水下潜航器的惯导/超短基线/多普勒测速信息融合及容错验证

针对水下潜航器惯导系统的定位误差积累和容错性差等问题,分析了水声超短基线的相位差定位方法,推导了基于惯导提供实时位置、姿态误差角信息的惯导/超短基线(INS/USBL)导航解算过程及其坐标转换。结合惯导/多普勒测速(INS/DVL)滤波器,给出INS/USBL/DVL组合导航联邦滤波在3种信息融合算法下的应用。通过MATLAB仿真对导航算法进行了验证,结果表明该导航算法能够抑制惯导系统误差随时间发散的问题,能充分利用了3种导航系统提供的参数信息,且状态维数低,滤波收敛速度快,其中基于精度因子信息分配方法的导航系统误差最小。容错性验证结果显示,当超短基线出现故障时,重构后的组合导航系统在较高航速情况下依旧能提供有效的导航参数。所提出的INS/USBL/DVL组合导航联邦滤波方法能够精确地提供水下潜航器的各位导航参数信息,且具有较高的容错性和稳定性。     

捷联惯导系统极区水下动基座对准EI北大核心CSCD

惯性导航系统正常工作前需进行初始对准,极区和水下环境中的动态对准是惯导系统初始对准的难点。通过惯性坐标系下的惯导系统误差模型进行卡尔曼滤波初始对准,避免了对准误差随纬度升高而发散的问题。在水下利用载体坐标系测速设备提供速度参考,为卡尔曼滤波器提供速度误差观测量。在对准过程中,利用航位推算方法对载体位置进行实时更新,进一步提高了对准精度。通过跑车数据及仿真试验对算法进行验证,结果表明,所提算法可以有效实现惯导系统在极区水下环境中的动态初始对准。     

捷联惯导系统极区水下动基座对准

惯性导航系统正常工作前需进行初始对准,极区和水下环境中的动态对准是惯导系统初始对准的难点。通过惯性坐标系下的惯导系统误差模型进行卡尔曼滤波初始对准,避免了对准误差随纬度升高而发散的问题。在水下利用载体坐标系测速设备提供速度参考,为卡尔曼滤波器提供速度误差观测量。在对准过程中,利用航位推算方法对载体位置进行实时更新,进一步提高了对准精度。通过跑车数据及仿真试验对算法进行验证,结果表明,所提算法可以有效实现惯导系统在极区水下环境中的动态初始对准。     

旋转调制式激光惯导系统综述

对激光惯导系统导航精度提高方法进行了分析,认为旋转调制技术是提高激光惯导系统长航时导航精度的一种有效可行的方法,并对旋转调制技术国外发展现状、技术原理、工程实现方案及关键技术进行了阐述。     

一种AGV改进惯性导航系统的设计及实现

为提高惯导式自动导引车(AGV)的导航精度,设计了一种改进惯性导航系统。该系统以单片机为核心,将基于差速驱动模型求得的AGV航向角作为状态量,将由惯导单元测量的角度值作为观测量,通过Kalman滤波来优化航向角;同时基于模糊PID算法进行AGV驱动轮的转速控制来提高航向角的控制精度。针对惯导系统易产生的累积误差,设计了磁钉纠偏模块进行有效消除。实验测试结果表明,该系统能够进行偏航角的准确测量和控制,实现了惯导式AGV的精确导航;与常规惯导系统相比,其导航误差平均减少近50%,验证了改进系统的有效性和优越性。     

基于单星测量的星光惯性组合导航

为减小杂光影响,全天时星光定向仪一般采用小视场,同一时刻只能观测一颗恒星无法输出姿态信息。本文提出一种基于单星测量的星光惯性组合导航系统,首先根据惯导输出的姿态和位置信息,控制转台和星光定向仪摆镜保证星光定向仪对目标导航星的观测,之后根据惯导的误差模型建立系统状态方程,根据星光定向仪测量的导航星方向矢量建立测量方程,利用卡尔曼滤波算法修正惯导输出的姿态位置信息。该方法引入星光定向仪与惯导安装误差作为系统状态量,在修正导航信息的同时对星光定向仪与惯导之间的安装误差进行估计,因此无需在实验室进行标定。通过仿真分析了不同安装姿态误差及不同惯导和星光定向仪误差对组合导航系统导航精度的影响。结果显示采用该方法导航1 h,位置精度优于90 m,姿态精度优于8″,相比利用实验室标定的安装姿态进行导航,该方法的精度更高。最后进行了静态导航实验,结果显示组合导航的位置误差为102.90 m,相比直接采用实验室标定的安装姿态进行解算结果提高近45.39%,验证了该算法的有效性。     

用于无源重力导航的等值线匹配算法

提出了一种用于重力辅助惯性导航系统的基于误差平方和价值函数最优的等值线匹配算法.该算法充分利用惯性导航系统短时高精度的特点,根据惯导系统导航信息以及重力场测量信息,在先验重力图上通过搜索、跟踪和决策来确定匹配航迹,实现重力辅助导航定位.在一片真实海域重力异常图上得到的仿真结果表明,在正常海况下,该算法的匹配误差可限制在1个重力图网格之内,且不受惯导定位误差的影响,克服了其他匹配算法在惯导定位误差大时失效的缺陷.     

捷联惯导系统的误差模型与仿真

为研究捷联惯导系统短时间导航精度,建立了导航误差数学模型,分析了惯性器件误差对系统导航精度的影响.应用捷联惯性导航原理,针对系统短时间导航的特点,简化了载体在导航坐标系的导航方程;由惯性器件安装误差与陀螺仪等效零漂经过方向余弦矩阵变换建立载体姿态误差方程;结合导航方程、姿态误差方程与惯性器件误差推导出载体速度误差与位置误差数学模型.在此基础上,建立了误差状态空间方程与误差模型框图.在Matlab/Simulink环境下建立了误差数学模型计算模块,用捷联惯导算法与误差模型共同解算地面150 s导航试验数据.结果表明:导航系X轴的相对系统误差＜20%,Y轴、Z轴的相对系统误差＜4%,验证了误差数学模型的正确性.此外,分析了加速度计精度的变化对短时间工作的捷联惯导系统导航误差产生的基本影响.     

捷联惯导系统误差模型与仿真分析

为研究捷联惯导系统短时间导航精度,建立了导航误差数学模型,分析了惯性器件误差对系统导航精度的影响。应用捷联惯性导航原理,针对系统短时间导航的特点,简化载体在导航坐标系的导航方程;由惯性器件安装误差与陀螺仪等效零漂经过方向余弦矩阵变换建立载体姿态误差方程;结合导航方程、姿态误差方程与惯性器件误差推导出载体速度误差与位置误差数学模型。在此基础上,建立了误差状态空间方程与误差模型框图。在Matlab/Simulink环境下建立了误差数学模型计算模块,用捷联惯导算法与误差模型共同解算地面150秒导航试验数据,结果表明：导航系X轴的相对系统误差小于20%,Y轴、Z轴的相对系统误差小于5%,验证了误差数学模型的正确性。此外,分析了加速度计精度的变化对短时间工作的捷联惯导系统导航误差产生基本的影响。     

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。     

引入滑模观测器的GPS/INS组合导航滤波方法

由低成本器件组成的卫星/惯性(GPS/INS)组合导航系统中,存在较大的非线性与不确定性,为改善这一问题,本文提出一种引入滑模观测器(SMO)的滤波方法。首先,该方法建立了组合导航系统模型,介绍了扩展卡尔曼滤波(EKF)计算过程并分析存在的不足。然后,介绍了滑模观测器的基本原理,根据系统构建观测器。最后,说明了引入滑模观测器的EKF组合导航算法实现流程,滑模观测器将模型误差、状态估计以及均值方差融入EKF算法,修正系统输出。通过轨迹仿真实验与车载实验验证了所提方法优于传统EKF算法,具有更高的滤波精度。在车载实验中,卫星信号失锁15 s情况下,与EKF方法相比,所提方法的东向位置误差降低了53%,北向位置误差降低了37%,证明该方法能够有效抑制GPS/INS组合导航误差发散,为以后工程实践提供一定的参考价值。     

Novel hybrid of strong tracking Kalman filter and wavelet neural network for GPS/INS during GPS outages

Aiming to improve positioning precision of the GPS/INS integrated navigation system during GPS outages, a novel model combined with strong tracking Kalman filter (STKF) and wavelet neural network (WNN) algorithms for INS errors compensation is proposed and tested. STKF is used to estimate INS errors as a replacement of Kalman filter (KF), and WNN is applied to establish a highly accurate model based on STKF when GPS works well and to predict INS errors during GPS outages. Performance of the proposed model has been experimentally verified using GPS and INS data collected in a land vehicle navigation test. The comparison results indicate that the proposed model combined with STKF/WNN algorithms can effectively provide high accurate corrections to the standalone INS during GPS outages.     

运载火箭上面级惯性与天文组合导航系统设计

针对运载火箭上面级惯性导航随时间累积而误差增大以至不能满足长时间工作要求的问题,对采用星敏感器和地球敏感器修正惯性导航误差的方案进行了研究。首先,导出了上面级常用坐标系定义和姿态转换矩阵。然后,根据惯性导航的误差传播特性、星敏感器测量方程和地球敏感器的模拟测量方程,给出了组合导航的状态方程和观测方程。最后,设计了基于Matlab/dSpace仿真平台的星敏感器在导航回路中的半物理仿真实验。实验结果表明,组合导航使惯性导航位置误差矢量和从1.1719×104m减小到1.0367×103m,速度误差矢量和从11.2827m/s减小到3.6626m/s,姿态误差从0.1°减小到5′,说明了该组合导航方案能够有效修正惯性导航时间累积误差,半实物仿真实验验证了惯性/天文组合导航方案的可行性与正确性。     

A dead reckoning localization system for mobile robots using inertial sensors and wheel revolution encoding

Inertial navigation systems (INS) are composed of inertial sensors, such as accelerometers and gyroscopes. An INS updates its orientation and position automatically; it has an acceptable stability over the short term, however this stability deteriorates over time. Odometry, used to estimate the position of a mobile robot, employs encoders attached to the robot’s wheels. However, errors occur caused by the integrative nature of the rotating speed and the slippage between the wheel and the ground. In this paper, we discuss mobile robot position estimation without using external signals in indoor environments. In order to achieve optimal solutions, a Kalman filter that estimates the orientation and velocity of mobile robots has been designed. The proposed system combines INS and odometry and delivers more accurate position information than standalone odometry.     

抗野值自适应卫星/微惯性组合导航方法

针对在复杂城市环境下卫星导航系统(GNSS)定位定速存在野值,导致GNSS/微惯性(MEMS-INS)组合导航状态参数滤波估计精度恶化,甚至滤波发散的问题,提出了一种抗野值自适应GNSS/MEMS-INS组合导航算法,以提高组合导航精度和可靠性。该算法利用Allan方差分析建立较为精确的MEMS器件噪声模型,有效降低模型异常和状态扰动的影响。同时利用新息序列构造观测异常检验统计量,并根据该统计量构造自适应新息加权因子调节滤波增益矩阵,削弱观测野值对状态估计的不良影响。实验结果表明,该算法能够有效地控制GNSS定位定速异常的影响,具有较强的实时性和容错性。相比于传统算法,车载定位、定速和定姿精度分别提升35.78%、60.19%和82.41%,验证了本文算法的有效性和实用性。     

Attitude determination GPS/INS integrated navigation system with FDI algorithm for a UAV

Recently an unmanned aerial vehicle (UAV) has been widely used for military and civil applications. The role of a navigation system in the UAV is to provide navigation data to the flight control computer (FCC) for guidance and control. Since performance of the FCC is highly reliant on the navigation data, a fault in the navigation system may lead to a disastrous failure of the whole UAV. Therefore, the navigation system should possess a fault detection and isolation (FDI) algorithm. This paper proposes an attitude determination GPS/INS integrated navigation system with an FDI algorithm for a UAV. Hardware for the proposed navigation system has been developed. The developed hardware comprises a commercial inertial measurement unit (IMU) and the integrated navigation package (INP) which includes an attitude determination GPS (ADGPS) receiver and a navigation computer unit (NCU). The navigation algorithm was implemented in a real-time operating system with a multi-tasking structure. To evaluate performance of the proposed navigation system, a flight test has been performed using a small aircraft. The test results show that the proposed navigation system can give accurate navigation results even in a high dynamic environment.     

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。     

INS/SFGPS PPP紧组合系统动态补偿滤波算法

惯性/卫星组合导航系统结合精密单点定位技术可有效提高导航定位精度。但精密单点定位技术一般需采用双频接收机,成本较高;同时该系统中采用载波相位作为部分或全部观测量,极容易受到周跳的影响而导致精度下降和系统不稳定。针对上述问题,设计了一种惯性/卫星精密定位紧组合导航系统以及基于动态周跳补偿的鲁棒滤波算法。该系统采用低成本的单频接收机(SFGPS),以精密单点定位技术(PPP)处理过的伪距和载波相位作为观测信息,与惯性导航系统(INS)等效观测量进行紧组合,建立了相应紧组合观测模型并引入周跳作为信息融合滤波状态模型中的状态量,以滤波器信息构建周跳检测统计量并对周跳幅值进行识别和估计,实时补偿观测量以提高观测信息精度,同时以前述周跳估计的结果对状态模型中周跳状态量部分滤波参数进行实时调节。上述方法通过动态补偿周跳误差提高导航精度,通过滤波器参数自适应调节提高滤波稳定性。仿真结果验证了该系统模型及算法的有效性。