孟克子[1]2012年在《光纤陀螺捷联惯导系统误差评估与分配方法研究》文中研究指明捷联惯性导航系统中，初始对准误差、惯性器件误差和算法误差会随着导航解算进行传播导致最终的导航参数中含有误差。误差评估和误差分配是保证导航精度的必须要求。二者也构成了本文所研究的主要问题。首先，基于捷联惯导基本方程推导了捷联惯导误差模型并对其进行了线性化；进一步分析了惯性器件主要是光纤陀螺仪的误差，研究了适于分析惯性器件量化误差的状态空间方法。其次，对静基座条件下捷联惯导系统误差进行了分析，给出了惯性器件确定性误差引起的导航参数误差的求解方法，概括总结了各误差源引起的导航参数误差的类型；进一步在对捷联惯导误差模型简化的基础上，建立了导航参数误差协方差方程，设计了协方差方程的求解方法，推导了惯性器件随机性误差引起的导航参数误差的3σ包络线的解析形式，并进行了仿真验证；另外，分析了初始对准误差对导航精度的影响。再次，为了研究动态条件下捷联惯导误差的需要，建立了误差评估仿真测试平台，设计了服务于测试平台惯性器件误差模块(以提供惯性器件误差数据)和轨迹发生器(以提供载体的运动信息)，研究了动态条件下捷联惯导误差传播特性，定量分析了惯性器件误差和初始对准误差对导航精度的影响程度；同时，对高动态环境下捷联惯导算法误差进行了研究。最后，在误差评估的基础上，研究了SINS误差分配的两种原则：平均分配原则和比例分配原则。以两种原则为指导，给出了SINS误差分配的过程及样例，通过仿真验证了分配结果满足精度指标要求，并对比分析了两种分配原则的优缺点，进一步给出了总结性的指导意见；研究了动态条件下捷联惯导误差分配方法并探讨了捷联惯导误差分配的总体思路。
聂水茹[2]2003年在《高动态环境下捷联惯导的优化算法研究》文中进行了进一步梳理捷联惯导系统的惯性器件直接固联在载体上，运载体的机动运动会直接影响系统的精度。有些误差，如运载体的角振动和线振动所引起的圆锥误差、划船误差及涡卷误差，则必须通过设计合适的算法来解决。研究在高动态环境下捷联惯导系统的高精度算法是提高系统精度的关键技术之一。 本文首先介绍了捷联惯导的基本理论，包括捷联惯导系统的工作原理、姿态更新和导航计算。然后从工程应用的角度出发，研究了高动态环境下捷联惯导系统的姿态算法、速度算法，位置算法。本文重点对以下问题进行了研究： 1．分析了高动态环境下捷联惯导圆锥误差的产生机理，研究了纯锥运动条件下姿态更新的旋转矢量优化算法，对各算法的计算量和精度进行了对比，最后对各算法进行了计算机仿真，仿真结果表明：旋转矢量算法能有效提高姿态算法的精度； 2．分析了速度更新计算中划船误差的产生机理，详细推导了划船补偿算法并在划船运动条件下推导了划船补偿优化算法，最后对各阶算法进行了仿真分析，仿真结果表明：对处在高动态环境下的高精度导航系统，划船补偿不可忽略； 3．分析了位置更新计算中涡卷误差的产生机理，研究了划船运动条件下的涡卷补偿优化算法，并对算法的性能进行了仿真分析，结果表明：对于导航定位精度特别高的场合，应该考虑加入适当的涡卷补偿来提高导航精度。
张士邈[3]2002年在《适合高动态环境的捷联惯导系统高精度算法研究》文中进行了进一步梳理随着电子技术和计算机技术的飞速发展，捷联惯导系统(SINS)已经逐步取代了平台系统，而成为未来惯性技术发展的总趋势。目前，我国的捷联系统仍处在低精度水平。要提高捷联系统的精度，一方面是设计和制造出高精度的惯性器件，但由于受材料和工艺的限制而较难以实现；另一方面就是设计和采用高精度的捷联算法，因而研究一种适用于捷联系统的高精度算法就成为急需解决的课题。 本文从实际需要出发，对适合高动态环境的捷联惯导系统的高精度姿态算法进行了研究。本文的理论研究对工程应用具有很高的参考价值和实用价值。 本文首先系统介绍了捷联惯导系统的基本理论，包括捷联惯导系统的工作原理、捷联惯导系统的姿态更新和导航计算，其中重点介绍了姿态矩阵的求解算法。本论文着重进行了以下几个问题的研究： 1．高动态环境下捷联惯导系统的误差研究，分析了圆锥误差、划桨误差和涡卷误差的产生机理，并提出了误差的补偿方法； 2．从旋转矢量的概念出发，推导了算法的精度准则，在典型的高动态环境——锥运动作为输入条件下，以使锥误差最小为原则，推导了旋转矢量各阶子样算法及其优化算法，并与传统的四元数算法进行了比较； 3．对各算法的计算量问题进行了研究； 4．在纯锥运动条件下进行了数字仿真，对各算法的精度进行了比较，仿真结果与理论结果一致，另外对如何选取旋转矢量几阶子样算法作为姿态更新算法，以及如何合理利用陀螺仪输出信息的问题进行了说明； 5．最后，针对一种工程应用的实例——定向炸弹运动的实际情况，对其捷联系统采用不同算法的精度进行了仿真比较。
杨海[4]2016年在《SINS/WSN组合定位下采煤机精确位姿感知理论及技术研究》文中进行了进一步梳理随着近年来国家能源战略的发展实施,使得煤炭开采逐步从高产量向绿色开采、安全高效开采发展。煤矿井下综采工作面的自动化和智能化是实现矿井无人化、安全高效开采的关键步骤,也是发展“数字矿山”,提高矿井机电装备信息化和自动化水平的重要组成部分。本文在国家高技术研究发展计划项目的资助下,以综采工作面“叁机”装备——采煤机、刮板输送机和液压支架为研究对象,以捷联惯性导航系统和无线传感器网络定位系统为基础,以实现井下综采“叁机”自动化为目标,开展采煤机复杂环境下的精确位姿感知技术研究。通过建立采煤机动力学模型和“叁机”运动学模型,在此基础上研究采煤机复杂振动环境下的捷联惯导误差补偿策略及多约束定位解算策略,构建采煤机SINS/WSN组合定位模型,在此基础上分析异类传感器数据传输特性以及井下工作面无线传感器网络定位影响因素,提出组合定位系统数据异步融合方法以及WSN不同失效情况下的紧耦合容错组合定位方法来实现采煤机复杂环境下的定位定姿。主要研究工作包括:1)采煤机动力学模型下捷联惯导解算误差补偿策略研究。建立了采煤机的多刚体动力学模型,并进行数值计算下的采煤机机身振动形式求解。分析了动力学模型下的采煤机机身振动形式,设计了针对采煤机机身的等效二阶振动模型。利用等效的机身角振动和线振动特性,构建了基于四元数多子样算法的捷联惯导圆锥误差和划船误差补偿模型。2)采煤机运动学约束下的捷联惯导测量误差校正研究。分析了捷联惯导加速度计和陀螺仪的测量偏差特性,提出了基于中值滤波的采煤机静止状态检测方法,利用采煤机运动前期的静止状态,构建了基于最小二乘法的加速度计和陀螺仪静态测量偏差校正模型。利用采煤机的行驶速度特性,建立了基于模糊推理机制的加速度动态测量偏差实时校正模型。研究了采煤机受刮板机的运动学约束特性,针对采煤机工作时停车速度为零的特点,构建了基于采煤机运动学辅助下的捷联惯导零速校正模型。3)时间异步传输下SINS/WSN组合定位策略研究。建立了无线传感器网络节点部署与定位解算模型,分析了组合定位系统中SINS和WSN之间的时间配准误差以及传统同步融合算法下引入的异步数据定位误差,构建了基于融合周期的批处理数据伪量测模型,研究了融合周期中WSN量测数据采样特性,设计了基于批处理异步融合与单惯导状态更新自动切换的定位模型,实现了量测数据时间异步下基于无迹卡尔曼滤波的组合定位系统融合解算。4)WSN失效下采煤机多模型容错组合定位策略研究。研究了WSN在定位过程中粗大定位误差和定位数据丢失的情况,建立了基于WSN定位失效情况下决策树容错判断策略,构建了基于卡尔曼滤波的容错组合定位模型。研究了WSN定位过程中出现的部分锚节点测距失效导致无法解算出准确采煤机位置信息的情况,利用剩余的准确测距信息建立了基于测距误差校正下的紧耦合模糊自适应组合定位模型。分析了以上两种容错定位模型在不同WSN失效状态下的各自定位优势,建立了基于卡尔曼滤波残差检测的多模型自动切换定位策略,实现了针对WSN不同失效情况下的自适应容错组合定位。
黄磊[5]2015年在《高动态环境捷联惯导信号处理及高精度姿态速度算法研究》文中提出捷联惯性导航是一门涉及多种精密学科领域的综合科学技术。由于其导航原理是建立在惯性传感器的测量和数字积分运算的基础上,任何微小的器件输出误差和算法误差都会随时间累积,导致导航误差不断增大。为了获得高动态环境下的高精度导航结果,一方面要不断提高惯性传感器的精度和高动态量程,并通过误差建模和补偿手段减小惯性器件误差对导航精度的影响。另一方面捷联惯性导航算法本身也需要随之发展,提高在高动态背景,特别是如圆锥运动、强振动、划桨运动等恶劣环境下的性能,与惯性器件的输出相匹配,最终满足现实对高动态和高精度捷联惯导系统的整体要求。本文对高动态环境捷联惯导系统信号处理及高精度姿态速度算法进行了深入研究。研究分为叁个方面:1)陀螺仪随机误差的分析和建模研究;2)高动态环境下高精度的捷联惯导姿态算法研究;3)高动态环境下高精度的捷联惯导速度算法研究。目的是通过对陀螺仪误差的建模和导航算法的优化,进一步提高纯捷联惯导系统的精度。陀螺仪的性能对捷联惯导系统的精度影响至关重要。对陀螺仪输出噪声的建模和补偿,一直是高精度捷联惯导系统的关键技术之一。本文对陀螺仪随机噪声的时间序列建模方法进行了深入研究。根据陀螺仪随机噪声的自相关和偏相关特性的不同,将AR/ARMA模型参数设为系统的状态量,采用未知定常/时变观测噪声估值器估计观测噪声的统计特性,通过自适应/鲁棒Kalman滤波得到AR/ARMA模型参数的最优估计。相比传统建模方法,该方法能够快速经济的估计出模型参数,减少采样时间;并根据新的样本信息修正原有模型参数,使建立的模型能及时反映和跟随噪声特性的变化,提高了建模精度。还对陀螺仪随机噪声的MA建模方法进行了研究,针对传统的建模方法计算量大、收敛速度慢等问题,将Gevers-Wouters法和新息递推估计法分别应用在陀螺仪随机噪声的MA模型建模中,有效提高了对MA模型参数的估计速度。在捷联导航算法的编排中,姿态算法的作用至关重要。传统捷联导航旋转矢量姿态算法的建立一般多基于一阶旋转矢量微分方程,其精度能够满足大多数应用场合的要求。但在一些高动态环境、如圆锥运动、强振动等场合,传统旋转矢量姿态算法仍需改进提高。本文对传统圆锥姿态算法推导过程中的一处关键性假设进行了补充证明,完善了圆锥算法的推导过程。并对传统圆锥算法的误差构成进行了深入分析,针对其近似误差与常值漂移误差相比不能被忽略的特点,提出了二阶圆锥优化算法。该算法基于二阶旋转矢量真值模型,包括角增量和角速率两种输入形式。在不增加单次更新周期内采样次数的前提下,该算法能够有效减少近似误差,有效地提高了姿态算法的整体精度。同时,在分析非圆锥运动环境(振动和非振动)下各类旋转矢量算法性能的基础上,还提出了在振动环境下具有最优算法性能的二阶旋转矢量姿态算法。除了姿态算法,速度算法的性能也对捷联惯导系统的综合性能产生重要的影响。一般把划桨运动下算法性能的高低做为衡量捷联导航速度算法在高动态环境下性能优劣的标准。针对现代惯性传感器输出的多样化和高精度特点,以及捷联惯导系统中陀螺和加速度计的信息输出及组合有多种不同形式的现状,本文提出了基于角增量和比力输出,以及角速率和速度增量输出的划桨优化算法。在采用对应传感器输出的捷联惯导系统中,该算法可以直接根据惯性传感器输出进行速度解算,并能对速度计算过程中由比力矢量积分产生的不可交换性误差进行很好的补偿,算法精度更高。适合应用于采用角增量陀螺仪和比力加速度计,或者角速率陀螺仪和速度增量加速度计的高精度捷联惯导系统中。本文的研究工作有助于进一步提高高动态环境下纯捷联惯导系统的导航精度。论文也利用了实验数据对本文的算法和成果加以验证,具有重要的实际应用参考价值。
魏纪林[6]2012年在《高动态下激光捷联惯导系统算法研究与实现》文中指出惯性导航因其不受外界环境任何干扰的独特优势而成为导弹、飞机、舰船等运载体最为重要的制导方式。近年来采用激光陀螺作为敏感元件的捷联式惯导系统发展势头迅猛，但精度问题已经成为其进一步发展的瓶颈，这也是其在高精度导航领域无法取代平台式惯导系统的主要原因。提高捷联系统精度的途径有多种，综合考虑成本、实用性、技术难度等因素，采用高精度导航算法是解决这一问题的理想途径。本文正是针对这一问题而展开研究的。本文的研究工作主要包括以下叁个部分：(1)对捷联惯导系统进行了详细的误差分析。在对捷联惯导系统的基本工作原理进行阐述的基础上，本文重点从惯性器件误差、导航算法误差、圆锥误差等几个方面详细分析了捷联惯导系统的误差来源及其对导航精度的影响。(2)以典型圆锥运动和典型划船运动为检验环境，对高动态环境下捷联惯导系统的姿态算法、速度算法和位置算法进行了深入研究。提出了姿态更新的精度准则，对等效旋转矢量多子样算法及其在典型圆锥运动下的的优化形式进行了推导，对多子样加前一周期角增量算法也进行了研究。对圆锥优化算法在其它动态环境中的最优性问题进行了研究，得出了相应结论。对速度解算中的划船效应误差和位置解算中的涡卷效应误差进行了研究，提出了相应补偿算法，并推导了在典型划船运动下补偿算法的优化形式。(3)设计了以PC/104为导航计算机的激光陀螺捷联惯导系统实物，在VC++6.0环境下开发了用于导航计算机串口通信的上位机控制软件。对惯组进行标定，完成了LSINS系统的初始对准。在实验室叁轴精密转台上进行了实际的导航实验。通过对实验结果的分析，得到了一些在工程上较为实用的结论。本文的理论研究和实验结果表明，在其它条件一定的情况下，采用高精度导航算法能够对系统中的误差因素进行有效的抑制和补偿，可以显着提高系统的导航精度。
段小庆, 王宏力, 郑佳华[7]2007年在《高动态下捷联惯导系统姿态算法比较研究》文中研究表明姿态更新矩阵的计算是捷联惯导系统中一个重要的组成部分,本文着重对四元数四阶龙格库塔法和优化旋转矢量法进行了讨论,并在典型的圆锥运动环境下进行了仿真,仿真结果表明,优化旋转矢量算法的精度要高于四阶龙格库塔算法．
廖斌[8]2011年在《光纤陀螺捷联惯导系统改进算法研究》文中研究说明本文针对“十一五”重点预研项目“光纤陀螺捷联惯导系统”进行了光纤陀螺捷联惯导系统算法的理论研究与实现。目的在于解决现有光纤陀螺捷联惯导系统算法中存在的角速率信息的合理利用及工程实用性等问题，实现算法的工程化，提高整个捷联惯导系统的精度,因此本文的研究具有一定的理论意义和工程价值。本课题研究的主要内容及成果有：1.分析了传统算法对圆锥误差的抑制能力。分别以陀螺角速率输入和角增量输入的情况对工程中常用的捷联姿态算法－四元数法、二子样旋转矢量法和叁子样旋转矢量法进行分析。得出角速率输入情况下旋转矢量算法误差明显增大。2．提出了新的圆锥补偿算法。本文根据上述分析的结论，利用了光纤陀螺角速率输出的特点及旋转矢量的原理提出了新的圆锥补偿算法。经过理论与仿真分析得出：在计算量增加不多的情况下，新算法的补偿精度优于上述算法，而且易于工程实现。3．提出了动态环境下新的光纤陀螺捷联惯导系统算法。传统的捷联算法中，没有考虑到圆锥补偿和划船补偿。因此在动态环境下，传统的捷联算法存在一定的误差，对系统的精度带来较大的影响。本文应用上述提出的新的圆锥补偿算法及现有划船补偿融入捷联算法中，利用了旋转四元数原理对光纤陀螺捷联算法进行了改进，仿真表明了姿态精度提高约一个数量级，速度、位置精度平均提高11.8%,计算量减小约5%。4．设计和实现了改进的捷联系统算法软件。为了进行比较，同时完成了传统捷联算法软件。并分别对传统算法和改进的算法进行实验，实验结果表明改进的算法软件有效的抑制了圆锥误差及划船误差，而且在运算时间和计算精度明显高于传统的算法。
付军[9]2007年在《捷联惯导算法研究及系统仿真》文中指出捷联式惯性导航系统是近年来惯性技术的一个发展方向。由于捷联系统一系列的优点,捷联系统取代平台系统,已成为新世纪惯性技术发展的一种大趋势。要提高捷联系统精度,一方面是设计和制造出高精度的惯性器件,但由于受材料和工艺的限制而较难以实现;另一方面就是设计和采用高精度的捷联算法,因而研究一种适用于捷联系统的高精度算法就成为急需解决的课题。本文首先给出了捷联式惯性导航的基本原理及几种常用的姿态算法,接下来着重对以下几个问题进行了研究:1.研究了捷联惯导系统圆锥误差的产生机理,讨论了典型锥运动条件下等效旋转矢量算法及其衍生的一系列修正算法和优化算法,作了精度分析和数字仿真,并提出了一种改进的旋转矢量优化算法。2.研究了速度更新计算中划船误差的产生机理,详细推导了划船补偿算法,并在划船运动条件下推导了划船补偿优化算法,最后对各阶算法进行了仿真分析,仿真结果表明:对处在高动态环境下的高精度导航系统,划船补偿不可忽略。并在此基础上,对位置计算中的涡卷误差进行了研究。3.研究了陀螺仪和加速度计的数学模型,导航解算的算法、飞行轨迹数据生成算法。然后利用MATLAB/Simulink开发出飞行轨迹数据生成系统、捷联惯导仿真系统。仿真系统综合了惯性器件仿真和捷联惯性导航系统仿真。实验中采用了改进的旋转矢量优化算法,实验结果显示仿真系统工作稳定可靠,仿真结果达到预期效果。
顾冬晴, 秦永元[10]2005年在《捷联惯导位置更新中的二子样涡卷补偿优化算法研究》文中提出研究了高动态环境下捷联惯导位置更新中的涡卷补偿算法。首先,给出了以地理坐标系为导航坐标系的位置更新算法;然后,基于曲线拟合的思想方法,推导了位置更新的二子样和叁子样涡卷补偿算法,并且在划船运动(一种引起涡卷效应的典型高动态环境)下对二子样涡卷补偿算法进行优化,提出了位置更新的二子样涡卷补偿优化算法。仿真结果表明,二子样涡卷补偿优化算法的精度要比二子样涡卷补偿算法高,而其计算量与二子样涡卷补偿算法相当。
参考文献：
[1]. 光纤陀螺捷联惯导系统误差评估与分配方法研究[D]. 孟克子. 哈尔滨工业大学. 2012
[2]. 高动态环境下捷联惯导的优化算法研究[D]. 聂水茹. 西北工业大学. 2003
[3]. 适合高动态环境的捷联惯导系统高精度算法研究[D]. 张士邈. 西北工业大学. 2002
[4]. SINS/WSN组合定位下采煤机精确位姿感知理论及技术研究[D]. 杨海. 中国矿业大学. 2016
[5]. 高动态环境捷联惯导信号处理及高精度姿态速度算法研究[D]. 黄磊. 南京航空航天大学. 2015
[6]. 高动态下激光捷联惯导系统算法研究与实现[D]. 魏纪林. 哈尔滨工业大学. 2012
[7]. 高动态下捷联惯导系统姿态算法比较研究[C]. 段小庆, 王宏力, 郑佳华. 2007系统仿真技术及其应用学术会议论文集. 2007
[8]. 光纤陀螺捷联惯导系统改进算法研究[D]. 廖斌. 哈尔滨工程大学. 2011
[9]. 捷联惯导算法研究及系统仿真[D]. 付军. 哈尔滨工业大学. 2007
[10]. 捷联惯导位置更新中的二子样涡卷补偿优化算法研究[J]. 顾冬晴, 秦永元. 宇航学报. 2005
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