联合旋转调制激光陀螺惯导性能在线评估

无外界基准信息时,针对舰艇单、双轴旋转调制激光陀螺航海惯导冗余配置情况下双轴旋转惯导间性能的在线评估问题,提出了联合旋转调制激光陀螺航海惯导相对性能的在线评估方法。一套单轴旋转惯导分别与待评估的双轴旋转惯导构建联合误差状态卡尔曼滤波器,状态为各系统位置误差、速度误差、姿态误差的差值及各自的陀螺漂移、加速度计零偏,以系统间的位置、速度差值为观测量,通过联合旋转调制策略编排改变系统间的相对姿态,可观性分析表明,包括单轴旋转惯导方位陀螺漂移在内的所有状态均完全可观;以不同滤波器估计得到的单轴旋转惯导方位陀螺漂移估计值的标准差为评价指标,对双轴旋转惯导随机误差进行在线评估。半实物仿真和实际实验结果表明:双轴旋转惯导激光陀螺随机误差差异的区分度可达10%;144h(6天)导航时间内,以单轴旋转惯导方位陀螺漂移估计值的标准差为评价指标,可以实现不同双轴旋转惯导相对性能的在线评估。该方法为旋转调制激光陀螺航海惯导冗余配置情况下的系统优选提供了理论依据。     

旋转调制式激光捷联惯导安装误差分析与标定

双轴旋转调制技术可以实现对陀螺漂移和加计零偏的调制,从而极大地提高惯导系统的精度,以满足船用惯导高精度的导航需求.由于单元体一直作连续正反旋转运动,传统的位置法和速率法无法对该系统进行标定.提出了一种基于三轴转台和单元体自旋转的误差标定方案,实现了对系统误差的快速精确标定.其中旋转轴和陀螺及加计敏感轴间的不正交角标定精度优于1",陀螺、加计敏感轴间的不正交角标定精度优于2".海上试验表明,误差标定结果满足了系统1 nmile/24 h的导航要求,具有较高的工程应用价值.     

基于IMU旋转的捷联惯导系统自补偿方法

为了有效地抑制惯性器件常值偏差对惯导系统导航精度的影响,提出了基于惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)旋转的自动补偿方法.由于旋转的引入,IMU中陀螺仪和加速度计的常值偏差被调制成正弦信号,通过积分运算可以有效地消除常值偏差对惯导系统导航精度的影响.在分析单、双轴旋转补偿原理的基础上,提出一种改进的单轴旋转调制方法并对该方法进行了理论证明和实验分析.与以往的单轴旋转方式及未采用旋转方式时的导航误差进行了比较,结果表明该方案可以消除所有方向上惯性器件常值偏差的影响,有效地提高系统的定位精度.     

单轴旋转式捷联惯导方位对准研究

为消除东向陀螺常值漂移对捷联惯导方位对准精度的影响,在罗经法对准频率特性分析的基础上提出了一种适于旋转调制捷联惯导系统的罗经对准方法.该方法利用旋转过程中陀螺漂移和加速度计零偏被调制为周期变量的特点,针对旋转频率来改变罗经法对准系统的参数,使系统能够对调制后的陀螺漂移和加速度计零偏产生抑制作用,以此消除静基座对准中由东向陀螺常值漂移所引起的方位误差角.仿真实验结果表明,相比静基座对准,在单轴旋转中采用此种罗经法对准可以消除方位角的常值误差,方位对准的精度可提高至10倍以上.     

一种新的舰载惯导系统摇摆基座初始对准方法

针对舰载惯导系统在摇摆基座条件下高精度初始对准问题,提出一种简单且易于实现的快速初始对准方法。利用开路法构建数学稳定平台隔离载体摇摆运动,提高了高精度舰载惯导系统摇摆基座对准过程中量测数据的信噪比,缩短了对准时间并提高了误差参数的估计精度;建立了开路法数学平台偏角的误差模型,利用参数辨识法提取相关对准参数,从而估计出陀螺漂移和数学平台偏角并进行补偿。海上试验结果表明,该对准方法可在8 h内达到优于0.000 5°/h的对准精度,有效地解决了摇摆基座条件下舰载惯导系统的高精度初始对准问题。     

光纤惯导温度效应误差的高精度综合辨识与补偿

为了提高光纤惯导系统在温变环境中的使用精度,研究了惯性仪表温度效应误差的高精度综合辨识与补偿。首先利用全温范围下系统级标定技术建立了高精度标定参数基准并获得了陀螺和加速度计标度因数与加速度计零偏的温度系数。之后借助工作温度下仪表坐标系与基准温度下本体坐标系间的方向转换,确定了仪表安装误差与本体坐标系随温度的变化关系并修正了温度引起的坐标系间指向误差。在此基础上,给出了陀螺零偏温度漂移的分离与补偿方法。常温静态与变温动态导航试验结果表明,前者定位误差由2 093降至442 m,后者5 h位置精度则提高了接近5倍,显著增强了惯导系统的温度适应性。     

安装误差对旋转式惯导系统影响及补偿

因轴与轴承间同轴度误差、轴系间隙、机械加工精度、安装等因素,旋转式惯导系统会产生各种形式的安装误差。对各种安装关系进行了说明,详细推导并分析了系统存在安装误差时的输出特性及误差调制效应。在理论分析的基础上,针对实际旋转式惯导系统,通过分析主要误差源,建立合适的误差补偿模型,实现对相关误差的补偿。误差补偿结果表明,该补偿方案能同时消除陀螺敏感轴与旋转轴间的不正交误差、与比力相关的漂移以及因旋转而产生的周期性波动误差,具有很高的工程应用价值。     

长航时惯导系统全阻尼综合校正算法

针对惯导系统长时间工作时导航误差随时间发散的问题,提出一种适用于长航时惯导系统的全阻尼综合校正算法。设计了全阻尼网络,利用外部速度量测对惯导系统进行水平和方位阻尼,衰减了导航误差中舒拉周期及地球自转周期振荡;根据全阻尼条件下的惯导系统误差传播规律设计了综合校正算法,利用不定期获取的外部参考位置计算导致导航误差发散的陀螺漂移并进行修正,更好地保证了惯导系统的工作自主性。试验结果表明,该算法明显地抑制了惯导误差随时间的发散,可有效提高长航时惯导系统的导航精度。     

单轴旋转惯导系统建模与仿真

建立了单轴旋转式捷联惯导系统数学模型和仿真模型,采用的导航算法能有效避免转台测角误差对系统定位精度造成的影响;仿真结果表明旋转IMU能提高抑制惯导定位误差的累积,提高惯导定位精度、姿态精度和速度精度也同时得到提高。     

一种在线实时消除SINS陀螺常值漂移的方法

针对捷联惯性导航系统(SINS)中陀螺常值漂移存在逐次启动误差以及逐日漂移变化的问题.提出一种捷联状态下在线实时消除陀螺常值漂移的方法,通过附加一个监控陀螺,实现对SINS中导航陀螺常值漂移的在线测量与补偿.文中给出了该方法的理论推导,并进行了误差分析.半物理仿真结果表明,该方法能够自主地在线测量SINS中导航陀螺逐次启动后的常值漂移量及其缓慢变化,并能够获得误差小于0.02 °/h的陀螺常值漂移,可据此进行陀螺常值漂移的在线实时补偿,有效克服陀螺性能变化对SINS系统精度的影响,提高了SINS的精度.     

GPS/INS组合导航系统的研究

讨论了飞机惯性导航系统(INS)与全球卫星导航系统(GPS)的利与弊以及卡尔曼滤波方法在组合定位中的应用情况,进一步提出了基于神经网络数据融合方法的GPS/INS组合导航系统.系统神经网络结构采用单隐层的三层神经网络,输入输出神经元数目是4个,基于256个训练样本由经验公式求得隐层神经元数目为8个,同时还建立了惯导系统的数学模型和数据融合的数学模型.给出了利用MATLAB编制的神经网络训练程序并对这一神经网络进行了训练和仿真.实验表明,组合导航系统经度误差可达9m,纬度误差可达8m,与单独GPS定位和INS定位相比精度得到了提高.     

Application of Least Squares-Support Vector Machine in system-level temperature compensation of ring laser gyroscope

The bias of Ring Laser Gyroscope (RLG) exhibits a non-ignorable characteristic of drift when its temperature changes, which is an important factor of reducing the navigation precision in inertial navigation systems. The limitations of least-squares fitting and neural network are pointed out and a new scheme of system-level temperature compensation of RLG bias based on Least Squares-Support Vector Machine (LS-SVM) is proposed. Temperature experiment of RLG bias is designed and carried out to validate the effectiveness of the proposed method. The traditional modeling method of least-squares fitting is also investigated to provide a comparison with the LS-SVM based method. Allan variance is used to analyze the error terms of RLG before and after compensation. The results show that: the bias instability of RLG output after it has been compensated by LS-SVM model is 1.32 × 10⁻³ °/h, which has decreased 8.57 × 10⁻³ °/h from that before compensation. It indicates that this method has reduced the influence of temperature variation on the RLG bias effectively and improved the gyro’s accuracy.     

垂线偏差对惯导系统位置误差的影响分析

针对制约高精度惯性导航系统精度的垂线偏差误差项问题，研究了垂线偏差对惯性导航系统水平位置误差的影响及各级惯导系统误差补偿时垂线偏差的指标需求。首先，推导了垂线偏差引起的惯导系统误差项的直接差分法和四阶龙格库塔数值更新算法，对比分析了两种算法在不同地区的水平位置误差的更新效果；然后，采用3种分辨率的垂线偏差网格数据对惯导系统进行补偿；最后，分析了垂线偏差补偿频率对位置误差补偿的效果并开展了车载导航DOV补偿实验。仿真及实验结果表明，两种误差更新算法都可以有效计算水平位置误差；垂线偏差最大可引起近3 000 m的位置误差，水平姿态误差与方位姿态误差1 h漂移约18″和72″;经DOV补偿后，水平定位精度提升了约230 m。     

MEMS-based rotary strapdown inertial navigation system

As the inertial navigation completely depends on the sensed acceleration and rotation rate by IMU, the sensor errors accumulate and eventually lead to diverged inertial solutions. Therefore the compensation of the inertial sensor errors is an effective approach to improve the SINS navigation performance. The rotation error modulation in rotary SINS, which has been extensively used for the filter-optical IMU in the past, is one of the techniques to compensate or mitigate the inertial sensor errors and eventually improve the system navigation performance. The rotary SINS is an inertial navigator in which the IMU is installed on the rotational platform and rotated following the pre-designed rotation configuration, and the rotation error modulation is the technique that compensates the navigation errors caused by inertial sensor bias in a complete rotation cycle by rotating IMU. Given the auto-compensation of inertial sensor bias in rotation error modulation, the objective of this paper to develop a MEMS-based rotary SINS, in which the significant sensor bias is automatically compensated by rotating the IMU, to offer the comparable navigation performance to tactical-grade IMU. Simulation results indicate that, compared with the conventional method, the proposed approach attenuates the navigation errors and improve the calibration accuracy based on the reciprocating rotation scheme can be used to automatically improve the observability.     

一种单轴旋转捷联惯导的三位置对准方法

针对单轴旋转式捷联惯性导航系统,提出了一种基于惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)旋转的三位置初始对准方法.在系统可观测性分析的基础上,建立IMU姿态与失准角之间的关系,提出了使失准角估计偏差为零的三位置对准方法.与以往固定位置对准和两位置对准进行了比较,表明该方法可以消除不可观测的水平加速度计零偏和东向陀螺常值漂移对初始对准精度的影响,大大提高了系统初始对准精度.     

混合式惯导系统自标定技术研究

混合式惯导系统是一种集平台式、捷联式、旋转式惯导系统优点于一体的新型惯导系统。该型惯导可利用自身的旋转机构和高精度、高分辨率角度传感器实现不拆机条件下的误差参数自标定功能,极大简化了标校流程和系统维护工作量,有利于武器平台和作战系统效能的发挥。针对混合式惯导系统的结构特点和典型的旋转方式进行了误差分析,给出了误差参数自标定的设计原则和方法,并用混合式惯导原理样机进行了验证,结果表明,所设计的自标定方案能够在不拆机条件下利用自身旋转机构完成对陀螺漂移、加计零偏、刻度系数误差及安装偏角等参数进行精确估计,因此具有较高的理论意义和工程应用价值。     

一种改进的在线测量SINS陀螺常值漂移的方法

捷联惯性导航系统(SINS)中随时间变化的陀螺常值漂移是导致SINS导航误差的主要因素之一.在现有全监控方法的基础上,提出一种改进的在线测量SINS陀螺常值漂移的方法.利用短时间内监控陀螺常值漂移变化缓慢的特点,改进监控陀螺的旋转方案,在减少监控陀螺旋转次数提高效率的同时保证陀螺常值漂移的测量精度.详细介绍了其原理并进行了理论推导和误差分析,最后通过陀螺全监控和惯性导航半物理仿真实验验证了其有效性.仿真结果表明,该方法有效降低了实施的复杂性,同时使监控补偿后的陀螺漂移减小了一个数量级(均方根),惯性导航平面位置精度提高了近5倍.