捷联惯导系统软件测试中的仿真飞行轨迹设计及应用

介绍了一种针对捷联惯性导航系统进行软件测试的仿真飞行轨迹的设计方法。该方法根据实际情况，将各种典型的机动动作做成了单个的模块；然后再根据需要测试的性能将各个机动动作自由组合成一条飞行轨迹进行实时仿真测试。笔者利用该飞行轨迹设计方法设计出一些典型的飞行轨迹并应用于我国某型捷联惯性导航系统的软件测试中，为系统性能、精度的提高作出了重大贡献。     

指北式捷联惯导系统软件的仿真与测试

传统测试用飞行轨迹侧重于模拟飞机真实的飞行轨迹,其导航算法的局限性使得即使出现大的误差也可能无法察觉.改进了一种解析式测试用飞行轨迹的生成方法,设计了一条飞行仿真轨迹,并对轨迹进行了性能分析,指出了方法与传统的飞行轨迹设计方法的优劣.在指北式捷联惯导系统中,对惯性器件进行了建模并设计了惯导系统仿真软件.用所生成的飞行仿真轨迹对导航系统软件进行了测试.通过仿真比较,有效地验证了导航软件的正确性和可靠性.     

基于三自由度飞行器模型的航迹发生器设计

针对飞行器航迹研究,捷联惯性导航系统的性能评估需要飞行轨迹数据和相应的惯性器件参数,但真实飞行数据较难获得,且不易灵活调整.为了仿真实际的速度、位置、姿态等飞行数据,设计了三自由度飞行器模型的航迹发生器.在建立三自由度飞行器模型的基础上,设计了飞行器的航路飞行控制方案,并实现了多航路点的飞行仿真与导航验证.实验结果表明,算法所产生的飞行轨迹数据和惯性器件数据过渡平滑、符合飞行动力学特点,并且通过调整参数设置能够方便地制定航迹,对于分析和提高捷联惯性导航系统性能具有重要的理论参考价值.     

一种新的导航系统仿真轨迹设计方法

飞行轨迹动态参数是验证捷联惯导系统、组合导航系统等算法有效性的重要依据。利用飞行控制原理设计了一种通用的飞机飞行仿真轨迹,并在Visual Studio 2005开发环境下设计了飞行轨迹仿真软件。该仿真软件产生的数据有效地测试了某型导航系统导航参数的误差精度,验证了捷联惯导算法的正确性。     

捷联式惯性导航仿真研究

捷联式惯性导航因其系统独立、性能稳定、设备简单等特点在军用及民用导航领域上受到青睐.利用惯性导航原理编写捷联式惯性导航程序,对惯性器件进行建模.为了对程序进行测试,结合真实飞行轨迹的方法与数学解析式设计了载体运行的路径及姿态角.利用设定的路径、姿态角与惯性导航算法算出的路径、姿态角进行对比分析主验证导航算法.说明改进算法是一种简单实用的飞行路径生成办法,同时验证了所写的导航算法的正确性.     

基于VS的捷联惯导系统仿真器设计

针对在实验室环境下实时获取飞机真实动态数据难度大的问题,借助飞行控制原理设计了飞机实际的飞行轨迹,并利用飞行轨迹产生的真实数据解算惯导误差及惯导参数,模拟了对惯导系统的动态导航.利用模块化设计思想,建立了捷联惯导系统的仿真轨迹模块、惯性器件参数输入模块、导航参数计算模块、视景仿真模块等,并在Visual Studio 2005开发环境下设计了捷联惯导系统仿真系统.用户界面直观简洁,通用性较强,可以实现人机交互、实时仿真等效果.仿真结果与惯导系统误差特征一致,验证了仿真器所用捷联惯导系统算法的正确性.     

飞机飞行轨迹仿真系统设计与实现

捷联惯导软件测试中,一般难以得到真实的航迹数据和飞行器的各种参数,针对要获得飞行轨迹数据和惯性器件输出参数,设计飞行轨迹仿真系统利用LabVIEW虚拟平台,将战斗机各种典型的飞行动作进行模块化处理,自由组合成一条飞行轨迹用于实时仿真测试.系统中的轨迹建模以几何算法为主,避免了采用差分算法时产生的计算误差,实现飞行航迹各参数的实时动态显示.对飞行中空气阻力对轨迹的影响进行了分析,加入空气阻力并建立新的模型,得到误差曲线.实验结果表明,系统能够实现轨迹的动态特性,同时空气阻力的影响也与理论相符,可以得到有用测试数据.     

TAWS测试系统的飞行仿真激励技术

飞机航电综合环境监视系统,主要实现飞机飞行过程中回避危险地形发出预警的功能.为对TAWS系统的性能进行测试,提出了一种飞机仿真激励技术.激励技术的难点在于在TAWS的测试中如何触发不同模式的告警.为解决上述问题,以波音737飞机公开数据为飞行仿真基本参数,结合TAWS系统典型告警模式,设计并实现了固定翼飞机的六自由度飞行仿真、横纵向经典多回路自动飞行控制系统设计和仿真场景编辑器.在软件系统设计完成后,通过近地告警系统的三种典型告警模式对仿真算法和软件的实际运行分别进行了测试和实验,验证了测试的有效性,实现了对TAWS进行性能测试的仿真激励.     

四阶龙格库塔算法在捷联惯性导航中的应用

为了提高捷联惯性导航的精度,降低算法结构复杂度,解决惯性导航精度不能满足实际需要的矛盾,将四阶龙格库塔算法应用于捷联惯性导航算法的姿态和速度解算,优化了捷联惯性导航算法.首先根据前人的研究结果实现解算姿态、速度和位置的高精度数字积分算法.再根据龙格库塔算法的原理,推导得出了利用四阶龙格库塔算法的姿态和速度解算方法.然后利用轨迹发生器所产生的仿真数据分别验证并得到高精度数字积分算法以及龙格库塔法解算出的导航结果的误差特性曲线,两者比较,证明使用四阶龙格库塔算法的导航解算精度要高于使用高精度数字积分算法,为提高捷联惯导的导航性能提供了科学依据.     

一种小型无人直升机捷联式组合导航系统设计

在基于小型无人直升机空中作业中,不仅需要导航系统提供的精确数据进行飞行控制,还需安装其它设备完成作业.为了减少小型无人直升机的负重,增加飞行时间,机载的导航系统需要高精度、低功耗、微型化的设计,采用微电子机械系统传感器的捷联式惯性导航系统满足了这些要求.然而惯性传感器的漂移会使捷联系统的数学解算产生误差累计,因而需要对惯性导航系统数据进行实时修正.本文设计了一种GPS修正的组合导航系统算法,应用卡尔曼滤波技术,对组合系统的多传感器进行数据融合,既保持了捷联惯导系统的自主性,又消除了累积误差,提高了组合系统的可靠性.上述系统通过在小型无人直升机飞行控制系统中的使用,验证了系统算法的有效性.     

某型靶弹高度导航系统的设计

为某型靶弹设计高度导航系统;由于靶弹是模拟飞机的巡航飞行,其高度在12000~15000 m,所以靶弹对其高度导航精度要求较高;通过对大气数据包括气压随高度的变化、温度随高度的变化、空气密度随高度的变化等的研究,设计了一套大气机惯导组合导航系统,硬件系统用MOTOROLA MPX2100压力传感器、单片机和XW-IMU5200惯导等为主的器件搭建,硬件系统设计为以固定时间间隔气压传感器修正惯导系统;通过对惯导误差、气压高度模型和大气数据等的分析,并针对靶弹飞行特性,简化了气压高度公式;在软件上应用了卡尔曼滤波进一步提高其计算精度;该系统具有精度高、可靠性强、重量轻体积小、造价低廉等优点。     

An integrated multisensor aircraft track recovery system for remote sensing

This paper describes an application of the Kalman filter in a track recovery system (TRS) for postflight processing of aircraft navigation sensor data. The track recovery system has been successfully used as a key component of the Canadian aerial hydrography pilot project for mapping of shallow coastal waters. Recorded data from an inertial navigation system (INS) is combined with data obtained from a number of auxiliary sensors to construct a set of error measurements. The measurements are prefiltered to compress the data and are then processed using aU-Dfactorized Kalman filter and a modified Bryson-Frazier smoother to produce estimates of the time-correlated sensor errors. The flight profile is obtained by subtracting the computed error estimates from the recorded INS data. The residual errors observed in processing real data collected in a number of field tests are less than 1 m in position and less than 0.03 degrees in attitude.     

Reducing the complexity of visual navigation: Optical track controller for long‐range unmanned aerial vehicles

Using vision for navigation of airborne systems provides an opportunity for motion relative to the ground to be controlled in the absence of other supporting sensors including global navigation satellite systems. Rather than relying on computationally intensive localization techniques such as online map construction, identification and tracking of landmarks, or otherwise producing an explicit quantitative estimate of position, we propose and have experimentally demonstrated a closed‐loop visual navigation reflex which we term the optical ground course controller. The behavior is applicable to fixed wing aircraft traversing long ranges, and reduces the online computation and sensors required compared to other visual methods. This method combines the kinematics of fixed wing aircraft flight, the direction of apparent motion of an image sequence, and a magnetic compass to create a bioinspired optomotor reflex similar to those observed in insects. This behavior accurately controls track in the inertial reference frame (path taken over the ground) with only limited dependence on altitude, speed, and wind. We show that the proposed behavior is naturally convergent and stable, and present experimental results from simulation and real‐world flight demonstrating that the method performs robustly, producing improvement over both magnetic‐referenced and visual odometry‐based navigation within the limits of the sensor.     

基于MATLAB/Simulink的捷联惯性导航系统仿真

介绍了仿真软件MATLAB/Simulink及先进的仿真系统平台软件RT-Lab,设计了龙格-库塔积分模块,用于解决在使用定步长求解器及数字时钟情况下的积分精度不高的问题;建立了基于MATLAB/Simulink的捷联惯性导航仿真模型;并将系统分解成一系列功能相对独立的模块,如轨迹发生模块,捷联惯导解算模块;并进行了仿真验证,得到的姿态、速度、位置误差与理论值相符,证明了仿真模型建立正确、方法采用得当、有效。     

基于多传感器数据融合的无人机GPS欺骗检测研究

本文针对实际过程中可能存在的无人机GPS欺骗情况,提出了基于多传感器数据融合的GPS欺骗检测方法。该方法通过比较多传感器惯性导航系统加上Elman神经网络修正得到的位置信息与GPS输出位置信息,从而判断无人机GPS是否受到欺骗。该方法有两个创新点,第一个是使用Elman神经网络,在不增加传感器成本的基础上其有助于提高惯导系统输出位置信息的精度;第二个创新点是使用带延迟的扩展卡尔曼滤波器,用于解决多传感器数据不同步的问题。实验结果表明,本文提出的方法能有效的检测出GPS欺骗,从而保证无人机的安全飞行。     

煤矿井下人员融合定位方法

针对飞行时间(TOF)测距定位方法定位盲区多、易受非视距干扰、定位精度有限,捷联惯性导航定位方法长时间累计误差的问题,提出了一种基于TOF测距定位和捷联惯性导航定位的煤矿井下人员融合定位方法。该方法分区域定位:当定位终端位于定位基站近距离无线通信覆盖范围内时,采用TOF测距定位方式,通过近距离无线通信方式将定位数据发送至附近的定位基站;当定位终端位于定位基站近距离无线通信覆盖范围之外时,采用捷联惯性导航定位方式,并利用卡尔曼滤波算法对定位数据进行修正,通过远距离无线通信方式将定位数据发送至附近的定位基站;当定位终端位于定位基站远距离无线通信覆盖范围之外时,定位终端对定位数据进行本地存储,当定位终端移动到定位基站无线通信覆盖范围内时,将存储的定位数据发送给定位基站。定位基站将定位数据传输至地面监控中心,获得人员轨迹和位置坐标。实验结果验证了该方法的有效性。     

Integrating satellite and inertial navigation—conventional and new fusion approaches

The backbone of aiding inertial navigation systems by satellite navigation receivers is the data fusion of the subsystem outputs. Its conventional mechanization emerged from the classical, necessary aiding of inertial navigation systems and is based on linearized error models. Recent approaches therefore use directly the nonlinear kinematical equations of the rigid body motion. These methods lead to a simpler system structure as well as to smaller estimation error variances. To verify this statement, the paper presents a systematization of the different fusion schemes and a comparison between results of postprocessed flight test data.     

基于捷联惯导姿态的外测跟踪部位修正方法

为在外测数据处理中获取更高精度目标部位修正结果,解决已知目标几何尺寸难以精确修正的问题,提出采用捷联惯导系统姿态修正跟踪部位的方法.根据捷联惯导系统遥测四元数信息计算姿态旋转矩阵,利用外测处理中各个参照坐标系的相互关系,修正垂线偏差的影响,实现跟踪部位位置参数保精度修正.通过测试场景仿真计算,与常用速度矢量修正法进行比较、验证,结果表明姿态修正方法精确可行、结果正确,满足数据处理的精度要求和结果评定需要.