联合旋转调制激光陀螺惯导性能在线评估

无外界基准信息时,针对舰艇单、双轴旋转调制激光陀螺航海惯导冗余配置情况下双轴旋转惯导间性能的在线评估问题,提出了联合旋转调制激光陀螺航海惯导相对性能的在线评估方法。一套单轴旋转惯导分别与待评估的双轴旋转惯导构建联合误差状态卡尔曼滤波器,状态为各系统位置误差、速度误差、姿态误差的差值及各自的陀螺漂移、加速度计零偏,以系统间的位置、速度差值为观测量,通过联合旋转调制策略编排改变系统间的相对姿态,可观性分析表明,包括单轴旋转惯导方位陀螺漂移在内的所有状态均完全可观;以不同滤波器估计得到的单轴旋转惯导方位陀螺漂移估计值的标准差为评价指标,对双轴旋转惯导随机误差进行在线评估。半实物仿真和实际实验结果表明:双轴旋转惯导激光陀螺随机误差差异的区分度可达10%;144h(6天)导航时间内,以单轴旋转惯导方位陀螺漂移估计值的标准差为评价指标,可以实现不同双轴旋转惯导相对性能的在线评估。该方法为旋转调制激光陀螺航海惯导冗余配置情况下的系统优选提供了理论依据。     

一种单轴旋转捷联惯导的三位置对准方法

针对单轴旋转式捷联惯性导航系统,提出了一种基于惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)旋转的三位置初始对准方法.在系统可观测性分析的基础上,建立IMU姿态与失准角之间的关系,提出了使失准角估计偏差为零的三位置对准方法.与以往固定位置对准和两位置对准进行了比较,表明该方法可以消除不可观测的水平加速度计零偏和东向陀螺常值漂移对初始对准精度的影响,大大提高了系统初始对准精度.     

基于重力信息的惯性系粗对准精度分析

基于重力信息的惯性系粗对准方法是近期国内提出的一种解决动基座对准的新方法,诸多文献表明了该方法工程应用的可行性,但至今未见对其理论精度的分析.详细分析了初始对准的主要误差源陀螺常值漂移和加速度计零偏对惯性系粗对准精度的影响.用微分扰动法对姿态矩阵取微分,得到惯性系对准的误差方程.从惯性系下的速度误差分析人手,分别讨论了陀螺常值漂移和加速度计零偏对粗对准精度的影响,推导出惯性器件误差与失准角之间的解析表达式.指出该方法的对准精度取决于转换矩阵的精度,并分析得出该方法与传统解析粗对准具有相同的稳态对准极限值.     

惯导系统误差仿真

利用静基座下惯性导航系统的误差方程，应用Matlab／Simulink建立了惯导误差仿真模型。文中对初始值误差，加速度计零位误差及陀螺常值漂移共同作用及各自分别作用条件下进行了仿真，通过仿真曲线对各误差源进行了简要地分析。     

加权递推最小二乘的捷联式惯导系统初始对准方法研究

捷联式惯导系统(捷联式惯性导航系统)的初始对准就是确定捷联矩阵的初始值,陀螺与加速度计的误差会导致对准的误差,对准时飞行器的干扰运动也是产生对准误差的重要因素,因此滤波技术对捷联式惯导系统尤为重要.通过研究捷联惯导初始对准的误差模型,提出了将加权递推最小二乘滤波算法应用于捷联式惯导系统的初始对准中,仿真结果表明,该方法估计精度高,收敛速度快.     

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.     

旋转调制式激光捷联惯导安装误差分析与标定

双轴旋转调制技术可以实现对陀螺漂移和加计零偏的调制,从而极大地提高惯导系统的精度,以满足船用惯导高精度的导航需求.由于单元体一直作连续正反旋转运动,传统的位置法和速率法无法对该系统进行标定.提出了一种基于三轴转台和单元体自旋转的误差标定方案,实现了对系统误差的快速精确标定.其中旋转轴和陀螺及加计敏感轴间的不正交角标定精度优于1",陀螺、加计敏感轴间的不正交角标定精度优于2".海上试验表明,误差标定结果满足了系统1 nmile/24 h的导航要求,具有较高的工程应用价值.     

三轴旋转捷联惯导系统旋转方案设计

为了弥补在调制型捷联惯导系统中,相对地理系的旋转方案无法抵消陀螺仪各误差项与地球自转角速度耦合项的缺点,提出了相对地心惯性系的三轴旋转方案.在分析了调制型捷联惯导系统中惯性器件常值偏差的误差传播规律后,结合其误差传播特性提出相对地心惯性系三轴旋转方案的旋转路径设计原则,并依据该原则设计了三轴四位置旋转方案.利用仿真实验和实物试验验证了该旋转方案的正确性,并将试验结果与相对地理系的旋转方案进行对比,对比结果表明该方案能够消除惯性器件所有常值偏差对导航信息的影响.     

基于IMU旋转的捷联惯导系统自补偿方法

为了有效地抑制惯性器件常值偏差对惯导系统导航精度的影响,提出了基于惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)旋转的自动补偿方法.由于旋转的引入,IMU中陀螺仪和加速度计的常值偏差被调制成正弦信号,通过积分运算可以有效地消除常值偏差对惯导系统导航精度的影响.在分析单、双轴旋转补偿原理的基础上,提出一种改进的单轴旋转调制方法并对该方法进行了理论证明和实验分析.与以往的单轴旋转方式及未采用旋转方式时的导航误差进行了比较,结果表明该方案可以消除所有方向上惯性器件常值偏差的影响,有效地提高系统的定位精度.     

一种新的舰载惯导系统摇摆基座初始对准方法

针对舰载惯导系统在摇摆基座条件下高精度初始对准问题,提出一种简单且易于实现的快速初始对准方法。利用开路法构建数学稳定平台隔离载体摇摆运动,提高了高精度舰载惯导系统摇摆基座对准过程中量测数据的信噪比,缩短了对准时间并提高了误差参数的估计精度;建立了开路法数学平台偏角的误差模型,利用参数辨识法提取相关对准参数,从而估计出陀螺漂移和数学平台偏角并进行补偿。海上试验结果表明,该对准方法可在8 h内达到优于0.000 5°/h的对准精度,有效地解决了摇摆基座条件下舰载惯导系统的高精度初始对准问题。     

基于二代小波的光纤陀螺实时降噪方法研究

在以光纤陀螺为主要惯性敏感元件的捷联惯导系统中,陀螺输出信号中的非确定性随机漂移的实时滤除,对提高实际系统的初始对准精度及导航精度均具有重要的意义。考虑到传统小波阈值法的去噪性能及实时性问题,提出了一种基于第二代小波变换,并结合硬阈值、强制降噪和带滑动数据窗的光纤陀螺信号实时降噪改进方案。利用MATLAB进行了正弦信号和光纤陀螺输出信号的模拟实时降噪实验,并与一代小波实时降噪方案进行了比较,验证了改进方案在理论计算速度大幅提升的前提下,降噪性能得到提高,进而减小了系统输出的姿态误差。     

基于CKF的SINS大方位失准角初始对准

大方位失准角捷联惯导系统(strapdown inertial narigation system,SINS)误差方程是非线性的,为改善非线性模型下初始对准的精度,提出将一种新的非线性滤波方法(cubature Kalman filter,CKF)应用于捷联惯导系统初始对准中。为此建立了大方位失准角下初始对准非线性模型,分析了基于spherical-radial cubature准则的CKF滤波原理,对非线性模型进行了CKF滤波仿真。仿真结果表明CKF能够很好地处理初始对准中的非线性问题,提高初始对准精度,方位失准角误差能够收敛到-33.13’,接近理论估计精度-32.40’,优于EKF的-84.14’。     

Mooring alignment for marine SINS using the digital filter

Strapdown inertial navigation system (SINS) is presently used in several applications related to aerospace system and marine navigation. The accurate initial attitude is essential to ensure the precise determination of the position and attitude of the moving platform, which is usually calculated using initial alignment. When the vehicle is moored, the SINS inevitably experience disturbing motion. The method of ground coarse alignment, which is based on the assumption that SINS is on a stationary carrier with limited vibration, therefore cannot be used to perform the SINS mooring alignment. In this paper, a novel method processing the gyro and accelerometer measurements with infinite impulse response (IIR) digital low-pass filter to remove the high frequency noise is investigated for marine mooring alignment. Its algorithmic principle is described in details. The results obtained from both simulation and mooring experiment show that the attitude determined by this novel method can meet the accurate alignment.     

航向大失准角下的罗经法对准研究

船舶在系泊状态下由于风浪和浪涌的干扰,常会致使捷联惯导系统航向粗对准的精度达不到精对准的要求。为了能够使惯导系统在此种情况下也可以快速的完成精确对准,文中首先分析了罗经法对准在航向失准角大的情况下所受的影响,随后对解决该问题的方法进行了研究,深入分析了该系统在对准过程中参数变化的影响形式,最终提出了一种基于时变参数的罗经法对准方案。仿真和实验的结果表明,与传统的罗经法对准相比,使用这种基于时变参数的罗经法对准在航向大失准角的情况下也能够快速的完成精确对准。     

晃动基座下激光陀螺捷联导航系统初始对准预滤波新方法

激光陀螺捷联惯性导航系统在晃动基座下进行初始对准,外界的干扰会令激光陀螺和加速度计的噪声增大,从而使初始对准的时间延长,甚至不能完成对准。对激光陀螺和加速度计输出简单的采用低通滤波的方法,并不能有效的抑制传感器噪声。采用小波方法,虽然能够抑制噪声的影响,但是由于小波的高计算复杂度和块处理结构,很难在线实现。针对这个问题,本文提出一种新的预滤波方法,将传感器输出通过低通滤波之后再通过一个基于隐式马尔可夫模型的稳态卡尔曼滤波,这样就能有效的降低基座晃动带来的噪声,同时不降低对准的精度。实验结果表明,本文提出的预滤波方法计算复杂度低,滤波效果明显,能够很好的辅助激光陀螺捷联导航系统在晃动基座下完成精对准。     

An initial alignment method for strapdown gyrocompass based on gravitational apparent motion in inertial frame

Inspired by the alignment mechanism of Octans, an initial alignment method for strapdown gyrocompass is designed based on gravitational apparent motion in inertial frame. In this method, the gyro outputs are used to trace the body frame and the measurement from accelerometers are projected to the inertial frame to form the track of gravitational apparent motion. According to the calculations on the vectors involved in this track, the attitude matrix between the inertial frame and navigation frame can be obtained and further alignment can be finished. In order to identify the true gravitational apparent motion from the accelerometer measurement containing random noise as well as to avoid the collinear of vectors in vector operation, a reconstruction algorithm concerning parameter identification and reconstruction of apparent motion is devised and simulated. Simulation and turntable test show that the proposed alignment method can realize self-alignment in a swinging condition. The alignment accuracy is able to reach the theoretical one determined by sensor errors and no external information is needed.     

Strapdown gyrocompass algorithm for AUV attitude determination using a digital filter

The strapdown gyrocompass can provide attitude by measuring the Earth’s gravity vector. In practical applications, there usually exists unwanted disturbance accelerometers that will distort the accelerometer measurements, hence a filtering out procedure is essential. Current attitude determination method based on pendulum cutting off technology has the limitation for vehicle moving mode. This paper proposes a new strapdown gyrocompass algorithm via processing the accelerometer measurement with Butterworth low-pass filter (LPF) to remove the high frequency dynamic disturbance components. When the gravity variation in inertial frame is regulated, LPF can be applied to properly get the gravity even in the presence of acceleration disturbances, and subsequently can be applied to calculate the strapdown gyrocompass attitude. The proposed algorithm does not require declination information and inertial element biases estimation. The field test has been conducted and the results verified the effectiveness and reliability of the proposed AUV attitude determination method and have also shown that the gravity is proportional to the latitude and altitude of AUV.     

六轴IMU补偿的磁力计动态稳定校准

磁力计是用于确定机器人姿态的常用传感器之一,在使用过程中极易受到周围环境磁场和量测噪声的干扰.传统的椭球拟合能够校准环境磁场的影响,但是不能抑制量测噪声,且不能实时运行,最新的陀螺仪补偿算法弥补了这些缺点,但是由于陀螺仪存在漂移,所以也会使得磁力计数据发生漂移.文中提出一种使用六轴IMU来补偿校准磁力计的方法,首先通过...     

温度对无驱动结构硅微机械陀螺信号相位差的影响

在旋转载体用硅微机械陀螺的信号解调中,陀螺与加速度计信号的相位差起到至关重要的作用,必须考虑温度对陀螺与加速度计信号相位差的影响,以及温度对陀螺输出的影响.通过测试加速度计温度特性及陀螺温度特性,并将二者进行比较,研究了温度对陀螺与加速度信号的相位差的影响,证实温度对陀螺输出影响很小,温度对硅微机械陀螺的信号相位差影响很小.