自主姿态测量算法研究

航姿系统一般不实时计算速度和位置信息,无法补偿地球自转和表观运动引起的分量误差,同时陀螺漂移较大,载体长时间持续机动时,出现姿态精度不高,甚至发散的问题。提出了一种基于卡尔曼滤波的姿态融合算法,将等效陀螺漂移列入系统状态,利用卡尔曼滤波的新息对运动状态进行判别,在一定条件下,用加速度计的输出作为量测量进行卡尔曼滤波的量测更新过程。实验结果表明,所提出的姿态融合算法考虑了陀螺漂移,能提高载体长时间机动时的姿态精度。     

基于卡尔曼滤波器的航姿系统测姿算法研究

航姿系统通常没有载体位置信息和速度信息的解算,且陀螺漂移较大,存在着载体持续机动时姿态精度不高,甚至消失的问题,因此通常的导航算法已不再适用.设计了一种基于卡尔曼滤波技术的姿态算法,用重力加速度在机体系的分量gb和陀螺漂移作为待估计的状态量,进行卡尔曼滤波的时间更新过程,利用加速度计的输出在一定条件下作为观测量,进行卡...     

捷联航姿自主测姿算法研究

研究飞行器姿态稳定性控制优化问题,针对载体作长时间飞行时,由于低精度陀螺、加速度计和磁传感器使航姿系统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,为提高稳定性能,提出在采样周期内根据陀螺输出进行姿态更新.在滤波周期内首先利用系统自身信息实时地判断载体所处运动状态,然后根据运动状态选用不同的量测信息进行卡尔曼滤波,修正陀螺漂移造成的姿态角误差.仿真结果表明,算法提高了机动情况下的姿态精度,且在非机动和机动情况下,姿态精度都能满足系统稳定性能的要求.     

基于UKF的无人机航姿系统算法研究

研究无人机捷联导航姿态精度优化问题,针对微小型无人机做连续大机动飞行时,MEMS器件用于载体航姿测量精度低、易发散的问题,提出了一种基于UKF技术的姿态融合算法.用重力加速度在机体系的分量和陀螺漂移做为待估的状态量,建立了非线性的滤波模型.在系统模型噪声为复杂加性噪声且量测方程为线性方程时,推导出简化UKF算法.为了验证上述算法的有效性,将UKF和EKF算法进行对比,并通过姿态误差均值和均方差对实验结果进行定量分析.仿真结果表明,数据融合判别准则合理可行,改进算法提高了载体机动情况下的姿态精度,达到了预期的要求.     

一种应用于在线标定的可观测度分析方法

对惯性器件误差标定前必须进行可观测性分析,针对当前可观测性分析方法不能得到每一个误差参数的可观测度,无法为标定过程中载体的机动路径设计提供足够依据这一问题,提出了一种新的动态系统可观测度分析方法并用于惯性器件在线标定中。该方法定义各误差参数都独立对应一个可观测度,通过合理拆分可观测矩阵,利用范数最优化受约束理论,计算得到每一个参数的可观测度。利用MATLAB软件搭建仿真平台,对比分析了基于奇异值分解的可观测度分析方法和新方法计算结果的特点,并利用新方法计算结果针对性调整载体机动路径,试验结果表明:利用该方法得到的各误差参数的可观测度与标定中各状态量的滤波收敛特性具有一致性,证明了该算法的特点及准确性。     

基于间接EKF的MEMS惯性系统最优姿态估计

针对MEMS惯性系统姿态估计中的扩展卡尔曼滤波EKF(Extended Kalman Filter)是非线性状态方程的次优估计且性能受量测噪声协方差矩阵影响的问题,提出一种间接EKF最优姿态估计方法。推导与状态向量扰动相关的线运动特性并设计扰动状态方程,采用标准线性卡尔曼滤波完成扰动状态及其协方差最优更新,最后利用加速度计输出作观测量并采取链式法则完成量测矩阵的求取。对比实验结果表明,间接EKF算法可有效降低陀螺随机漂移对姿态估计的影响,姿态收敛速度与精度均优于传统EKF方法。     

基于最大熵卡尔曼滤波的机载SINS星敏感器辅助空中标定技术

为增强机载捷联惯导系统（SINS）在自标定过程中的可观测性,提升陀螺仪漂移和加速度计零偏估计的速度和精度,引入星敏感器姿态信息和GPS速度信息,辅助完成捷联惯导系统的空中标定。同时,考虑在实际空中飞行条件下,受气流、电磁干扰等影响,姿态和速度的量测噪声呈非高斯分布且噪声统计特性不精确,导致经典卡尔曼滤波性能降低。为有效利用量测信号中的高阶矩信息,在卡尔曼滤波中采用最大熵准则代替最小均方误差准则,对星敏感器辅助下的机载捷联惯导系统的误差进行标定。仿真结果表明,经最大熵卡尔曼滤波后,惯性器件误差的标定精度明显提升;在采用星敏感器后,对陀螺仪漂移的标定速度和精度都得到了提升。     

轴不对准角在挠性陀螺组合静态误差标定中的应用

陀螺组合的安装误差会引起陀螺漂移,从而对惯导系统产生影响。从挠性陀螺组合安装误差模型入手,推导出存在轴不对准角情况下的挠性陀螺组合静态误差标定模型,并给出静态误差标定的位置试验方案。提出的标定方案可以有效标定陀螺组合静态误差系数,从而减少陀螺漂移。     

捷联惯导互补滤波姿态融合算法设计

为了满足低成本、高性能的载体测姿需求,针对MEMS器件漂移导致载体姿态无法准确测量的问题,提出了一种基于方向余弦矩阵（DCM）更新的多轴显式互补滤波载体姿态估计算法。利用陀螺仪和辅助传感器的噪声所处频段互补的特点,运用互补滤波进行信息融合,发挥各个传感器的优点,提升系统的姿态测量精度。分别以三轴转台与实验车辆为验证平台,设计了静态与动态实验。实验结果表明,该姿态融合算法能够稳定输出高精度的姿态信息,抑制陀螺漂移导致的姿态发散,有效提高载体姿态的测量精度,满足捷联惯导系统的测姿需求。     

一种基于磁传感器的MEMS陀螺标定方法

根据微型航姿测量系统各传感器的特点,研究出了一种基于磁传感器输出的MEMS陀螺标定方法,并根据MEMS陀螺误差参数模型设计相应的补偿算法,分别对MEMS陀螺的零偏和标度因数误差进行了补偿。与传统标定方法相比,该方法实现简单,适用于现场标定。实验结果表明,该标定方法能够有效地提高MEMS陀螺测量精度,补偿后陀螺在静态条件下2分钟内,俯仰角漂移小于0.035°,倾斜角漂移小于0.15°,航向角的漂移小于0.2°。当陀螺三轴均有角速率输入时,在角速度小于25°/s情况下误差都能保持在±2°以内。     

车载远程制导导弹传递对准方法研究

针对陆基武器捷联惯导的快速精确初始对准问题,对车载武器在俯仰机动下的传递对准方法进行了研究。首先,以发射车定位定向系统作为主惯导,根据“速度+姿态阵”匹配传递对准原理,建立了子惯导姿态误差方程和速度误差方程;其次,基于可观测性矩阵奇异值分解的可观测度分析方法,分析了仅有俯仰机动时各状态变量的可观测度;最后,对所提出方法的对准精度进行仿真计算,其结果表明,状态变量的估计效果与可观测度分析一致,对准误差在10s内达到角分级。     

FOG双轴旋转六位置现场标定方法

光纤陀螺的制造工艺决定陀螺的漂移、刻度因数等参数随着运行时间的增加发生变化,必须定期进行陀螺重标定。实验室的传统标定方法依赖于高精度三轴转台,不能满足现场标定的要求。针对现场标定条件,必须降低标定对于姿态基准的要求。针对该问题,分析旋转机构误差调制机理,充分利用旋转机构,以输入角速率变量为基准,给出一种适用于现场标定的六位置标定方法。以自制的光纤陀螺为研究对象,实验结果表明:该方法与传统实验室标定方法精度相当,缩短了标定时间,有效地降低了标定对转台的依赖。     

SINS/CNS组合导航系统陀螺在线标定技术

陀螺仪长时间工作时,由于环境变化等因素,会产生陀螺漂移、标度因数误差和安装轴不正交误差,而且由积分得到的姿态参数信息误差也会相应变大,因此需要对陀螺进行在线标定。借助CNS提供的高精度姿态信息,基于四元数误差建立陀螺在线标定模型,采用卡尔曼滤波器对SINS/CNS组合导航系统陀螺在线标定技术进行仿真研究。仿真结果验证了该算法的有效性,能够估计误差模型中的所有参数,并且满足标定精度要求,具有工程应用价值。     

一种面向机动的低成本姿态测量系统

载体作机动运动时,基于加速度计和磁传感器的姿态测量系统易受载体运动加速度的影响而导致测量精度降低.通过将GPS加速度引入重力观测方程,有效补偿了载体运动加速度造成的姿态测量误差.利用基于重力场和地磁场矢量观测的迭代最小二乘姿态确定算法得到修正罗德里格姿态参数.姿态信息通过互补滤波器与陀螺仪测量值融合以提高动态响应.实验结果表明,该低成本姿态测量系统可明显提高机动环境下的姿态测量精度,姿态角测量误差小于3°.     

基于修正的卡尔曼滤波的姿态估计算法研究

研究惯导系统的稳定性问题,其中微惯性测量单元(MIMU)可以为捷联惯导系统提供实时的姿态和航向信息。研究姿态估计提高导航精度,由于陀螺漂移引起姿态误差,单独使用MIMU使姿态精度差。为了克服陀螺误差随时间积累不断增大,无法长时间提供稳定的姿态的缺点,提出采用磁强计修正的卡尔曼滤波四元数姿态估计算法。算法以姿态四元数为状态向量,通过四元数更新方程建立离散滤波状态方程,将加速度计和磁强计输出的六维数据转化为四元数的量测值建立量测方程,有效减少了计算量,补偿陀螺的漂移误差带来的影响。仿真结果表明改进算法提高了捷联惯导系统的精度和稳定性。     

一种天文/惯性导航系统组合模式的研究

本文以姿态误差四元数与陀螺漂移误差之间的关系为基础,构建了系统状态方程;针对天文/惯性组合导航系统,以姿态四元数误差为观测值,具体推导了系统量测方程。利用卡尔曼滤波,对天文/惯性组合系统的融合方案进行了仿真,仿真结果较好的实现了对陀螺漂移误差的估计。     

IMU标定数学建模及误差分析

惯性测量单元（IMU）标定路径设计和数据处理方法取决于IMU标定数学模型,安装误差是决定IMU标定模型的重要因素。针对工程中加速度计和陀螺相对载体安装方式的不同,提出一种通过坐标系转换矩阵建立IMU标定数学模型的方法,推导IMU标定模型误差与载体角速度和加速度之间的关系,分析IMU标定模型误差对捷联惯性导航系统导航参数的影响,并利用转台提供的位置信息设计IMU标定路径和数据处理方法。仿真和转台实验结果表明：IMU标定数学模型误差引起捷联惯性导航系统速度误差、位置误差和姿态误差;安装误差的表现形式决定了IMU标定模型误差对系统导航精度的影响。     

基于TLFK的单轴旋转SINS在线自标定方法

针对单轴旋转捷联惯性导航系统(SINS)中轴向陀螺常值漂移无法被调制抵消的问题,提出一种轴向陀螺常值漂移在线自标定方法.对轴向陀螺常值漂移误差传播路径进行了分析,指出影响轴向陀螺常值漂移估计精度主要因素包括等效东向陀螺漂移、"数学平台"失准角、等效北向加速度计常值偏置等.建立了在线自标定Kalman滤波估计状态方程和量测方程,并设计了一种基于两级Kalman滤波的在线自标定流程.进行了计算机仿真和实际系统验证实验,实验结果表明,第二级Kalman滤波器能够较好地估计得到单轴旋转SINS轴向陀螺常值漂移及其标度因数误差,经过误差补偿后,其24h位置误差由6.71n mile减小为1.96n mile,提高了导航系统定位精度,满足中等精度SINS长时间导航需求.     

双轴旋转光纤捷联惯导八位置标定方法

针对双轴旋转捷联惯导系统长期工作时光纤陀螺误差参数随时间变化问题,提出一种姿态未知条件下的八位置标定方法.该方法利用双轴旋转机构可提供惯性测量单元(LMU)相对载体固定角位置特性,结合光纤陀螺简化误差模型,设计出八位置标定路径并激励出光纤陀螺误差参数.新的标定方法既避免了陀螺误差参数的耦合影响,又可以解算出载体航向信息.转台实验结果表明,八位置标定方法可在载体姿态未知条件下完成对光纤陀螺误差参数的标定工作.     

基于等效陀螺的捷联惯导快速两位置对准仿真

研究优化惯导系统的可观性能,提高捷联惯导两位置对准的速度,有助于提高导航的准确性和快速性,将水平速度误差和等效陀螺误差作为系统观测量,提出采用静基座下快速两位置对准的新方法.在常规对准方法的基础上,建立了引入陀螺信息的观测方程,用奇异值分解方法分析了新系统可观测性,推出了第一位置可观测量的最优估计及估计误差.根据状态快速收敛的特性,提出采用PCWS方法,对加速度计和陀螺进行了有效的标定,并进行了仿真,结果证明方法有效提高加快了两位置对准的速度,能充分利用陀螺信息,有效提高了惯导系统的可观测性,缩短对准时间,具有重要的参考价值.