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‰.     

空投系统航向测量方法研究

航向信息是空投系统运行中一个非常重要的参数,磁航姿系统能够利用地磁场来测量载体的姿态信息,体积小、精度高,但却易受外界磁场的干扰,而惯性器件恰好具有不受环境磁场影响的特性,我们可以将两种传感器组合起来,共同测量载体的航向信息。经过仿真验证,外部姿态信息的引入极大改善了系统的航向误差,满足空投系统应用需求。     

应用磁强计和加速度计的连杆运动角度计算

为解决多关节连杆连续变换中的运动姿态求解问题,研究通过磁感应强度和加速度测量并求解运动模型和姿态位置的方法,利用地球磁场和重力场在地理坐标系和基础坐标系之间的方向余弦转换进行绝对角度运算,得到姿态角(航向角、俯仰角和滚转角)的磁感应强度和加速度表示.分析了坐标系变换过程中的角度转换,推导出连续变换过程中连杆姿态角和连杆间夹角的关系式,并以一个实例作了验证分析.该模型能够解决姿态角和绝对运动角的转换,在连杆运动姿态表示中有较好的通用性.     

方位保持仪姿态误差补偿技术

给出了陆用惯性导航系统方位保持仪的误差补偿方法.在方位保持仪纵轴和横轴方向安装2个互相垂直的加速度计,测量载体的俯仰角和横滚角,采用多组坐标变换将姿态角、地球自转角速度和重力分别投影到陀螺坐标系,结合动力调谐陀螺仪漂移与重力相关的特性,分析了与重力一次项相关的漂移分量,分别从支架误差、地球自转分量和陀螺仪与重力相关漂移3个方面对方位保持仪进行误差补偿.实验结果表明,采用上述方法进行误差补偿的方位保持仪,漂移小于0.06°/h.     

模糊Kalman滤波在无人机姿态测量中的应用研究

针对目前无人机姿态测量所用捷联航姿系统,因陀螺漂移和算法误差的引入而导致结果发散的状况,采用组合航姿原理与信息融合理论,结合各传感器输出与载体运动状态相关的特性,提出了一种基于模糊Kalman滤波技术的惯性测量组件与磁强计组合信息融合方法.通过多尺度的模糊推理规则判断出载体当前的运动状态,实时调整系统测量噪声方差,对其...     

基于采空区深度变化磁梯度测量磁场信息的仿真

利用超导量子干涉磁力仪,针对矿山采空区磁法探测。根据基本的磁场环境建立数学模型并进行仿真计算,预测在发现采空区上磁梯度测量相对于总磁场强度和分量测量具有探测深度上的优势。总结了以采空区的深度作为变量进行仿真计算的过程,验证了梯度测量的计算结果在1 000 m的深度拥有更好的辨识度,能够反映磁异常信息作为实际探测的应用。     

基于同步姿态测量的地空三分量电磁接收系统设计

针对地空三分量电磁探测对接收信号高速、同步、大量存储、同时记录线圈姿态信息的需求,提出了带有高精度同步姿态测量的全波形地空电磁探测数字接收系统。设计了针对地空电磁法的模拟信号调理电路,通过两片同步驱动的高速24位AD芯片实现三通道高速采样,由FPGA实现了大量数据的实时传输。设计了同步姿态测量装置,可实时同步存储线圈姿态数据。实测结果表示,该数字采集系统能满足三个通道全速192 k Hz的采样率采集电磁数据、以100 Hz的采样率得到同步的线圈姿态数据,并通过实地野外实验证明了该系统可以完成含姿态测量的地空电磁三分量数据采集工作。     

移动机器人空间姿态测量系统研究与设计

未知环境中机器人的自主导航研究一直是非常具有挑战性的前沿课题,要求机器人在定向移动之前必须先调整好自己的空间姿态;捷联惯性导航对空间姿态信息有明确的定义,具体通过倾斜角、方位角和工具面角来体现;针对目前已公开的空间姿态信息的解算数学模型存在缺陷的问题,结合空间坐标变换、空间直线方程和狗腿角的定义推导出倾斜角、磁方位角和工具面角的数学模型,并利用三轴加速度计和三轴磁强计给出具体的实现方案;测试结果表明:该方案能获得正确的空间姿态数据,倾斜角误差在±0.1°以内,磁方位角和工具面角误差在±1.5°以内,且成本低廉,体积小巧,是测量空间姿态的理想选择。     

基于光电测量平台的多目标定位算法

为了提高空中对地面目标定位的效率,达到1次测量、多点定位的目的,提出一种基于光电测量平台的多目标定位方法。首先,建立大地坐标系、地理坐标系、载机坐标系、摄像机坐标系等7个坐标系及坐标系之间的转换关系。然后,根据目标定位过程中测量点、目标点、成像点的几何位置,结合载机姿态角、摄像机姿态角、激光测距、摄像机焦距等参数,推导出拍摄图像中任意像素点在摄像机坐标系中的坐标,并通过坐标变换进一步计算出目标点的经纬度、高度,从而实现多目标定位。利用光电测量平台对地面目标进行定位实验。研究结果表明:与传统的单目标定位相比,多目标定位不仅提高定位效率,而且能满足一定的定位的精度要求,具有较大的实用和推广价值。     

二维有源相控阵天线跟踪技术研究

当载体姿态变化时,利用惯导信息引导安装在移动载体上的二维有源相控阵天线波束指向卫星。首先对卫星在地理坐标系、载体坐标系和天线坐标系中的位置进行简要介绍,然后对跟踪目标角进行解算,最后通过跑车测试,验证了该跟踪技术的可实施性。     

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.     

室内行人航向修正算法研究

室内环境下的行人导航问题是当前导航领域的研究难点与热点,基于足绑式MEMS是行人导航的主要形式之一。针对目前行人导航航向发散的问题,同时避免磁力计引入外部误差,在零速更新（ZUPT）的基础上,研究了磁角速率更新（MARU）的航向修正算法,假定行人处于零速区间时磁场是恒定的,当惯性传感器转动时,磁力计的三维矢量也会相应变化,利用磁场的变化信息作为零速时刻陀螺仪输出角速率的观测值,并通过扩展卡尔曼滤波（EKF）对角速度误差进行补偿,从而限制航向角的漂移。实验结果表明,该算法航向跟踪性强,对航向修正有一定的有效性,其终点定位误差占总路径的0.55%,达到了良好的定位精度。     

基于惯性导航系统的轨道不平顺方法

针对目前轨道存在的不平顺现象,设计出了一种轨道不平顺检测系统。传统的惯性导航系统直接装在运载体上的底盘上,且为单惯性导航系统。振动信号传递不直接,采集数据不全面。通过在轨检车两侧的专用惯导平台进行双惯性导航系统的固装,信号采集更为直接和全面。内部导航采用四元数法进行姿态矩阵的实时更新。双惯性导航系统可以实现左右钢轨x、y以及z轴三轴数据的实时采集,对采集的数据进行拟合和积分,即可得到轨道的相关不平顺信息。且轨检车上搭配轴角编码器可以实现数据的同步采集,采样时间和采样里程的实时输出。通过系统动态测试和人为静态测试,验证了设计的合理性。左右轨垂向高低不平顺误差分别在(-0. 66 mm,0. 52 mm)和(-0. 43 mm,0. 56 mm);左右轨横向不平顺误差分别在(-0. 51 mm,0. 64 mm)和(-0. 42 mm,0. 43 mm)之间,轨距偏差在(-0. 55 mm,0. 83 mm)之间。     

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.     

基于光流传感器的四旋翼飞行器设计

采用Texas Instruments公司的TM4C123GH6PM单片机作为四旋翼飞行控制系统和光流数据处理的核心单元,将九轴传感器MPU9250的陀螺仪、加速度计和磁力计经姿态解算后的角度数据作为飞行控制系统的飞行姿态反馈,超声波传感器所测量的高度数据作为飞行高度反馈,优象光流传感器所输出的位置数据作为位置反馈,设计了一款新型四旋翼飞行器.实验结果表明,该四旋翼飞行器自主导航系统可以实现室内自稳、定高和定点飞行功能.     

机载雷达空域稳定算法

为使机载雷达指令克服载机机动而正确控制天线指向,在机载雷达控制回路中加入了空域稳定计算。用载机惯导系统提供的载机姿态数据和雷达数据库提供的雷达安装数据,把基于大地的雷达指令解算为雷达天线控制指令。根据实际工程应用中的情况分析,为提高空域稳定精度,提出了在空域稳定回路中加入补偿措施,即指令前馈、目标前馈、载机前馈和天线罩折射补偿。     

基于 MEMS 辅助的单基线北斗融合测姿算法

载体的姿态信息是导航的重要参数,随着北斗卫星导航系统（Beidou navigation satellite system,BDS）和微机电系统（micro-electro-mechanical systems,MEMS）惯性传感器的发展与完善,高精度、低成本、自主化的融合测姿技术具有广阔的应用前景,因此,提出MEMS辅助单基线北斗融合测姿算法。根据MEMS惯性传感器解算出的姿态信息确定基线向量的搜索范围,从而辅助模糊度函数法（ambiguity function method,AFM）减小整周模糊度搜索空间,提高整周模糊度快速求解的成功率和计算效率。将BDS输出的姿态角信息作为观测信息,对MEMS陀螺仪解算出的姿态信息进行实时校正,实现BDS和MEMS传感器二者的数据融合算法。通过实测数据仿真验证,该算法能够解决信号失锁带来的整周模糊度求解困难的问题,并且测姿系统能在遮挡和动态等复杂环境下提供高质量姿态测量结果。     

机载武器轨迹发生器设计与仿真

轨迹发生器是惯性导航与组合导航仿真的基础,为其提供输入值和基准。介绍了机载武器的轨迹发生器设计,给出轨迹发生器设计的整体思路,包括轨迹参数的确定、飞行模式的划分、导航坐标系下的位置及速度姿态方程的推导以及比力、角速度的输出方程;并针对空面投放武器传递对准阶段轨迹发生器进行了仿真,惯导解算结果验证了设计的正确性。     

Magnetometer calibration algorithm based on ellipsoid constraint

Calibration of magnetometer is an essential part to obtain high measurement precision.However,the existing calibration methods are basically the calibration of all attitudes,which means tough work when the magnetometer is applied in strapdown inertial navigation system(SINS).So a quick,easy and effective calibration algorithm is developed based on the ellipsoid constraint to calibrate magnetometers.In this paper,the measuring principle and error characteristic of the magnetometer are analysed to study its magnetic interference.During the process,a magnetometer calibration model is set up to convert the calibration to ellipsoid fitting based on the characteristic of hard magnetic interference and soft magnetic interference.Then the algorithm is tested by mimic experiment.The result shows that measurement precision is improved after the calibration,and then the magnetometer is installed in a control cabin of an underwater robot which is designed and developed by us,and actual magnetometer calibration experiments are conducted to further verify the validity of the algorithm.