捷联惯导系统的可观测性和可观测度研究

可观测性和可观测度分析是确定动态系统卡尔曼滤波效果的重要环节．本文首次提出了一种时变动态系统可观测性矩阵的奇异值分解分析方法，应用于捷联惯导系统初始对准过程中系统状态的可观测度分析取得显著效果，该方法为初始对准中载体最佳机动方案选择提供了依据．计算机仿真结果表明了该方法的有效性．     

捷联惯系统的可观测性和可观测度研究

可观测性和可观测度分析是确定动态系统卡尔曼滤波效果的重要环节，本文首次提出了一种时变动态系统可观测矩阵的奇异值分解分析方法，应用于捷联惯导系统初始对系统状态的可观测度分析取得显著效果。该方法为初始对准中载体最佳机机动方案选择提供了依据，计算机仿真结果表明了该方法的有效性     

基于非线性滤波的捷联惯导系统罗经法对准改进算法

为提高捷联惯导系统初始对准的快速性和精确性,根据传统的平台惯导系统罗经法对准原理,提出包括水平对准和方位对准的捷联式罗经对准算法.给出了导航坐标系下加速度和角速率的修正值,经过姿态矩阵的转换对载体坐标系下的惯性测量组件输出值进行修正补偿.对不同初始姿态角误差和不同初始航向角的仿真表明,初始航向角的改变对系统影响较大,特别在大方位失准角情况下.采用UKF算法对非线性模型滤波的仿真结果显示,最大航向角误差从15′降至6′,证明将罗经法和UKF滤波方法相结合进行捷联系统初始对准是可行有效的.     

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.     

基于视觉的无人机姿态角估计

通过提取视频图像上跑道的线性特征以及利用消失点的定义来估计无人机(UAV)的三个姿态角.先对相机的三个姿态角进行估计:利用跑道底线估计出滚动角,用消失点在图像上的位置来估计偏航角,结合消失点的定义给出俯仰角的估计,同时对偏航角和俯仰角的估计进行修正,随后给出无人机的姿态角估计.仿真试验证明了所提方法的有效性,滚动角的估计误差在0.8°之内,偏航角和俯仰角的误差在0.2°之内.     

SINS/CCD系统四元数中心差分姿态估计算法

针对载体捷联惯性导航系统(SINS)姿态确定中乘性四元数扩展卡尔曼滤波在大初始失准角情形下收敛速度慢及计算精度较低的问题,提出了捷联惯导与星敏感器组合系统姿态估计模型的单位四元数二阶中心差分算法.在推导系统姿态四元数非线性误差模型及其变量计算基础上,利用拉格朗日代价函数法计算四元数加权均值和四元数状态向量,以及非四元数向量分离策略计算估计均值及其方差矩阵,实施中心差分最优姿态估计计算达到提高算法计算精度和降低系统计算量的目的.仿真验证表明:在载体大初始失准角情形下,该算法相比于乘性扩展卡尔曼算法和四元数无迹卡尔曼算法,滤波精度得到提高,算法收敛速度相比于乘性扩展卡尔曼算法有所改善.     

基于最小二乘法MEMS惯性传感器姿态解算算法

针对MEMS惯性传感器在测量时出现误差不稳定和外界磁场变化所造成的姿态角误差较大问题,提出一种基于最小二乘法MEMS惯性传感器姿态解算算法.采用静态六位置法对三轴加速度计标定,对三轴加速度计建立误差模型,利用最小二乘法确定误差参数.根据欧拉角法中倾斜角和航向角分开求解特点,减小磁场变化干扰,再对欧拉角中存在的奇异值问题进行改进,分为一般姿态值和奇异值状态姿态值两种滤波模式.实验结果证明,通过对三轴加速计的标定补偿和欧拉角的奇异值问题改进后得到的姿态角精度高,并且在遇到磁场变化时稳定性优于四元数法,不会出现奇异值.     

两时间尺度的捷联速度算法研究

根据奇异摄动理论分析具有小参数的捷联惯导系统方程,在两时间尺度上对系统状态方程进行了降阶简化处理,设计捷联算法.在内回路推力速度矢量计算中,应用一种新的划船补偿算法补偿比力转换过程中载体姿态变化产生的速度误差.在外回路中进行重力地速计算,完成导航坐标系上速度的更新.仿真结果表明:新算法精度与Savage四子样算法近似,计算量小.     

单信标测距AUV水下定位系统观测性分析

针对基于单信标测距的自主水下航行器(AUV)定位系统观测性问题,建立AUV三维空间运动学模型,选取实物平台常用的深度、偏航角和俯仰角作为基本观测量辅助距离信息进行水下定位,利用基于Lie导数的非线性系统观测性秩判据分析不同辅助测量值下系统的可观性以及控制输入和运动路径对可观性的影响。研究结果表明:满足定位系统可观测的最简量测组合为距离值和偏航角,含有偏航角的辅助量测组合均使得定位系统可观测,系统控制输入和运动路径的变化会导致可观性发生变化。     

四阶龙格-库塔法在捷联惯导系统姿态解算中的应用

捷联式惯导系统相对于平台式惯导系统姿态解算要复杂得多,捷联系统通过提取陀螺仪和加速度计的测量值实时进行姿态矩阵更新,从而获得载体的姿态信息。介绍了利用四阶龙格—库塔法解捷联姿态微分方程的方法,并以典型圆锥运动作为输入进行仿真分析,适当地改变圆锥运动参数,检验该姿态算法的准确性及精度.仿真结果表明,在圆锥运动环境下四阶龙格—库塔法的姿态解算的精度随着计算周期τ的减小而增大,随着锥运动参数α和ω的增大而减小。     

SINS/OD/MM组合导航系统可观测性分析

通过对SINS/OD组合系统和SINS/MM组合系统的可观测性进行初步的定性分析。利用可观测分析的基本方法对SINS/MM/OD组合导航系统在不同机动条件下的可观测性进行了详细的分析。仿真结果表明:SINS/OD/MM组合导航系统的姿态、位置、速度均可观测;系统各状态可观测程度与载车行驶轨迹有很大关系。当载车做大的机动转弯时,能有效地提高系统方位误差角的可观测性。     

基于子空间方法的非均匀多采样率系统辨识

针对非均匀多采样率系统的建模问题,根据因果关系,建立了非均匀多采样率系统的状态空间模型.对于含有提升变量的状态空间模型,提出基于子空间技术的辨识方法.首先,由系统的输入输出数据建立由Hankel矩阵组成的扩展状态空间方程;其次,利用斜交投影的原理,以及奇异值分解,通过子空间辨识算法确定增广观测矩阵和状态向量;最后,通过最小二乘方法确定模型的参数矩阵.该方法简单有效且对初值具有鲁棒性.仿真实例验证了方法的有效性.     

基于均衡实现的离散广义系统模型降阶

研究离散广义系统尤其是非因果子系统的模型降阶问题·首先对原系统进行系统变换,将降阶问题归结于只对非因果子系统进行化简,从而达到真正的广义系统的模型降阶,即保留系统原有的非因果性·然后分析了广义系统的可控性和可观性,且用Hankel奇异值的大小来衡量对应状态的可控程度和可观程度·结果表明,在均衡实现的系统中,较小的Hankel值所对应的状态的可控性和可观性都"较弱",从而为模型降阶提供了理论依据·最后对离散广义系统给出了一种新的降阶算法·数值仿真证明了该算法的有效性·     

不同布局无人作战飞机电磁隐身性能分析

无人作战飞机是当前研究热点之一,为研究不同气动布局无人作战飞机的隐身性能,分别建立常规布局A、无尾飞翼布局B、三角形飞翼布局C的电磁模型。采用物理光学法,计算了不同状态的RCS（Radar Cross Section）散射曲线并分析了分布特点、频率及俯仰角响应特性。结果表明,无人作战飞机的电磁散射特性取决于气动布局和结构形式,也与机翼前后缘、机身、进气道、尾喷口、垂尾等细节设计相关,布局A在前后向均有散射波峰,而采用外形隐身技术的布局B、C无明显散射波峰;频率增加时,各布局不同角域RCS均值减小,布局C前向角域最低为-34.308 7 dBsm,俯仰角变化时,受布局结构外形设计影响,算术均值呈振荡变化;布局C在前、后向角域具有最好的多频隐身性能,布局B在前向角域的不同俯仰角隐身性能较好,布局A隐身性能较差。     

奇异系统中的几个基本观控性子空间

重新定义了奇异系统的脉冲能控(观)性子空间和脉冲能控(观)性,讨论了系统脉冲能控(观)模的个数问题;在不分解原系统的情况下,用原系统参数直接给出了脉冲能控(观)性子空间,强能控(观)性子空间和能达能控(观)性子空间的表达式;应用所得到的结果,建立了一些有关奇异系统能控(观)性的新判据。     

基于EKF的多MEMS传感器姿态测量系统

姿态信息是飞行控制中最关键的参数之一,因此姿态测量成为飞行控制系统首要解决的问题。利用多M EM S传感器研制了一种微型姿态测量系统。利用三轴M EM S加速度计和三轴M EM S陀螺数据,由方向余弦矩阵的姿态表示形式推导了扩展K a lm an滤波方程,解算出飞行器的俯仰角和横滚角;设计专家系统判断飞行器的运动状态,并根据该状态调整滤波算法中的测量噪声矩阵,使系统可同时满足静态情况和动态情况的使用;利用空速和高度数据对俯仰角进行修正,利用GPS解算航向角。将实验结果与国外最新的商用自动驾驶仪的姿态结果进行了比较,二者在静态情况下非常吻合,在动态情况下基本吻合。     

一种基于改进自抗扰控制器的风电机组变桨距控制策略

为了改善风电机组的恒功率输出区域的动态性能,提出了一种基于改进自抗扰控制器的变桨控制策略。当风速高于额定风速时,通过调节桨距角改变风机气动转矩,保证风机输出功率的稳定性。设计了一个改进的连续光滑的非线性函数,可有效提高系统的抗扰动能力。基于该非线性函数对传统自抗扰控制器做出了改进。仿真结果证明,改进自抗扰控制器的变桨距控制系统能够对桨距角进行精确调整并将输出功率快速稳定到额定值附近,具有较快的响应速度及较好的抗扰动能力。     

双馈风力发电机组协调多目标非线性控制

为平抑双馈风力发电机组额定风速以上的转速和功率波动,基于协调无源性方法,提出一种同时考虑桨距角和转子励磁控制的协调控制策略。首先,在分析风力机特性和双馈感应发电机基本电磁关系的基础上,给出风力发电机组桨距角调节、转子励磁控制的四阶系统非线性模型。特别对风能利用系数进行了关于桨距角的多项式拟合,并对拟合的不确定性建模,确保了模型的准确性。其次,由Lyapunov方法设计前两阶鲁棒控制器,得到桨距角控制输入,再用协调无源性方法设计励磁控制部分,使得整个系统达到反馈无源,既保证了系统的鲁棒性,又保证了整个系统的渐近稳定性。最后,通过仿真验证了控制策略的控制效果,并与其他控制策略进行了比较,验证了该控制策略的有效性。