一种冗余配置的MEMS单轴旋转式惯导系统设计

针对载体运动削弱旋转调制效果这一问题,提出了一种在旋转轴向冗余配置一枚与载体捷联的轴向陀螺,利用其敏感信息为电机提供反旋信息,从而隔离载体轴向运动的方法。利用中低精度MEMS器件,从惯性测量系统结构入手,突破传统旋转调制系统结构限制,设计了可自由旋转的单轴旋转式微惯导系统,并且解决了数据不同步的问题,实现了MIMU的自由旋转,补偿了系统安装误差角,进行了静态与动态导航试验,结果表明,该系统可有效实现旋转调制,在减小微惯导系统测量误差的同时,为后续深入开展旋转调制研究工作提供了硬件基础,具有一定的工程应用价值。     

MEMS器件捷联惯导系统旋转调制技术

使用微机电(MEMS)惯性器件利于捷联惯导系统的低成本和小型化,但MEMS器件误差较大.为提高系统精度,引入了一种全自主误差补偿方法——旋转调制.说明了旋转调制对常值误差的抑制作用和对导航精度的改善效果,并在旋转轴数目、旋转方向、旋转连续性和旋转速度等方面比较了不同旋转调制方案.根据MEMS器件的误差特性,选择了一种适合MEMS器件捷联惯导系统的旋转调制方案并自主研发了原理样机.静态和车载实验表明:旋转调制可以明显抑制MEMS器件常值误差对导航精度的影响,200s内俯仰和横滚姿态精度提高了5倍,速度和位置精度提高了近10倍.     

单轴旋转捷联惯导系统姿态和航向角在线组合校正

为了提高工作在水下环境下的单轴旋转捷联惯导系统的导航定位精度,给出了惯导系统姿态和航向角在线组合校正流程,提出了一种基于速度信息的旋转式捷联惯导系统二次对准方法.利用速度信息和Kalman滤波技术进行姿态和航向角误差最优估计,同时周期性转动惯性测量单元以提高系统的可观测性.计算机仿真和转台验证实验结果表明,系统经过二次对准后,后续纯惯性模式下的定位精度明显提高,仿真实验中定位误差由4.52 n mile减小为2.19 n mile,转台实验中定位误差由4.28 n mile减小为2.06 n mile.     

基于位置信息的捷联惯导系统综合校正技术

针对平台式惯导系统进行综合校正时须要限制载体低速和等纬度的问题,提出了基于惯性坐标系下的捷联式惯导系统的综合校正技术.由于两点校需要精确的方位信息,但受安装偏差等影响,实际信息精度不能保证,因此采用三点校算法.利用间歇获得的外部位置信息,建立其与陀螺漂移和方位误差的关系式,再利用最小二乘法算出陀螺漂移并进行方位误差补偿.通过理论和实验分析表明:当捷联惯导系统工作在水平阻尼状态下时,三点综合校正方法不受载体运动和纬度变化的影响,能够准确地对位置和方位误差进行补偿,进而显著提高惯导系统的长期定位精度.     

捷联惯导一种优化的惯性系粗对准方法

：捷联惯导初始对准在载体基座晃动比较强烈的情况下,陀螺仪与加速度计在的输出数据无法直接用来计算姿态矩阵,研究了一种优化后的惯性坐标系粗对准算法。算法应用惯性凝固方法通过利用重力加速度信息,将捷联惯导姿态转换矩阵分解为4个矩阵来求取,通过对所求出的姿态信息阵进行优化,有效抑制了加速度计的测量噪声,使捷联转换矩阵的求取准确度更高。理论分析和仿真表明,该方法能很好的解决捷联惯导在晃动下的粗对准问题。     

捷联惯导单轴转停调制中角变速运动影响研究

针对调制型捷联惯导系统中旋转机构的角变速运动,建立了角变速运动模型,推导了该运动过程中惯性器件常值误差和刻度因数误差的形式,在此基础上设计了抵消该误差的旋转运动方式,给出针对角变速运动过程的旋转方案设计原则.利用仿真试验比较了两种转停方案系统定位误差,试验结果验证了改进旋转方案的正确性与适用性.利用自研光纤陀螺系统工作在不同旋转方案下进行验证性试验,结果表明该方法能够有效地抑制旋转过程中角变速运动的影响,提高系统的导航精度.     

零速校正在惯性导航系统中的仿真研究

零速校正利用载体停车时惯导系统的速度输出作为惯导系统速度误差的观测量,进而对惯导系统其他各项误差实现校正．基于这一原理对零速校正在惯性导航系统中的应用进行了分析研究．首先推导了惯性导航系统的误差方程,然后采用曲线拟合的方法,用Matlab仿真得到零速校正后的位置误差曲线．通过对仿真结果的分析比较,表明该方法在惯性的导航系统对于误差修正的有效性．     

双轴旋转捷联惯导的误差参数标定方法

针对目前的双轴旋转调制捷联惯导系统误差标定方法参数标定不全、速度较慢的问题,提出一种新的双轴旋转调制捷联惯导系统误差参数标定方法,以实现全参数、快速标定,从而进行误差补偿以有效提升惯导系统导航精度。首先通过研究双轴旋转捷联惯导系统误差补偿的基本原理和系统机械结构,推导了初始时刻内、外轴处于任意角度情况下的陀螺误差方程;而后在对状态方程进行可观测性分析的基础上,设计了标定路径;最后通过滤波获取标定参数结果。该标定方法无需外部基准,仅通过系统自身旋转机构即可快速实现对陀螺误差全参数标定,弥补了之前方法只能标定部分参数的缺点,且有效缩短了标定时间,仿真结果表明,相比之前方法需要几十分钟的标定时间,该方法只要在6min内即可实现陀螺全参数标定,是一种快速有效的标定方案。     

MIMU/偏振光互补滤波组合导航算法研究

针对偏振光导航中存在的输出角度模糊性和三维状态下航向角计算问题,提出利用互补滤波对MEMS惯性测量单元(MIMU)和偏振光传感器进行信息融合的姿态更新算法。该算法利用偏振光传感器测量模型构造太阳位置的估计矢量和实测矢量,通过PI(proportional-integral)补偿策略实现3轴陀螺仪偏差的最优估计和补偿。通过对比纯惯导系统INS、单偏振光导航系统、MIMU/地磁和MIMU/偏振光4种导航系统的输出姿态角,表明该算法能够有效滤除惯导系统的低频噪声和偏振光传感器测量值中的高频噪声,并且能够获取无人机360°范围内的航向角估计量,为偏振光组合导航提供了一种行之有效的解决方法。     

旋转捷联惯导系统的可观测性分析

推导了静基座条件下仅利用速度误差作为观测量的惯导系统的可观测组合状态.比较分析认为,仅利用速度误差作为观测量和利用速度误差、位置误差作为观测量对惯导姿态误差和元件等效零偏的估计是等效的.利用将系统近似为分段线性定常系统的方法对旋转惯导系统的可观测性进行研究,结果表明,连续旋转提高了系统状态的可观测性,等效东向和北向加速度计零偏成为可观测量;在对准过程中对其进行补偿,系统的对准精度和速度明显提高.     

惯性定位系统的一种数据接口的设计

惯性定位系统在区域测量、海洋和航空测量等方面均有广阔的应用前景。惯性测量精度通常要求比惯性导航精度高几个数量级。为此,从惯性平台到数据处理计算机的接口是很重要的。该文介绍了对一种惯导系统数据接口的分析,以及惯导系统与数据处理计算机的接口电路的设计。实际使用结果表明,分析结果是正确的,接口电路工作可靠,功能较为完善。     

基于锁相跟踪和惯组的旋转弹滚转角估计方法

为解决微惯性测量组合测量旋转弹滚转角的问题,在对旋转弹角运动特性进行分析研究的基础上,建立微惯性测量组合测量滚转姿态的数学模型,提出基于锁相跟踪算法和微惯性测量组合的旋转弹滚转角估计方法. 该方法对基于三阶锁相环的锁相跟踪算法及其特性进行研究,根据旋转弹角运动特性和微惯性测量组合测量信号特性确定三阶锁相环环路滤波参数,并建立基于三阶锁相环和微惯性测量组合的旋转弹滚转角估计模型,即可根据模型进行锁相跟踪计算得到滚转角. 仿真结果表明,三阶锁相跟踪环路能对旋转弹滚转信号进行有效跟踪,并能够通过微惯性测量组合估计滚转角速度和滚转角,满足旋转弹滚转运动姿态提取的要求,有较大的实用价值.      

基于信息层的捷联惯导信号反演技术

针对惯性导航的器件价格昂贵且建模复杂,以及全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)/惯性定向定位导航系统(inertial navigation system,INS)组合导航对信息传递速度较慢的问题,提出了一种基于信息层的捷联惯导信号反演技术.在整理归纳了惯性导航中常用坐标系的定义后,首先给出了根据已知的原始目标的欧拉角进行姿态矩阵的计算;然后重点讨论了如何根据已知位置、速度和姿态矩阵,反演其比力、角速度;最后叠加误差得到仿真条件下的惯导器件测量值.仿真结果表明:从一段运动轨迹中反演得到的比力和角速度,是以信息帧格式模拟输出惯导器件测量值,再应用惯导方程进行验证,得到的结果误差符合惯导系统误差允许范围.     

四阶龙格-库塔法在捷联惯导系统姿态解算中的应用

捷联式惯导系统相对于平台式惯导系统姿态解算要复杂得多,捷联系统通过提取陀螺仪和加速度计的测量值实时进行姿态矩阵更新,从而获得载体的姿态信息。介绍了利用四阶龙格—库塔法解捷联姿态微分方程的方法,并以典型圆锥运动作为输入进行仿真分析,适当地改变圆锥运动参数,检验该姿态算法的准确性及精度.仿真结果表明,在圆锥运动环境下四阶龙格—库塔法的姿态解算的精度随着计算周期τ的减小而增大,随着锥运动参数α和ω的增大而减小。     

光纤陀螺捷联惯导隔冲系统设计

 针对环境冲击、振动会对光纤陀螺捷联惯导系统结构及测量精度造成不良影响,进行了隔冲系统的设计与分析。利用改进的递归数字滤波算法和统计估计技术,根据冲击环境下测量得到的加速度时程,计算了冲击响应谱图,用于指导隔冲系统参数设计。为验证设计结果,利用冲击响应谱合成技术得到模拟实际冲击环境的加速度时程;在有限元软件ABAQUS中,以该加速度时程为基础运动激励进行瞬态动力学分析。根据分析结果,设计的隔冲系统可以使捷联惯导系统承受的冲击作用降低到所能承受范围内,表明所设计的隔冲系统在动力学特性角度可满足使用要求。     

基于等效旋转矢量法的捷联惯导系统仿真

针对捷联系统中惯性器件大多采用增量形式的数据输出,论述了适合增量形式数据处理的等效旋转矢量算法基本理论.在此基础上给出了对捷联惯导系统的MATLAB软件仿真结果,仿真结果表明,等效旋转矢量算法可以实现对不可交换误差的有效补偿,算法关系简单,易于操作,特别适用于角机动频繁激烈或存在严重角振动的运载体的姿态更新.     

基于极球面投影的惯导高纬导航方法

针对现有惯导系统高纬航向、速度误差增大和导航参数不能满足大圆航行需求的问题,研究一种基于极球面投影的惯导高纬导航方法.首先借鉴极球面投影网格导航的思想构建椭球面网格航向基准模型,然后利用惯导系统原有解算信息,以实现网格航向和网格速度解算,最后在分析高纬导航方法误差抑制机理的基础上对高纬导航参数性能进行评估.理论分析和仿真结果表明:该方法可以有效提高惯导系统高纬导航性能,能够满足载体高纬航行需求.     

精密温控对惯性导航平台系统性能的影响

分析惯性平台温度控制与惯性导航系统精度的关系.提出一种实用的惯性平台温度控制方法,即根据大环境温度和被控对象温度合理选择温度控制点、控制方式和控制算法.研究系统有温控、无温控、长时温控和短时温控对平台综合性能的影响.试验结果表明,系统在陀螺级具有速度快、精度高等优点,为解决惯导系统启动后缩短惯性器件热平衡过程,迅速进入稳定工作状态问题提供了一种实用方法,也为类似的惯导温度控制系统提供了有益的参考.     

基于Simulink与M语言的捷联惯导系统仿真方法研究

在研究捷联惯导系统的导航解算算法时,经常需要对算法进行仿真以测试算法的性能.比较研究了在Matlab中实现捷联惯导系统仿真的两种方法:一种是采用M语言编写各功能函数,通过函数调用的方式实现捷联惯导系统的仿真;另一种是采用Simulink模型与M语言结合的方式实现捷联惯导系统的仿真.分别用这两种方法进行了1 h的导航解算仿真,仿真结果表明,这两种仿真方法均具有很高的仿真速度和仿真精度,都能满足工程应用的需要,与第一种方法相比第二种仿真方法可以方便地设定仿真时间、惯性测量组件的采样频率,也可以在仿真中暂停或停止仿真,具有更好的可操作性.     

单目视觉和惯导松耦合的行人位姿判定

针对室内视觉定位特征稀疏时鲁棒性较低的问题,文章利用惯导元件输出频率大、短期精度高的特点,提出了一种低负载的单目视觉和惯性测量单元(inertial measurement unit, IMU)信息融合方法。该方法在初始化阶段根据位移相似性原理设计算法解算视觉位移尺度信息,在导航阶段将视觉信息输出的状态量通过尺度旋转变换后作为观测量进行卡尔曼滤波。通过实验验证了该方法的有效性,实验结果证明,所设计的视觉惯导组合导航系统在提升处理效率的同时,全过程均方根误差比单一同步定位与制图(simultaneous localization and mapping,SLAM)系统下降了17.1%。