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。     

船用捷联式惯性导航仿真系统设计

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,仿真系统可以很好地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。     

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.     

单激光陀螺捷联寻北系统

论述了单激光陀螺捷联寻北系统的组成及工作原理，给出了寻北及姿态解算的数学模型和 软件流程，该系统在实验室内的测试结果为：寻北误差小于０．２４°，寻北时间小于５ｍｉｎ，姿态误差小于０．１°。     

基于MATLAB组件GUI的捷联惯性导航系统教学仿真平台设计

针对捷联惯性导航系统成本高、实践条件复杂的情况,为满足导航专业学生实验课程的需求,利用matlab平台下的GUI组件搭建了捷联惯性导航系统教学仿真平台。该平台通过设置载体运动状态,可以模拟载体惯性器件陀螺仪和加速度计的参数,并进行导航结算,给出位置、速度、姿态等导航结果,最终实现各项信息的图文输出。学生可利用该平台模拟惯性导航系统,将理论知识与实践操作相结合。该平台为相关专业学生对捷联导航系统学习提供有效的途径。     

基于捷联惯导和四元数的解耦控制

采用捷联惯导实时测量火炮调炮过程中身管在大地坐标系下的姿态(方向角、俯仰角和横滚角),采用四元数法建立火炮操瞄解耦模型,使方位、高低随动能够独立控制,大大减少了中间误差环节,提高了调炮精度和速度,达到实时解耦控制效果,通过工程实践证明了该解耦控制的有效性。     

基于自适应平方根UKF的微机械传感器融合航姿估计

提出一种新的基于自适应平方根UKF的微机械传感器组合姿态测量系统.该系统采用3轴微机械陀螺积分得到姿态角,采用3轴微机械加速度计测量重力矢量得到俯仰角和横滚角,分别校正俯仰漂移和横滚陀螺漂移;采用磁强计得到航向角,并与陀螺积分角度融合校正航向陀螺漂移.跑车实验结果表明,基于自适应平方根UKF算法可实时估计机动加速度干扰,并在融合滤波器中进行补偿,能够有效去除车辆机动加速度干扰,姿态角估计精度在±0.6°以内.     

一种实用的飞行器捷联惯性导航算法

为了拓展捷联惯性导航的应用,以进一步提高飞行器导航精度和效率为目标,设计了一种实用的飞行器捷联惯性导航算法,该算法融合惯性器件的姿态信息、速度信息、加速度信息及位置信息测量值,借助四元数法分别构造姿态矩阵、速度矩阵及位置矩阵,然后通过解算四元数的运动学微分方程求出飞行器的姿态角和位置。试验结果表明,本文所述算法能够准确计算出飞行器的姿态与位置信息,可以为飞行器导航系统设计人员提供参考,具有一定的理论意义和实用价值。     

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.     

基于捷联惯导的蛇形管道机器人定位算法

为解决蛇形管道探测机器人因处于地下管道，难以定位的问题，本文基于牛顿第二定律为蛇形管道探测机器人设计了一种高精度的捷联式惯性导航定位系统（Strap-down Inertial Navigation System SINS）。本系统搭载九轴惯性测量器件（IMU）对蛇形机器人的加速度及角速率信息进行测量，融合卡尔曼滤波算法对定位系统进行误差补偿，采用四元数法构造捷联式惯性导航系统姿态矩阵进行姿态更新，再积分得到速度和位移。利用MATLAB软件根据上述算法对机器人的速度、位移进行分析计算，并与机器人真实的速度位移做比较，验证算法的可靠性。实验结果表明，该算法的定位误差最大不超过4.7%，能够为管道探测机器人提供准确地速度和位置信息，具有较高的实用价值和意义。     

HMR3000数字罗盘在船舶导航中的应用

HMR3000数字罗盘能实时输出载体的航向、俯仰和横滚二三个方向上的姿态数据，因而能满足船舶电子导航在控制系统设计要求。介绍了数字罗盘的应用，给出了系统设计的接口电路和实验结果。     

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.     

两时间尺度的捷联速度算法研究

根据奇异摄动理论分析具有小参数的捷联惯导系统方程,在两时间尺度上对系统状态方程进行了降阶简化处理,设计捷联算法.在内回路推力速度矢量计算中,应用一种新的划船补偿算法补偿比力转换过程中载体姿态变化产生的速度误差.在外回路中进行重力地速计算,完成导航坐标系上速度的更新.仿真结果表明:新算法精度与Savage四子样算法近似,计算量小.     

激光捷联惯性导航中不可交换性误差补偿算法研究

针对激光捷联惯性导航系统姿态和速度算法中所引入的不可交换性误差进行了原理上的分析，重点分析了速度计算过程中不可交换性误差产生的原因．从工程化应用观点出发，提出利用等效转动矢量的单子样算法消除不可交换性误差，并且推导出了相应的姿态和速度的误差补偿算法．实际跑车实验结果表明，误差补偿后的系统定位误差下降为原来的二分之一，表明激光捷联惯性导航系统误差补偿算法的设计思路是可行的，设计的系统性能能够达到预定的要求．     

基于最优滤波的卫星和惯性组合导航方法

针对目前三种主流导航方法各自的不足,提出了一种基于最优滤波法的卫星、惯性组合导航方法,采集这两种导航系统实时测量得到的伪距、伪距率的差值,通过设计合适的最优滤波器,以校正系统误差,获得高精度位置、速度、姿态的用户定位结果,从而弥补了惯性导航误差随时间离散和卫星导航易受外界电磁环境干扰、无法直接提供用户姿态信息的问题。     

基于SINS/星敏感器的组合导航模式

针对利用捷联惯导系统导航的不足,提出了一种基于捷联惯导系统/星敏感器的新组合导航模式,来提高飞行器导航的精度和速度.利用星敏感器得到恒星星光矢量在星敏感器CCD光敏面上的星像点及其在导航星库中对应的坐标值,然后分别进行坐标变换得到星光矢量在数学平台坐标系和地理坐标系中的坐标角度值.以Kalman滤波为基础,将所得到的星光坐标角度值和姿态角速度进行数据融合,估计出组合导航系统的误差状态量,进而修正捷联惯导系统的位置、速度和姿态角参数.详细推导了SINS/星光的组合导航算法,并通过仿真证实了该方案可提高导航系统的精度和速度,有较好的容错性和环境适应性,具有实际使用价值.     

火炮随动系统解耦控制的应用研究

采用捷联惯导系统做为火炮的姿态测量元件,能够有效提高调炮精度。针对火炮随动系统存在的方位和高低控制通道之间的耦合问题,采用了四元数解耦控制算法,使方位和高低通道独立不相干扰。在解决方位轴实时计算时分别采用俯仰轴叉乘法和高低量解算法,达到解耦控制效果。仿真和实验证明该方法的有效性。     

捷联惯性测量系统的误差补偿研究

首先简单介绍捷联惯性导航系统的原理及其组成，然后重点介绍了捷联惯性导航系统中的惯性测量系统。在分析了惯性测量系统一些误差源的基础上，介绍了一般惯性测量系统的误差数学模型。在考虑了温度的因素和实际情况的前提下，提出了一种简化的误差补偿数学模型。在仔细分析了标定误差系数的特点和验证了大量实际数据的基础上，提出了一种特有的定点DSP运算的定标方法来实现该模型。该算法充分考虑到系统应用中环境的变化及实时性的要求，准确、快速地将敏感元件敏感的角增量和速度增量送到下一级算法中进行运算。实践证明该算法精度可以与浮点数的算法精度相媲美，且运算的速度满足系统实时性的要求。     

火炮随动系统的解耦控制研究

摘要：采用捷联惯导系统做为火炮的姿态测量元件,能够有效提高调炮精度。针对火炮随动系统存在的方位和高低控制通道之间的耦合问题,采用了四元数解耦控制算法,使方位和高低通道独立不相干扰,在解决方位轴实时计算时分别采用俯仰轴叉乘法和高低量解算法,达到解耦控制效果。仿真和实验证明该方法的有效性。     

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.