基于扩展卡尔曼滤波的动中通低成本姿态估计

针对动中通系统低成本姿态估计问题,提出了一种基于扩展卡尔曼滤波的姿态估计算法。该算法以四元数作为状态变量,通过融合陀螺、加速度计以及单基线GPS位置和速度信息估计载体的姿态信息。针对载体机动加速度的影响,通过单基线GPS提供的速度信息对载体的机动加速度进行初步补偿;当载体发生转弯时,利用侧滑角补偿法进一步校正。实验结果表明,该算法成功融合了陀螺的短时精确性、加速度计的长时稳定性和GPS精确的测速和定位功能,系统的动态估计精度在±0.5°内,满足了动中通的应用要求。     

基于扩展卡尔曼滤波的动中通低成本姿态估计

针对动中通系统低成本姿态估计问题,提出了一种基于扩展卡尔曼滤波的姿态估计算法。该算法以四元数作为状态变量,通过融合陀螺、加速度计以及单基线GPS位置和速度信息估计载体的姿态信息。针对载体机动加速度的影响,通过单基线GPS提供的速度信息对载体的机动加速度进行初步补偿;当载体发生转弯时,利用侧滑角补偿法进一步校正。实验结果表明,该算法成功融合了陀螺的短时精确性、加速度计的长时稳定性和GPS精确的测速和定位功能,系统的动态估计精度在±0．5°内,满足了动中通的应用要求。     

一种面向机动的航姿测量系统设计

针对飞行器长时间飞行时, 低精度陀螺、加速度计和磁强计组成的航姿系统容易受到运动加速度的影响而导致姿态精度较低, 甚至发散的问题, 将载体机动加速度描述为当前统计模型, 将目前常用的6状态无迹卡尔曼滤波扩展为9状态, 其状态变量包括3个修正罗德里格参数、三轴陀螺零偏误差和三轴载体机动加速度, 量测量为三轴加速度计输出和三轴磁强计输出。实验结果表明, 当飞行器长时间机动飞行时, 9状态无迹卡尔曼滤波可以估计载体的机动加速度, 保证姿态测量精度。     

一种基于AIKF的姿态测量算法

惯性测量单元中传感器具有较强的非线性和噪声的不确定性,导致使用常规卡尔曼滤波时误差大,容易出现发散,针对此问题,该文提出了一种改进的自适应增量卡尔曼滤波（AIKF）算法。该算法使用互补滤波将加速度计、磁力计和陀螺仪的数据进行融合,利用滤波后的数据增量作为卡尔曼滤波器的观测量,同时对系统噪声进行自适应在线估计,以获得精准的姿态输出。实验结果表明,该算法能够实现姿态的精准测量,摇摆台试验中俯仰角、横滚角误差小于0.05°,航向角误差小于0.15°,具有较好的噪声抑制能力。     

基于MEMS的测姿定向方法研究

针对 MEMS 惯性器件精度较低,MEMS 惯导系统无法满足平台姿态精度要求的问题,本文提出了一种基于 MEMS 器件的测姿、定向方法。当载体近匀速运动时,利用加速度计和磁力计信息,采用垂直陀螺原理得到高精度的姿态信息,通过卡尔曼滤波估计出陀螺漂移,载体非近匀速运动时采用惯性姿态递推更新算法,补偿修正力矩和陀螺漂移误差,提高了载体的测姿定向精度。实验测试结果表明,采用本文的测姿定向方法后 MEMS 系统的姿态精度达到了 0.6°, 精度明显高于传统方法的精度,能够满足大多数中高精度平台的要求。     

动中通多传感器融合超球体采样 UKF 姿态估计

针对动中通系统低成本姿态估计计算复杂、易受侧滑角和机动加速度等外界因素干扰的问题,提出一种基于超球体采样无迹卡尔曼滤波算法,融合微机械陀螺、加速度计和单基线 GPS,对载体姿态进行精确估计。为了提高姿态估计的实时性,采用超球体采样减少无迹卡尔曼滤波器的采样点数量,在不影响精度的前提下,有效降低了算法的计算量;此外,加速度计姿态角测量值在加速、转弯行驶过程中会受到机动加速度的影响,为解决这一问题,通过单基线 GPS 提供的速度、侧滑角信息进行机动加速度补偿。行车实验表明,提出的低成本姿态估计方法估计精度较高,在降低成本的同时能够满足宽带移动卫星通信波束对准要求。     

自适应卡尔曼滤波在磁干扰姿态测量中的应用

针对姿态测量系统陀螺仪漂移、周围局部磁场干扰制约姿态测量精度的问题,提出一种基于四元数的自适应卡尔曼滤波(q-AKF)的方法。该方法利用陀螺输出建立姿态解算误差角的状态方程,以磁强计输出构造自适应测量噪声协方差矩阵。仿真结果表明,相比无损卡尔曼滤波(UKF)算法和扩展卡尔曼滤波(EKF)算法,采用q-AKF算法补偿得到的姿态角误差不大于0.5°。q-AKF算法对磁强计进行补偿,能够有效抑制陀螺的漂移误差,提高磁干扰环境下姿态解算精度,具有较高的工程应用价值。     

一种基于TDOA的多天线联合测角算法

针对分布式多天线系统中传统测角方法存在测量精度偏低、宽带信号不适用等问题,提出了一种基于时延差（Time Difference of Arrival,TDOA）测量的多天线二维测角算法。该算法基于最小二乘原理,综合利用多基线测量结果进行迭代计算,有效提高了估计精度,且无需解模糊。推导了算法的克拉美罗界(Cramér-Rao Lower Bound,CRLB)与均方根误差表达式,讨论了算法的测角性能。当天线数为7、天线间距100 m、时延估计精度优于10 μs时,测角精度接近CRLB,方位角精度优于3°,俯仰角精度优于4°。算法复杂度适中,能够应用到多天线无源侦察、空间目标跟踪等应用中。     

基于SCKF和姿态估计的SINS/GPS在线对准方法

该文提出了基于平方根容积卡尔曼滤波和初始姿态估计的捷联惯导/全球定位系统组合在线对准法。构建平方根容积卡尔曼滤波器来对初始姿态估计的非线性量测模型进行滤波,估计代表初始姿态转换矩阵的罗德里格参数,并以此求出当前时刻的姿态转换矩阵,从而求出当前时刻准确的姿态。该文分别对制导武器系统和车载系统进行了半实物仿真。仿真结果表明,此方法可在25 s左右完成在线对准。其中短距离制导武器仿真结果航向角及俯仰角误差在0.1°内,横滚角误差在0.3°内;低成本车载导航系统仿真结果航向角误差在0.2°内,俯仰角及横滚角误差在1°内,可满足制导武器及低成本民用车辆的对准需求。     

基于平方根差分滤波的动中通姿态稳定方法

为了隔离载体扰动对天线指向的影响,研究了单基线GPS和微惯性传感器组合的低成本姿态估计及稳定方法。该方法以四元素和陀螺误差作为状态变量,根据陀螺角速率信息、加速度计的重力场信息和单基线GPS航向信息分别建立状态方程和量测方程,设计具有不同测量周期的平方根差分滤波分别融合惯性传感器和GPS信息,解决了加速度计与单基线GPS航向信息输出频率不一致问题;利用估计出的姿态角在角位置环路上对天线进行捷联稳定,隔离载体扰动。仿真结果表明,平方根差分滤波能有效估计出载体姿态,利用中等精度的微惯性器件可以满足动中通姿态稳定的需求。     

捷联惯导系统单轴旋转调制误差传播机理研究

为了抑制捷联惯导定位误差的累积,提高捷联惯导定位精度、姿态精度和速度精度,分析了捷联惯导系统在单轴旋转调制下的误差传播机理,推导了多误差源同时激励下旋转调制捷联惯导系统的误差传播模型及各个误差项的复频域表达式,讨论了旋转调制速率的选取原则。仿真结果表明,采用旋转调制技术后,陀螺仪的常值漂移、加速度计的零偏引起的导航误差可以得到有效补偿,选取旋转频率时,应避免旋转频率接近舒勒调谐频率、傅科频率和地球自转频率,否则导航误差反而会增大。     

MEMS惯性测量单元航姿更新中的测量误差估算方法

利用MEMS惯性测量单元测量载体的航姿,需要借助精密转台且较难精确估算测量误差,导致成本高误差大.针对该问题,该文利用卡尔曼滤波器在线估算载体的姿态和陀螺仪的偏置,提出一种优化航姿精度的测量误差估算方法.通过推导测量误差的数学模型,分析航姿精度随测量误差变化的关系,得到最优航姿时的测量误差值.采用一种MEMS惯性测量单...     

交直流隔离的分布式MEMS移相器设计

设计了一种五位分布式微电子机械系统（MEMS）移相器,通过分析对比传统分布式MEMS移相器加载直流偏置的两种方式,提出了一种新的直流偏置的加载方式,能解决传统方式带来的交直流干扰和引线繁杂问题,同时工艺容易实现。采用ADS软件对移相器进行级联仿真,优化了微波性能参数,仿真得出移相器在35 GHz时移相精确度小于3°,移相器的插入损耗小于0.5 dB,回波损耗大于23 dB。给出了五位分布式MEMS移相器的工艺流程,同时验证了所设计加载直流偏置方式工艺简单的优势。     

捷联惯性导航系统旋转调制技术研究

捷联惯性导航系统的旋转调制技术是一种自校正方法,它能在不使用外部信息的条件下,自动补偿陀螺漂移和加速度计零偏引起的系统导航误差.该技术在国外潜艇和舰船上已得到成功应用,旋转捷联惯性导航系统的误差传播方程是研究旋转捷联惯导系统初始对准、系统级标定等的基础.基于此,推导了以地理坐标系为导航坐标系的单轴旋转捷联惯性导航系统的导航方程和误差传播方程(位置误差方程、速度误差方程、姿态误差方程),给出了误差传播的仿真结果.仿真表明,若采用单轴旋转调制技术,陀螺仪常值漂移和加速度计零偏引起的导航误差都可以得到有效补偿,而初始位置误差、速度误差及姿态误差引起的导航误差得不到补偿.将旋转调制技术应用于捷联惯导系统,能极大地提高武器系统的长期工作精度.     

激光陀螺捷联惯导系统多位置系统级标定方法

捷联惯导系统的精度受到自身各种误差因素的影响,需在使用之前进行精确地标定和补偿。为了更加有效地标定误差,设计了一种10位置系统级标定的方法。利用简化的误差模型和速度误差变化率方程,建立了所有误差参数与导航误差之间的线性关系。通过设计的10位置连续旋转方案对由各项误差参数引起的速度误差进行充分激励,利用所得数据进行卡尔曼滤波,计算出包括陀螺仪和加速度计的零偏、标度因数误差、安装误差以及加速度计二次项误差等24个误差参数。仿真得到陀螺零偏误差优于0.000 75（）/h,加速度计零偏误差优于g,陀螺和加速度计的安装角误差优于1.5,标度因数误差优于2 ppm（1 ppm=10-6）系统,加速度计二次项误差优于0.1510-6 s2/m。另通过3组实验验证了重复性,证明了该方法确实有效。     

基于压缩感知的PD雷达序贯扩展卡尔曼滤波跟踪方法

提出一种新的基于压缩感知(Compressive Sensing, CS)处理的序贯扩展卡尔曼滤波(Sequential Extended Kalman Filter, SEKF)方法,以用于脉冲多普勒(Pulse Doppler, PD)雷达机动目标跟踪。利用目标在时延多普勒平面内的稀疏特点建立稀疏量测模型,然后通过压缩采样匹配重构方法获得目标的多普勒量测值,并用SEKF方法进行滤波更新,以改善目标状态的估计性能。在滤波过程中,应用CS处理可改善目标多普勒估计精度,而应用SEKF则可通过加入伪量测减小多普勒量测和目标运动状态之间的非线性误差。仿真实验结果表明,本文所提出的方法和传统的SEKF方法以及已有基于压缩感知的跟踪方法相比对机动目标有更好的跟踪性能。      

移动卫星通信低成本姿态估计算法

移动卫星通信(动中通)是卫星通信的重要分支,低成本化是动中通的发展趋势。为有效加速动中通的推广和应用,该文提出了基于微机械惯性传感器的低成本动中通工作模式,并将传统姿态估计领域的传感器融合姿态估计算法、互补滤波姿态估计算法与新兴的组合导航姿态估计算法进行了对比,结果表明,侧滑角和机动加速度是限制传感器融合姿态估计算法估计精度的主要因素,航向角可观性低是限制组合导航算法的主要因素。3种算法经过改进后,姿态估计误差均在0.5°内,3种算法均满足移动卫星通信的需求。组合导航算法无需考虑外界干扰对姿态估计的影响,具有更好的应用前景。     

对地观测星载激光测高仪在轨姿态系统误差检校方法

星载激光测高仪通过接收经地表反射的微弱激光脉冲回波,计算卫星与地表的距离;结合卫星位置和姿态数据,生成激光脚点精确地理位置和高程结果。对于高程精度10 cm量级的对地观测激光测高仪,必须对影响严重的姿态角系统误差进行标定和校正。文中推导得出星载激光测高仪姿态角误差与已知地表先验信息相关联的数学模型,设计了利用大洋表面作为地表标定场,通过卫星姿态机动方式,最小二乘估计算法校正卫星在轨系统误差的具体方法。仿真结果表明,所设计的方法能够准确估计存在的姿态系统误差,即使大规模观测值丢失,估计偏差也小于5%。这种在轨运行系统误差的标定方法对于对地观测星载激光测高仪的姿态误差检校具有参考意义。     

动中通多子阵天线自适应PID滑模稳定控制

动中通在载体运动中进行卫星通信时,天线受到各类扰动的影响而不能准确对准卫星,降低了通信质量。为了解决此问题,设计了一种自适应滑模天线姿态稳定控制器。首先建立了动中通天线系统的动力学模型;基于此模型,采用PID滑模面设计了天线的滑模姿态控制器;通过对扰动的自适应估计,在扰动上界未知情况下获得了平滑的滑模控制输入;将PID方法引入控制器设计,提高了系统的动态响应速度。仿真结果表明,所设计控制器具有良好的动态响应特性和控制精度,且控制电压输出无抖振。     

交叉极化比对平板天线动中通收发系统性能的影响

交叉极化比是平板天线卫星动中通系统设计和加工的产物,它是衡量系统性能的一项重要参数。针对交叉极化比导致的极化误差,重点研究了交叉极化比对平板天线卫星动中通信号发射和接收系统的影响。通过理论推导和实际测试,结果表明不合理的交叉极化比会导致较大的极化误差,降低发射系统的发射效率,减小接收系统信噪比,导致系统性能恶化。为减小交叉极化的影响,建议等效口径0.6 m的平板天线卫星动中通的交叉极化比指标不小于30 dB。