基于EPEA的SINS大失准角非线性初始对准方法

基于欧拉平台误差角(EPEA)的概念描述了理论导航坐标系到计算导航坐标系之间的失准角,推导了捷联惯导系统(SINS)在大失准角情况下进行初始对准的非线性误差模型.在系统噪声和量测噪声均为加性噪声且量测方程为线性方程时,给出了带阻尼解算的简化扩展卡尔曼滤波(EKF)算法和简化无迹卡尔曼滤波(UKF)算法,同时分析了不同失准角情况下初始对准过程的异同.静基座状态下的Monte Carlo仿真结果表明,大失准角和大方位失准角情况下,EKF和UKF算法都能满足对准要求,其中UKF算法较EKF算法具有对准时间更快、对准精度更高和适用范围更广的优点;小失准角情况下,由于捷联惯导系统的线性化误差变小,二者的对准时间和对准精度基本相同.     

UKF和UPF在惯导初始对准中的应用研究对比

捷联惯性导航系统是新型航位推算系统,在惯导系统执行工作任务之前需要进行初始对准,以保证系统的正常运行。对捷联式惯导系统,初始对准就是确定初始时刻的姿态阵,利用惯性元件的输出信息,选用合适的滤波方法,将计算的导航坐标系与真实导航坐标系的失准角估计出来,来修正姿态矩阵,使计算坐标系与真实坐标系尽可能重合。在实际的导航系统中,状态方程和量测方程通常都是非线性的,对于非线性特性,传统的解决方法是利用EKF滤波算法,但它只适用于弱非线性模型的估计,系统的非线性越强,引起的估计误差就越大,甚至会引起滤波发散。为此提出两种滤波算法UKF与UPF,并将两者进行了仿真对比,结果表明UPF算法比UKF算法收敛速度更快,估计精度更高。     

无迹卡尔曼滤波和无迹粒子滤波在惯导初始对准中的应用对比

捷联惯性导航系统是新型航位推算系统,在惯导系统执行工作任务之前需要进行初始对准,以保证系统的正常运行。对捷联式惯导系统,初始对准就是确定初始时刻的姿态阵,利用惯性元件的输出信息,选用合适的滤波方法,将计算的导航坐标系与真实导航坐标系的失准角估计出来,来修正姿态矩阵,使计算坐标系与真实坐标系尽可能重合。在实际的导航系统中,状态方程和量测方程通常都是非线性的,对于非线性特性,传统的解决方法是利用EKF滤波算法,但它只适用于弱非线性模型的估计,系统的非线性越强,引起的估计误差就越大,甚至会引起滤波发散。为此提出两种滤波算法无迹卡尔曼滤波UKF与无迹粒子滤波UPF,并将两者进行了仿真对比,结果表明(UPF)算法比(UKF)算法收敛速度更快,估计精度更高。     

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.     

捷联式光纤陀螺罗经系统误差分析

对采用光纤陀螺的捷联式罗经系统进行了研究.提出了使用惯性组件旋转调制技术提高光纤陀螺捷联式罗经系统精度的方法,分析了罗经系统的误差特性.针对旋转组件的误差,在系统初始对准过程中,应用限定记忆的Kalman滤波进行状态估计,提高了对准精度.静止基座的初始对准仿真结果表明,航向失准角估计误差均方差为0.159°.     

SINS非线性自对准中的强跟踪UKF算法设计

为了实现噪声不确定和干扰环境下捷联惯导系统(SINS)的快速初始对准,结合无迹卡尔曼滤波(UKF),从强跟踪滤波2个条件出发,提出了一种新的强跟踪UKF算法.该算法充分利用了SINS非线性自对准滤波模型的特点,简化了强跟踪UKF的步骤,很大程度上减小了计算量,提高了算法的实时性.在给出算法流程的同时给出了该强跟踪UKF成立的证明,并根据强跟踪滤波充分条件给出了次优渐消因子求解过程,分析了算法的优越性.最后,通过SINS大方位失准角初始对准仿真和车载试验结果证明了新的强跟踪UKF算法的正确性和优越性.     

基于四元数的捷联惯导惯性系晃动基座自对准算法

为提高捷联惯导系统在晃动基座下初始对准的快速性和精度,提出了一种基于四元数的捷联惯导惯性系晃动基座自对准算法.该算法利用惯性坐标系下的姿态更新来实时地反映载体在晃动干扰下的姿态变化,通过四元数推导将初始姿态的最优估计转化为Wahba姿态确定问题,以消除角晃动干扰的影响;并根据惯性系下重力矢量和晃动干扰加速度不同频的特点,引入小波阈值消噪以消除线振动干扰的影响,从而提高算法在晃动基座下的对准精度.仿真结果表明,该算法不需要进行粗对准,具有角晃动干扰隔离能力和线振动干扰抑制能力,能够实现晃动基座下的快速、精确自对准.     

低成本捷联惯导系统的静基座快速精对准方法

针对低成本捷联惯导系统难以完成航向自对准以及静基座对准可观性和可观度低的问题,提出了同时将速度误差、姿态误差和航向误差作为观测量的卡尔曼滤波对准方案;建立了姿态误差、航向误差与数学平台误差角之间的量测关系;推导了利用加速度计计算姿态的方法,并配置磁传感器作为外观测设备提供航向参考基准,从而获得滤波器观测量.结果表明,建立的对准模型和方法有效提高了系统的可观性和可观度,缩短了对准时间、提高了对准精度,并且实现了低成本捷联惯导系统的航向对准,具有重要的工程实用价值.     

EM-CDKF算法及其SINS初始对准应用

针对非线性捷联惯导系统噪声先验统计信息未知问题,基于中心差分卡尔曼滤波基本算法,采用极大似然准则构造极大期望最速下降梯度算法展开系统未知噪声统计特性在线估计计算研究,构建一类捷联惯导系统初始对准极大期望自适应中心差分最优滤波算法.该算法利用极大似然准则构造系统噪声统计特性对数似然函数,采用极大期望最速下降梯度法把系统噪声统计特性估计转化为对数似然函数期望最大值计算,获得系统过程噪声和观测噪声在线递推估计的自适应极大期望中心差分卡尔曼算法.经过大方位失准角捷联惯导系统初始对准仿真实验,与中心差分卡尔曼滤波基本算法相比,自适应极大期望中心差分卡尔曼算法能够有效解决基本算法在系统噪声先验知识未知情形下的滤波精度下降甚至发散问题,并且能够实现系统噪声统计特性的在线递推估计.     

ISCPF在捷联惯导初始对准中的应用

针对标准粒子滤波算法中存在的重要性密度函数难以选取的问题,提出了一种新的迭代平方根容积粒子滤波(ISCPF)算法.将高斯-牛顿迭代和平方根容积卡尔曼滤波(SCKF)算法相结合,得到迭代平方根容积卡尔曼滤波(ISCKF)算法.利用ISCKF算法获得粒子滤波算法的重要性密度函数,有效抑制了粒子退化现象.捷联惯导系统大方位失准角初始对准的仿真结果表明:该算法对航向失准角的估计精度可以达到2.21′,相比于标准粒子滤波(PF)算法和容积粒子滤波算法(CPF)具有更高的估计精度.     

车载激光捷联惯导系统的快速初始对准及误差分析

研究车载激光陀螺捷联惯导系统的快速初始对准技术,采用双位置对准的技术方案,给出了双位置初始对准的基本原理及软件流程,对对准精度 实际测试,并对影响对准精度的误差源进行了分析,双位置对准方案,消除了陀螺常值漂移和加速度计零偏对对准精度的影响。     

激光捷联惯导系统中转位系统的设计与实现

研究激光捷联惯导系统中的转位控制技术。采用捷联惯导系统本身的ＲＬＧ实现转位系统的闭环数字控制,给出了转位伺服系统的结构组成以及数字控制器的设计方法和设计过程,给出了数字控制器的计算机实现方法和软件流程。仿真及调试结果表明,所设计的转位伺服系统满足捷联惯导系统的要求,既保证了转动的平稳性,克服了到位撞击问题,又不增大体积,增加成本。     

陆用捷联惯导系统中里程计刻度因子的在线辨识

提出陆用捷联惯导系统中里程计刻度因子的在线辨识算法．该算法利用捷联惯导系统在初始对准结束后，刚转入导航工作状态的短时间内，惯导解算精度高的特点，通过加速度计的测量值，采用渐消记忆最小二乘递推算法对里程计的刻度因子进行在线辨识．仿真试验表明，该算法有较强的工程实用性，能有效地解决里程计测量路程的误差积累问题，从而提高整个陆用捷联惯导系统的定位精度．     

线振动条件下激光陀螺捷联惯导附加漂移补偿技术

针对振动条件下惯性器件会产生较大漂移的问题,从导航误差方程出发,以速度和位置误差作为观测量,设计了双位置卡尔曼滤波初始对准测漂方法。利用这种方法对振动条件下系统中激光陀螺的零漂和加速度计的零位的变化进行了估计;同时在导航解算过程中对惯性器件的振动附加漂移进行补偿。振动条件下对准测漂实验表明:利用双位置卡尔曼滤波方法可以很好的估计出惯性器件的振动附加漂移。振动漂移误差补偿实验表明:在导航结算过程中对惯性器件的振动漂移进行有效补偿后导航精度明显提高。     

对偶四元数捷联惯性导航系统初始对准方法

采用对偶四元数将捷联惯性导航系统坐标系间的转动和平移统一考虑,以降低初始对准的模型复杂度和计算复杂性.给出了对偶四元数捷联惯性导航系统初始对准过程的粗对准模型,在此基础上,分别获得了基于加性和乘性对偶四元数误差的精对准模型.以航向角估计为例进行仿真分析,结果表明,采用该方法的收敛速度比传统方法加快了约40%,对准精度提高约0.01°.     

基于多模型估计提高捷联惯导系统初始对准的精度

采用卡尔曼滤波技术进行捷联惯导系统静基座初始对准时,不能准确获得实际系统中噪声的方差,存在一定的不确定性;同时,由于一些状态不可估计或估计效果很差,采用简化状态方程进行对准,存在着模型参数不确定性。本文采用多模型估计方法处理这些不确定性问题,大大提高了对准的精度,仿真结果表明这一方法是有效性的。     

R-T-S平滑算法在捷联惯性异航系统初始对准精度事后评估中的应用

捷联惯性导航系统(SINS)通常采用Kalman滤波实现初始对准．由于R-T-S最优固定区间平滑算法的精度比Kalman滤波高，采用R-T-S最优平滑算法通过事后处理SINS对准数据来计算SINS的失准角，作为参考失准角，对SINS初始对准的精度进行事后评估．以船用SINS为例进行了仿真．结果表明，R-T-S最优平滑算法的精度比Kalman滤波精度高，从而说明利用R-T-S平滑算法对SINS初始对准精度进行事后评估是可行的．