摇摆基座上基于信息的捷联惯导粗对准研究

舰船的摇摆使陀螺无法测出地球自转角速度,无法根据陀螺和加速度计的输出直接计算出姿态阵。针对这一问题,提出了基于重力加速度的粗对准算法。该算法中,姿态阵分散成4个矩阵求取,所利用的信息为:摇摆基座姿态变化信息;重力加速度相对惯性空间随地球旋转引起的方向变化信息;地球自转信息;地理信息。算法的巧妙之处是应用惯性凝固假设,建立了基座惯性坐标系ib0,使舰体相对ib0坐标系的姿态阵初值成为单位阵,从而使姿态更新解算成为可能。仿真结果表明,在舰船横摇、纵摇、艏摇幅值分别为10°、7°和5°,周期分别为6 s、5 s和7 s,横荡、纵荡、垂荡幅值分别为0.02 m、0.03 m和0.3 m,周期分别为7 s、6 s和8 s的环境下,由50个样本确定的东、北、天向失准角的均值分别为2.01′-、1.38′和-0.20,°相对的标准差为0.26′、0.21′和1.3,°在此基础上完全可以实现精对准。     

单轴稳定惯导系统速度匹配传递对准的研究

以单轴稳定系统为子系统,采用与主惯导系统的速度匹配方式设计卡尔曼滤波器,完成了单轴系统的飞行传递对准。仿真结果表明：设计的滤波器可以有效的提高单轴稳定系统的对准精度。     

传递对准中主惯导速度匹配量的实时构造算法

研究了当机载主惯导和弹载子惯导分别采用地理坐标系和准惯性坐标系作为导航坐标系时，传递对准过程中主惯导速度匹配量的实时构造算法。提出了利用主惯导导航参数实时构造主惯导速度匹配量的地速转换和修正算法，利用主惯导加速度计输出实时构造主惯导速度匹配量的比力积分算法，以及利用主惯导导航参数和加速度计输出实时构造主惯导速度匹配量的比力积分修正算法。仿真结果表明，3种实时算法在算法精度和计算量方面各有所长。     

一种在摇摆基座上补偿平台干扰加速度的有效方案

在大角度摇摆的基座上,向心加速度是平台调平或惯导系统实现初始对准的主要干扰因素。为了解决问题,很多都采用诸如平移减震支承、陀螺架修正装置、接近84.4min舒勒振荡周期的弱阻尼调平回路等;但是,对杆臂效应所引起干扰加速度的补偿效果仍不能令人满意,尤其对于有些惯导系统,使对准时间长达24h;或对使用环境提出限制,如风速或干扰较大就不允许进行初始对准。本文提出一种根据载体摇摆角速率和平台姿态角变化信号,按动力学原理对干扰加速度进行补偿的有效方案,较好地解决了上述问题。理论分析和模拟计算结果表明:利用现有误差为0.1%的角速率陀螺和误差≯1.5′的姿态角传感器,在摇摆角速率约50°/s、摇摆角幅值≯±20°的条件下,即可保证干扰加速度的补偿误差≤1×10~(-4)g。     

惯导系统的变参数锁定方位环小转角对准法

提出了一种新的变参数锁定方位环小转角对准法的三阶调平系统。用经典的方法，对平台式游移方位惯系系统进行初始对准，可测定和补偿平台三个轴的陀螺漂移，提高对准精度，缩短对准时间。但由于其调平回路是定参数的，其带宽不能适应调平过程中信噪比的变化，从而其性能不能达到最优。针对这一特点，本文提出了这种新方法，经理论分析和仿真研究表明，这种新方法比经典方法，调平速度快而且对水平陀螺测漂及方位角的估值的精度要高。     

捷联惯导初始对准理论及仿真研究

阐述了捷联惯导系统初始对准理论，推导出SDS对准的基本方程，并采用SMM法对准回路进行设计，最后给出了仿真结果．     

BP神经网络在捷联惯导初始对准中的应用研究

提出了基于多层BP神经网络的滤波器，并用于捷联惯导初始对准中．采用BP网络替代初始对准系统中的闭环卡尔曼滤波器，可以确保系统的误差状态始终为小量，实现了惯导初始对准中的滤波与校正功能。采用BP神经网络滤波的优点是：数据并行计算速度快，在滤波时不需要初始数据。仿真结果表明，这种方法简化了系统运算的代数结构，提高了系统状态估值运算的实时性，并且可以保证系统的对准精度。     

CDKF在捷联惯导系统大失准角初始对准的应用

文章基于欧拉平台误差角的概念,建立了大失准角条件下的捷联惯导系统(SINS)非线性误差模型,深入研究了中心差分卡尔曼滤波(CDKF)技术及其在大失准角对准中的应用,进行了静基座下基于扩展卡尔曼滤波(EKF)、Unscented卡尔曼滤波(UKF)和CDKF滤波的SINS初始对准仿真。仿真结果表明,在失准角均为大角度条件下,用CDKF滤波水平对准精度可达0.18,′方位对准精度可达1.63,′比EKF具有更高的精度,并且避免了求Jacobian矩阵带来的不便,提高了可靠性;与UKF相比具有稍高的精度,并减少了可调参数,在实际应用中更加简单方便。     

捷联惯导系统陀螺罗经对准性能的协方差分析

文中推导了协方差方程式的数值解,研究了初始对准回路滤波器参数设计方法。利用协方差分析,从统计意义上探讨了地面晃动基座上采用一阶数字滤波的捷联系统陀螺罗经对准的性能。分析了随机误差源的影响,指出动态干扰环境下,载体的扰动加速度和等效东向陀螺的常值漂移及随机游走噪声是造成方位误差的主要因素。     

GPS辅助的SINS系统快速动基座初始对准

为实现基于优化的动基座对准算法(OBA)对陀螺仪误差的估计,并使其能够应用于低精度SINS系统中,将自适应无迹卡尔曼滤波算法与OBA算法相结合,提出一种新的由GPS辅助的SINS系统快速动基座对准（FIMA）算法.该算法首先推导了陀螺仪常值漂移与失准角之间的关系,并以此构建非线性系统状态方程,然后用重力加速度和GPS输出速度的积分构建量测方程;由于系统存在非线性,提出使用UKF算法对失准角以及陀螺常值漂移进行估计;由于量测方程由速度和重力加速度的积分构成,量测噪声协方差难以确定,引入自适应滤波算法对量测噪声实时估计. 跑车实验结果表明:对于低精度SINS系统,该算法可在15 s左右将航向角误差收敛到3°以内,在3 min以后航向角误差可收敛到1°以内;与传统非线性动基座对准算法以及OBA算法相比,该算法可在无任何初始姿态信息的条件下快速对准,且能够对陀螺常值漂移进行在线估计和载体系失准角补偿,提高了动基座对准的精度和收敛性能.     

惯性平台测漂对准的一种新方案

测漂对准是惯导系统实现精确对准的主要途径。本文提出了一种新的测漂对准方案，它能有效地缩短测漂对准的时间。方案的特点在于对准和陀螺测漂工作在平台旋转过程中进行。数字仿真结果表明：仅用双位置对准中旋转平台的时间，便能达到与双位置对准同样的精度。     

基于自适应组合滤波的惯性导航系统初始对准方法

针对系统噪声不确定情况下的惯性导航系统非线性初始对准问题,提出了一种基于自适应组合滤波的初始对准方法.首先给出了一种基于Kalman/UKF组合滤波的神经网络实时训练算法;进而提出了基于Kalman/UKF组合滤波的非线性系统状态估计方法,该算法利用神经网络在线估计系统噪声,并利用Kalman/UKF组合滤波在线同时估计初始对准的状态量和神经网络的权值;最后将该算法应用于惯性导航系统非线性初始对准问题中,并进行了仿真研究.仿真结果表明:自适应组合滤波算法不仅保证了初始对准的精度,而且具有更好的实时性,是解决惯性导航非线性初始对准问题的一种有效且实用的方法.     

Optimal Observability Analysis of Gimbled Inertial Navigation System on the Moving Base

To investigate the observability of gimbled inertial navigation system when the base moves on the basis of piece-wise constant system's observability theory and singular value decomposition, the variation of the singular value in the observability matrix with time is discussed. The simulation results reveal that only if orientation angle is 60° and the flight route is S-figure in initial alignment, the optimal observability is obtained, thus a theoretical foundation for fast and accurate alignment of GINS is provided.     

A Combined Alignment Method for Strapdown Inertial Navigation System on Stationary Base

一种捷联式惯性导航系统静基座组合对准方法

陈帅¹, Xinzhi Liu², 孙骞³,张亚⁴

（1. 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院,辽宁 抚顺 131001;

2. 滑铁卢大学 应用数学系,滑铁卢N2L3G1,加拿大;

3. 哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院,哈尔滨 150001;

4. 哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院,哈尔滨 150001）

摘要：

由于方位角失准角的可观测性弱,对准时间和对准精度一直是捷联惯导系统初始对准过程中相互矛盾的问题,因此需要对二者进行折衷处理。本文提出一种组合对准机制,建立了一个可观测可控的系统模型,可以有效地在固定时间段内实现较高的方位对准精度。首先,降阶卡尔曼滤波对准算法与经典的陀螺罗经对准算法同时计算出失准角。在此基础上,利用陀螺罗经对准方法计算出的失准角建立了零速模型的增广量测模型。最后,当陀螺罗经对准方法的方位失准角接近稳定状态时,降阶卡尔曼滤波对准方法的零速度模型切换为增广量测模型。通过可观测性和数学推导,对组合对准法进行合理的分析。数值仿真与实验数据测试的对比结果表明,该方法在对准结果的估计精度和一致性方面具有良好性能。

关键词：惯性导航,仪器和测量,陀螺仪,加速度计,卡尔曼滤波器,量测误差

     

惯导平台的隔离度研究

推导了惯导平台对基座摇摆的隔离度的数学表达式,分析了影响隔离度的内、外部因素,提出了提高隔离度的可能途径,对惯导平台伺服回路的设计具有参考价值.     

Observability of Inertial Navigation System

To improve the observability of strapdown inertial navigation system and the effectiveness of Kalman filter in the navigation system, the method of estimating the observability is analyzed based on eigenvalues and eigenvectors which are proved to be availabe, on this basis two-position alignment technigue is applied. The simulation shows that two-position alignment really makes the system＇s observability change from being incomplete to being complete, and the test method based on eigenvalues and eigenvectors is available to determine the observability of every state vector.     

运载火箭平台模拟系统设计

本文对运载火箭平台模拟系统总体设计和分系统模拟与设计进行了讨论，给出了全数字模拟方案，提出了模拟实现的过程及手段。     

论惯导平台中的振动诱导漂移

研究了惯导平台中的振动诱导漂移．结果表明：振动诱导漂移由常值分量和航向效应分量组成。它们的大小与陀螺转子的径向静不平衡量和轴向振动强度成正比，且与平台的结构参数、两陀螺在台体上的位置配置、两陀螺自转及轴向振动的相位移有密切关系．如不采取有效措施，将严重影响惯导系统的性能。