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。     

基于惯性导航的采煤机位姿监测系统研究与应用

随着采煤机记忆截割、自动调高等智能控制技术不断发展，如何实现采煤机更加精准快速地定位已成为煤矿智能化建设的核心研究方向。目前惯导定位技术仍存在累计误差、位姿飘移等问题，导致采煤机位姿监测不准确，严重影响控制效果。基于此，对采煤机惯性导航定位技术进行了详细分析研究，并对相应惯导位姿监测模型进行建立，在此基础上采用优化的卡尔曼滤波算法对惯导定位系统进行优化，可有效降低系统定位误差，提高系统抗干扰性。     

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。     

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。     

适用于低精度惯导的非线性对准方法研究

给出了一种适用于低精度惯导的非线性对准模型.用乘性四元数形式定义捷联惯导的姿态误差,推导了捷联惯导的非线性速度误差方程和姿态误差方程.基于速度量测信息,给出了大失准角条件下的非线性对准模型,通过UKF算法估计失准角完成精对准.仿真结果表明,在陀螺精度为0.1°/h的情况下,在360s对准时间内达到水平0.03°,方位1.5°的精度(1σ).即使当方位误差达到90°,非线性模型仍能正常收敛.最后通过转台摇摆试验进一步验证了非线性模型的有效性.     

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。     

一种基于磁钉和惯导系统的机器人导航控制算法

智能移动机器人能够通过传感器感知环境和自身状态。针对移动机器人变电站巡检的需求,提出了一种基于磁传感器、低精度惯导系统、编码器的机器人导航控制方法。为了校准惯导系统和编码器的积累误差,并标记机器人移动路径,在路径上每隔一段距离设置一个磁钉。在两个磁钉之间根据惯导系统提供的航向控制机器人直行。在磁钉位置,机器人根据磁钉信息校准惯导航向误差及机器人位置误差,并调整机器人航向。该算法所用传感器成本较低,算法简单易行,在工程上易于实现,提高了变电站巡检机器人导航的实时性和定位精度。     

基于安装方式激励的捷联惯导在线标定算法研究及仿真分析

研究了惯性测量单元(IMU)机载安装方式对捷联惯导在线标定的影响.首先针对动力调谐捷联惯导系统的误差进行了建模和参数估计分析.以激励误差输出为目的,通过改变IMU在试验飞行器的安装位置,从理论算法角度分析了角度偏移和位置偏移两种安装方式对IMU输出的影响,提出基于安装方式激励的捷联惯导在线标定算法,并进行了标定后的补偿效果验证.仿真表明,该算法能有效标定出动态情况下的惯导误差参数,IMU安装方式对惯导的空中在线误差标定起到了很好的激励作用,在同等航迹要求下大大提高了标定精度.     

用经纬仪测量转台回转轴线水平度的方法

为了准确测试水平轴系回转轴线的水平度,将反射镜安装在水平轴系的轴端,用经纬仪对准反射镜,旋转回转轴系,使经纬仪与反射镜准直,并记录经纬仪的竖直角;将经纬仪的竖直轴和俯仰轴翻转180°,对准反射镜后旋转轴系,记录竖直角;计算出回转轴线的水平度。该方法可自动补偿反射镜与回转轴线的垂直度误差和经纬仪俯仰轴的零位误差,提高回转轴线水平度的测试精度。通过实测与误差分析验证了方法的可行性。     

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。     

船载高精度星敏感器安装角的标定

星敏感器测量船体姿态精度与星敏感器与甲板之间的安装角标定精度密切相关。本文介绍了船载星敏感器的相关坐标系及安装角的定义,建立了船载星敏感器蒙气差修正模型,提出了一种船载高精度星敏感器安装角标定方法。船进坞坐墩时,船载经纬仪通过拍摄方位标确定航向,星敏感器通过星图识别获得视场内星点的赤经、赤纬,构成地心惯性系参考矢量,经岁差、章动、极移、船位等修正,得到各恒星在惯导地平系下的参考矢量。然后,根据蒙气差模型对星点逐个修正俯仰角,重构惯导地平系下的参考矢量。最后,依据姿态确定算法原理,解算星敏感器安装矩阵,求解安装角。实验表明,使用该方法可使方位角、俯仰角的标定精度达10"以内。该方法有效发挥了星敏感器指向精度高的优点,改善了程序自动化程度,提高了船体姿态测量精度。     

Observability analysis of ins with a GPS multi-antenna system

This paper investigates observability properties of strapdown INS aided by a GPS antenna array. The motivation to consider a GPS antenna array is that the lever-arms between the GPS antennas and IMU play an important role in the estimation of vehicle attitude and biases of IMU. It is shown that time-invariant INS error models are observable with measurements from at least three GPS antennas. It is also shown that time-varying error models are instantaneously observable with measurements from three antennas. Numerical simulation results are given to show the effectiveness of multiple GPS antennas on estimating vehicle attitude and biases of IMU when IMU has considerable magnitude of biases.     

单轴旋转惯导系统中陀螺漂移的精确校准

基于惯导系统的误差传播特性和轴向陀螺对经纬度误差的影响规律,提出了精确校准轴向陀螺漂移的方法以解决在单轴旋转惯导系统中单轴旋转只能自动补偿与转轴垂直的陀螺漂移,不能补偿轴向陀螺漂移的问题.首先,介绍了单轴旋转惯导系统自动补偿的基本原理.然后,在静基座的条件下分析了轴向陀螺漂移、初始方位和姿态角误差、初始速度误差等对经纬度的影响规律.提出了一种利用经纬度误差作为观测量,采用最小二乘法对轴向陀螺漂移进行精确校准的新方法.最后,利用激光陀螺单轴旋转惯导系统进行了静态导航试验和跑车试验.实验结果显示,该方法对轴向陀螺漂移的辨识精度达到o.000 5(°)/h,系统的定位精度优于1 nm/72 h.该方法能够有效地辨识轴向陀螺漂移,使系统达到较高的导航精度,具有很强的工程实用价值.     

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。     

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。     

一种圆柱类部件调姿的分布式并联机构误差分析

为提高分布式并联调姿机构的对接精度,减少系统误差的影响,从机构布放误差、参数测量误差和机构控制误差３个方面分析了误差原因,并定量分析了各误差的影响程度.以船舶大型推进轴系为例,搭建了船舶轴系对接试验台架,验证了误差分析的正确性,为复杂环境下的圆柱类大型零部件的高效、高精度对接装配提供了参考.     

An accuracy-improvement method for GPS/INS kinematic levelling for use in linear engineering surveying projects

This paper proposes a high-efficiency and continuous levelling method for linear objects, such as highways and railways, by applying a vehicle-borne GPS/INS kinematic surveying system which integrates the Global Positioning System (GPS) and the Inertial Navigation System (INS). Generally, the raw ellipsoid height directly outputted by GPS/INS needs to be transformed to the local orthometric height. However, because of various systematic errors and random errors, such as the measuring error and the quasi-geoid model error, the accuracy of the orthometric height would rarely meet engineering requirements. To solve this problem, a novel sliding least-squares collocation (SLSC) model based on ground control points was constructed to improve the accuracy of GPS/INS kinematic levelling. Two data sets collected from the Chang Ying highway located in Jilin province, China, were used to validate the proposed method. The experimental results indicate that the proposed method improves the trajectory points’ orthometric height accuracy by at least 160%.     

Observability analysis of alignment errors in GPS/INS

Misalignment can be an important problem in the integration of GPS/INS. Observability analysis of the alignment errors in the integration of low-grade inertial sensors and multiantenna GPS is presented in this paper. A control-theoretic approach is adopted to study the observability of time-varying error dynamics models. The relationship between vehicle motions and the observability of the errors in the lever arm and relative attitude between GPS antenna array and IMU is given. It is shown that alignment errors can be made observable through maneuvering. The change of acceleration makes the components of the relative attitude error that are orthogonal to the direction of the acceleration change observable. The change of angular velocity makes the components of the lever arm error that are orthogonal to the direction of the angular velocity observable. The motion of constant angular velocity has no influence on the estimation of the lever arm.     

提高海上白天测星能力的方法研究

船载经纬仪是远洋航天测量船导航定位系统专用光学测量设备.该设备以电视跟踪和测量为基础,主要用于测量船执行海上卫星测控任务和校飞时提供精确的航向数据.通过昼夜测量恒星获取脱靶量解算航向角,修正惯性导航系统的航向差是船载经纬仪的主要功能.由于种种原因白天测星一直不很理想,本文从应用角度提出新的白天测星方法,并重点讨论了视频人工判读法.通过海上校飞及码头校飞的检验,可以提高白天测星的数量和星等,测量精度完全可以满足要求.