准技术研究

阐述了基于单轴旋转的捷联惯导系统误差抑制原理。针对旋转捷联惯导系统的粗对准问题,对比分析了解析法和惯性系粗对准法的本质区别与适用范围,利用惯性系对准过程是动态过程这一性质,提出在旋转捷联惯导系统中引入惯性系粗对准法,并进行理论推导与分析。〖JP2〗在三轴摇摆运动形式下,对单轴旋转捷联惯导系统的粗对准过程进行仿真分析,并与不旋转时的粗对准结果相对比。结果表明,惯性系粗对准过程中,惯性测量单元(inertial measurement unit, IMU)的转动调制了惯性器件常值偏差,有效地提高了旋转捷联系统的粗对准精度     

一种适用于SINS动基座初始对准的新算法

在运载体运动情况下,提出了一种适用于捷联惯导系统(SINS)初始对准的新算法,该算法以惯性空间为过渡参考基准,即建立了初始时刻惯性坐标系(i₀系)和初始时刻捷联惯组惯性坐标系(i_b0系)两个惯性坐标系。将捷联惯组坐标系(b系)与导航坐标系(n系)之间的初始对准姿态矩阵的实现分解为三步骤:(1)通过地理位置和初始对准时间求解i₀系至n系的变换矩阵;(2)通过惯导比力方程变形,引入测速仪速度辅助,求解从i_b0系至i₀系的常值变换矩阵;(3)使用姿态更新算法实时计算b相对于i_b0系的变换矩阵。最后,载车运动环境下的初始对准试验结果表明航向角对准精度达到了0.1°(1σ)。     

捷联惯导行进间对准位置更新与误差分析

针对车载捷联惯导行进间初始对准抗干扰能力差、自主测速设备难以获取位置信息的问题，提出一种基于位置更新的行进间惯性系对准算法，并分析位置误差影响。利用惯性凝固思想建立了行进间惯性系双矢量和多矢量对准模型，提出了一种行进间对准位置更新算法，即由自主测速设备获得的载体速度可解算出量测矢量，进而通过姿态变换和积分迭代可以得到地理位置信息，同时分析位置误差对惯性系对准的影响。通过实验验证，相比于惯性系双矢量对准，多矢量对准方法更加充分利用了量测矢量信息，抗干扰能力强；位置误差将引入行进间对准误差，采用位置更新算法能够得到更高的行进间对准精度，还可在初始对准结束时刻为后续导航提供位置信息。     

#br# 基于降维CKF和平滑的SINS/OD动基座对准

为了提高捷联惯导(strapdown inertial navigation system, SINS)/里程计(odometer, OD)动基座对准精度,使对准过程中具备一定精度的位置导航能力,提出了一种动基座非线性对准方法。首先对非线性系统进行简化并应用降维容积卡尔曼滤波(reduced dimension cubature Kalman filter,RD-CKF)进行非线性对准,保证非线性对准过程中能够进行位置导航,对准结束时保证失准角为小角度。然后非线性R-T-S平滑至初始时刻进行校正,利用卡尔曼滤波再次对准,获得对准结束时刻高精度的姿态和位置导航。进行了实车实验,实验结果表明了方案的有效性。     

基于里程计辅助的SINS动基座初始对准方法

为了满足车载武器的捷联惯导系统（strapdown inertial navigation system,SINS）动基座初始对准中对辅助信息自主性的要求,提出了基于里程计辅助的SINS动基座初始对准;针对车载SINS在行驶过程中,地面的不平坦、阵风以及人为操作等因素引起的载体姿态变化,文中利用姿态更新来实时记录载体在各种因素干扰下的姿态变化,结合初始姿态的最优估计值得到载体导航前的姿态,真正地实现了导航前一刻的初始对准。仿真结果表明,基于里程计辅助的SINS动基座初始对准方法对准精度高,收敛速度快,能够实现车载武器系统的动基座对准要求。     

基于惯性参考系的动基座初始对准与定位导航

以惯性坐标系作为捷联惯导解算参考基准并综合外测速度辅助信息,可有效隔离载体角运动和线运动干扰的影响,实现捷联惯导系统（strapdown inertial navigation system, SINS）动基座初始对准。但现有算法的对准精度受载体位移影响,通过位移补偿降低重力矢量在惯性系投影的偏斜误差,同时给出了基于惯性参考基准的SINS定位方法,提高SINS动基座初始对准精度,并且具备对准过程中进行实时定位导航的能力。车载实测数据分析表明,动基座方位对准精度达到0.032°,相对定位精度约为行程的0.15%。     

旋转捷联惯导抗晃动对准方法

为了提高传统车载捷联惯导在晃动基座下短时间内对准精度和抗干扰能力,提出一种基于惯性系多矢量粗对准与旋转调制最优估计精对准相结合的初始对准方法。阐述惯性系对准原理,对比分析惯性系双矢量和多矢量对准特点,建立最优估计精对准滤波模型,研究旋转调制误差抑制机理。通过仿真实验验证:惯性系对准能够克服基座角晃动影响,受线振动干扰影响较大,惯性系多矢量相比双矢量对准更加充分利用量测矢量信息,对准性能更好;旋转调制能够抑制水平器件误差影响,相比单位置对准能够得到更高的对准精度。     

5阶CKF在捷联惯导非线性对准中的应用研究

为了提高动基座下车载捷联惯导系统(strapdown inertial navigation system, SINS)的初始对准精度和缩短对准时间,在不进行粗对准的前提下,利用5阶容积卡尔曼滤波(cubature Kalman filter, CKF)完成非线性对准。针对3阶CKF滤波精度不高、5阶高斯厄密特滤波器计算量过大的问题,基于多项式逼近的思想详细推导了5阶球面径向容积规则,继而提出了5阶CKF并分析了该算法的滤波精度、采样量和数值稳定性,利用奇异值分解代替Cholesky分解来增强滤波稳定性。实验结果表明,该方法能够有效完成大失准角下的非线性对准,精度高于3阶CKF。     

基于改进四元数阻尼误差模型的SINS初始对准算法

针对传统捷联惯导系统(strapdown inertial navigation system, SINS)四元数非线性误差模型存在坐标系不一致的问题, 对姿态误差模型和速度误差模型进行改进, 将误差矢量统一投影至计算导航坐标系下。此外, 引入全球定位系统阻尼信息, 在阻尼SINS解算基础上, 结合四元数无迹估计器提出了一种改进四元数阻尼误差模型对准算法, 可应用于系泊状态下的SINS初始对准。仿真和车载试验结果表明, 在不同的大失准角下, 该改进算法相比传统四元数阻尼误差模型对准算法和欧拉角阻尼误差模型对准算法, 具有更好的对准精度、收敛速度以及稳定性。