张金亮[1]2015年在《捷联惯性/星光组合导航关键技术研究》文中认为本文以捷联惯性/星光组合导航应用为研究主题,针对高空域长航时远程飞机和往返式近地轨道飞行器两种应用对象展开研究,分别设计了基于小视场星体跟踪器的机载惯性/星光组合导航方案和基于大视场星光敏感器的近地惯性/星光/卫星组合导航方案。同时针对飞行器高空、高速、大机动的特殊工作环境,论文对捷联惯导系统的导航更新算法和抗扰动初始对准算法进行了深入研究。主要研究内容包括:1.针对高空域、高速、大机动飞行器的特殊应用环境,对传统的多子样捷联惯性导航算法进行了改进。在“高频多子样优化计算”+“中频导航更新解算”基本框架内引入参数插值算子,提高了算法在复杂环境下的适应性。进一步分析了地球自转角速度和重力模型误差对导航精度的影响,推导了WGS84地理系重力模型与球谐重力模型随纬度、高度变化的差异性,通过理论和仿真分析得出高空域惯性导航中重力计算更宜采用低阶球谐重力模型的结论。2.研究了飞机起飞/火箭发射等强干扰基座下捷联惯导系统的初始自对准算法,由间接解析粗对准和状态估计精对准两个过程实现。间接解析对准算法基于惯性系下的重力观测矢量,通过矢量定姿算法实现,可隔离角晃动干扰影响。论文对传统的矢量构造方法进行改进,改善了算法的发散趋势。通过矢量夹角分析了算法的抗线干扰性能,设计了抗线干扰的方法。进一步引入QUEST、FOAM等多矢量定姿方法,实现了算法在运动基座下的拓展。状态估计精对准算法基于惯导误差模型,利用速度误差与姿态误差的耦合关系通过卡尔曼滤波器实现对姿态误差的估计补偿。论文针对不同姿态误差初值情况下滤波器估计精度存在较大差异的问题,分析了滤波器初始方差分配对对准精度的影响,给出了定量分析结果与仿真验证结果。3.针对高空自主长航时机载导航应用,研究了基于小视场伺服星体跟踪器的惯性/星光的组合导航技术。推导了小视场星体跟踪器的工作原理和导航原理,给出了单星高度角/方位角误差观测量和多星?角误差观测量的输出模型,并推导了观测量与姿态误差、位置误差之间的函数关系。在此基础上,设计了基于“位置+方位”修正的组合导航方案以及基于导航误差模型的滤波组合导航方案,比较了两种方案的导航精度,并设计了地面不能观星情况下的高空修正算法。为进一步提高导航精度,设计了高精度惯性/星光组合初始对准技术,可实现姿态误差和加速度计误差的高精度估计。最后分析了安装误差对导航系统的影响,设计了安装误差的实验室标定方案和外场标定方案。4.针对空、天、地一体化往返式轨道飞行器的导航飞行任务,研究了基于大视场星光敏感器的惯性/星光/卫星组合导航算法,并进一步设计了不同任务阶段的导航方案。推导了大视场星光敏感器在不同导航系下与惯性系统组合导航模型,验证了模型之间的一致性。分析了星光敏感器时间延迟对组合导航的影响,并提出了改进的解决方案。证明了大视场星光敏感器和小视场星体跟踪器在与惯性系统组合时量测信息的等价性,给出了两者的等价转换关系。设计了轨道飞行器导航参数在协议惯性坐标系与协议地球坐标系之间的高精度转换模型,并利用STK轨迹数据进行了精度验证。考虑返回阶段飞行器与大气之间的摩擦震动,进一步研究了震动环境下惯性导航系统的误差特性。5.针对惯性导航算法、惯性/星光组合导航算法的研发任务需求,设计了惯性/星光组合仿真测试系统。设计了基于运载体飞行轨迹的数字仿真测试系统,包括不同机动形式下的飞行轨迹仿真、惯性器件误差仿真和安装误差、干扰角/线机动、挠曲变形、杆臂、攻角/侧滑角等附加误差仿真;设计了基于地球圆球模型的简化轨迹仿真算法用于空天地一体化飞行器的组合算法验证,同时利用STK卫星轨迹设计软件,设计了复杂轨迹的仿真测试系统。利用惯性系统、星光系统、高精度双轴转台和星光模拟系统设计了惯性/天文实验室模拟测试系统;搭建了基于小视场星体跟踪器的惯性/星光组合车载测试系统,用于组合算法的地面验证。
张帅勇[2]2008年在《基于MIMU的捷联惯性/GPS组合系统研究》文中进行了进一步梳理随着MEMS技术的迅速发展,基于MEMS技术的惯性器件正逐步走向成熟。MIMU具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等一系列优点,因此基于其构建的捷联惯性系统及组合系统在许多领域尤其是军事领域有着广阔的应用前景。为此,本文开展了基于MIMU的捷联惯性/GPS组合系统的研究工作。本文首先根据国内外MEMS的发展现状,对由几种性能的MIMU组成的捷联姿态系统的性能进行了研究分析,从总体上而言,由MIMU组成的捷联姿态系统的精度要低于由传统的惯性器件组成的捷联姿态系统的精度;因此,接着开展了基于MIMU的捷联惯性/GPS组合系统的研究,并采用卡尔曼滤波算法进行数据融合;最后根据组合系统的需求,设计了一种DSP+MCU结构的导航计算机。论文完成了捷联惯性系统的算法,可用于分析基于MIMU的捷联姿态系统的性能;完成了基于MIMU的捷联惯性/GPS组合系统的算法,算法仿真结果表明,组合系统的精度得到了明显的提高;设计完成的基于DSP+MCU的导航计算机的硬件,为整个系统的工程化实现打下了基础。
张义[3]2012年在《舰船捷联惯性系统初始对准技术研究》文中认为目前，捷联惯导系统越来越多的应用于舰船导航中。本文针对舰船应用的特点，对舰船捷联惯导系统在各种复杂情况下的初始对准技术以及双系统并行计算技术展开了研究。论文主要工作有：首先，详细的分析了基于反馈控制的罗经法对准以及基于最优估计的卡尔曼滤波法对准的原理及稳态误差，通过对捷联惯导罗经法对准和卡尔曼滤波法对准稳态误差比较研究。指出罗经法对准的一部分稳态误差，随着系统参数设置的变化而变化，文中称之为罗经法对准的参数效应误差。采用频域分析法对罗经法对准系统进行误差分析，推导各误差源与失准角的频域误差模型。结合船用捷联惯导系统的特点，分析了摇摆、升沉横荡，及陀螺低频振荡误差对罗经法对准的影响。提出了抑制陀螺低频振荡误差的参数设计方法。光纤陀螺静态实验验证了该设计方案的有效性。针对单轴旋转调制捷联惯导系统，分析了旋转基座器件的误差输入对失准角的影响形式，在此基础上分别从参数设计和转速设计的角度，设计了适合单轴旋转调制捷联系统的罗经法对准系统，并通过仿真实验验证。提出了航向大失准角的情况下的时变参数罗经法对准。分析了航向大失准角情况下罗经法对准收敛速度减慢的原因。通过分析多级罗经法对准中参数切换所产生的等效干扰，提出时变参数的方案。系泊实验结果证明，此种方法能够有效的提高航向大失准角下罗经法对准的对准速度。研究了多普勒计程仪(Doppler Velocity Log DVL)速度辅助的船用捷联惯导航行中罗经法对准技术。分析了航行中罗经法对准的误差输入，提出了匀速直航条件下DVL辅助的罗经法对准的实现方法，且进一步研究了DVL测速误差对航行中罗经法对准的影响。通过仿真验证了该方法的有效性以及误差分析的准确性。研究了航行中卡尔曼滤波组合对准，提出在船体匀速直航的条件下使用地理系上的DVL测速误差为状态变量的卡尔曼滤波器。指出DVL测速误差的可观测性会在叁轴摇摆的作用下提升，有效的估计出DVL测速误差。提高船用捷联惯导航行中对准的航向对准精度以及速度和位置的重置精度。仿真实验结果验证了该算法的有效性。研究了捷联惯导系统双系统并行计算技术。提出了一种基于双系统的捷联航姿算法。使用一组捷联惯性组件(Inertial Measurement Unit IMU)同时计算航姿系统和惯导系统。利用惯导速度和多普勒计程仪速度进行综合计算，补偿载体的运动加速度，消除了运动加速度对航姿系统的影响。随后，提出了一种纬度未知情况下的双系统罗经对准算法。使用一套IMU同时计算两个参数不同的罗经对准系统。利用两系统的航向角输出进行综合计算，补偿了纬度未知所带来的影响。航行实验和系泊实验结果分别验证了这两种算法的有效性。
张鑫[4]2009年在《船用光纤陀螺捷联惯性系统初始对准方法研究》文中进行了进一步梳理光纤陀螺捷联惯性系统由于其独特的优势,正广泛用于军用和民用产品中,它是今后惯性导航系统的主要发展方向之一。它包含两个重要组成部分：初始对准和导航解算,初始对准的精度和时间直接关系到惯导系统的战术性能,由于惯导系统的初值误差在以后的导航解算中有积累作用,因此,在正常导航之前,必须首先完成对准过程,必须控制初始对准误差在一定范围内,以确定“数学平台”相对导航坐标系的方位。本论文以自行研制的光纤陀螺捷联惯性系统的应用为背景,重点研究捷联惯性系统系泊条件下的初始对准技术。首先根据重力矢量的低频特性和舰船系泊条件下干扰加速度的高频特性,考虑到对准的快速性要求,设计出两级抽取、叁级级联的FIR低通滤波器,利用重力矢量找北的方法实现了船用光纤陀螺捷联惯性系统系泊条件下的快速对准。仿真证明了当存在干扰加速度时,该方法可以在较短的时间内达到较高的对准精度。其次提出了船用光纤陀螺捷联惯性系统系泊精对准方法。分析了两级抽取、叁级级联的FIR低通滤波器在精对准中应用的适用性和必要性；分析了惯性系下失准角不随时间变化的性质,并据此解决了滤波器造成的失准角估计延时问题。进而完成了系泊精对准的卡尔曼滤波算法设计和仿真验证。最后基于自行研制的船用光纤陀螺捷联惯性系统开展了包括静态、叁轴摇摆以及松花江、无锡和九江系泊对准实验。对系泊快速对准方法和系泊精对准方法的适用性和有效性进行了全面验证。
赵睿[5]2006年在《捷联惯性系统初始对准研究》文中提出惯导系统的初始对准是影响系统使用性能的关键技术之一,对准的精度与速度直接关系到惯性系统的精度与启动特性。本文针对精确快速动基座对准的要求,作了以下几个方面的研究:1.对捷联惯性系统的误差方程进行了研究。首先定义了几种导航常用坐标系,阐述了捷联惯性系统的基本工作原理,然后研究了捷联惯性系统的姿态更新算法,进而基于地理坐标系给出其基本动力学方程,并推导了误差方程。2.对卡尔曼滤波及其在初始对准中的应用进行了研究。首先介绍了卡尔曼滤波理论的应用背景,然后推导了离散卡尔曼滤波方程,并对连续系统的状态方程进行离散化。提出了适用于舰载捷联惯性系统的动基座对准的2通道10个状态变量和2通道12个状态变量的系统动态模型,并建立了相应的速度匹配和位置匹配量测模型。3.对捷联惯性系统动基座初始对准的可观测性和可观测度进行了全面的分析和研究。采用PWCS(分段定常系统)可观测性分析理论和方法定性地分析了载体各种机动特性对捷联惯性系统对准过程可观测性的影响;利用SVD(奇异值分解)分析法定量地分析了捷联惯性系统在各种运动基座对准时系统状态变量的可观测度,得出了许多有用的结论,为对准时最佳机动方案的设计提供了理论依据。4.对捷联惯性系统在各种运动基座初始对准的卡尔曼滤波进行了仿真,其结果证实了SVD分析法的正确性和有效性。为了达到最佳的估计效果,根据各状态的可观测度设计了一种最佳组合机动方式来估计各个状态量,仿真结果表明采用组合运动方式分时段分别估计各个状态量可较好地估出惯性敏感器的误差,明显提高了捷联惯性系统对准速度和精度。
王守宽[6]2016年在《基于MEMS低成本微型捷联惯性导航系统研究》文中研究说明随着捷联惯性导航系统在军用以及民用应用领域的不断开拓,嵌入式、模块化、高集成的低成本微型捷联惯性导航系统的需求日趋增加。另外在传感器技术以及半导体技术的不断推动下,微型机电系统(MEMS)惯性传感器也有了新的突破。因此对基于MEMS低成本微型捷联惯性导航系统的研究是顺势而为,本文对基于MEMS低成本微型捷联惯性系统的几个关键技术进行了研究,并根据研究的结果进行了方案设计。本文具体内容如下:首先,对MIMU进行了误差源分析,建立MIMU数学模型表达式。通过MIMU标定实验确定了MIMU确定性误差系数并进行了补偿。再是分析了MEMS惯性器件的随机误差源,对常用建模方法进行研究,采用Allan方差方法分离出MEMS陀螺仪的五种随机噪声,定量计算出MIMU各轴随机噪声系数,并采用时间序列分析对MEMS陀螺仪的随机噪声进行分析,建立了ARMA(2.1)模型,而且基于该模型完成卡尔曼滤波器设计,分析滤波前后数据特性确定卡尔曼滤波的有效性和正确性。其次,通过对姿态解算的四元数法和等效旋转矢量法数学推导的研究,明确了两种算法的优缺点,并总结了两种算法的实现步骤;另外在研究传统捷联惯性导航系统速度位置解算算法的基础上,给出了划船效应下优化算法的另一种证明方法;并且通过分析圆锥误差来源的几何原理,在研究传统圆锥误差补偿的基础上,提出了一种基于角速率的改进圆锥误差补偿算法结构,并进行了数学推导求解出了圆锥误差补偿系数表达式,通过理论分析以及数学仿真验证了新改进算法的有效性。最后,根据已完成的几项技术研究,提出了一种具有嵌入式、模块化、多功能特点的基于MEMS低成本微型捷联惯性导航系统方案设计,该设计以多核DSP TMS320C6678为核心处理单元、以六轴惯性测量单元MPU6050为主要惯性传感器。通过对捷联惯性系统硬件组成结构以及系统功能需求的分析,提出了方案中主要芯片的选型原则,给出了方案中DSP中央处理单元以及MEMS惯性测量单元的主要电路原理图,并对方案中软件系统的初始化作了具体介绍以及实现过程;在完成方案设计的基础上,通过捷联惯性系统静态和动态实验验证了方案设计的可行性以及理论研究的正确性。
王武剑[7]2011年在《船用光纤捷联系统传递对准技术研究》文中研究表明传递对准是一种动基座对准,它利用高精度的主惯导系统来校准未对准好的子惯导系统。在现代战争中,要求武器系统有快速的反应能力和精确的打击能力,因此能快速而且准确的对武器系统的惯导系统进行传递对准,已经成为了武器装备中的一项关键技术。本文根据舰船环境下的特点,针对船用光纤捷联惯导系统的传递对准技术进行了深入研究。首先,根据惯导系统的基本原理给出了捷联系统的比力方程和捷联矩阵微分方程,分析惯导系统的主要误差源并建立了惯性器件误差模型,然后在比力方程和微分方程的基础上推导了速度误差方程和姿态误差方程。在主、子惯导系统之间的失准角为小角度的条件下,分别推导了速度匹配、姿态匹配以及速度加姿态匹配叁种传递对准常用匹配方式的微分方程并建立了卡尔曼滤波模型。根据舰船的运动特点,选取舰船常见的运动方式作为仿真条件,对传递对准叁种匹配方法进行仿真研究。从仿真结果中可以得出舰船在系泊状态下速度匹配传递对准的效果最好；舰船在摇摆状态下,姿态匹配和速度加姿态匹配传递对准都能快速而准确的估计出安装误差角；当舰船有线运动和加速运动时,对速度匹配和速度加姿态匹配的对准效果有所提高,对于姿态匹配没有太大的影响。其次,研究了影响传递对准精度的因素,并着重对杆臂效应误差和惯性器件测量误差进行研究。分析了杆臂效应误差产生的机理,建立了杆臂效应误差模型。在速度匹配传递对准的基础上考虑杆臂误差项,建立状态方程并将杆臂长度作为状态变量,通过卡尔曼滤波将杆臂长度估计出来,然后在杆臂长度已知的条件下利用计算补偿方法有效地提高了对准精度。之后研究了惯性测量组件的测量误差在传递对准中的影响,通过仿真证实子惯导系统中的陀螺和加速度计误差都会对传递对准精度产生影响,其中陀螺相对于加速度计对于对准精度的影响更严重一些。当陀螺的标度因数误差和安装误差达到一定程度时,会引起较大的失准角误差,所以在实际应用时要对子惯导的器件误差进行补偿,从而提高对准精度。最后,利用实验室自研的光纤捷联系统设计并实施海上航行试验,分别在系泊状态和直航状态下,采用姿态匹配和速度加姿态匹配传递对准对试验数据进行处理和分析。通过试验结果得出结论,舰船的运动状态直接影响到传递对准的结果,运动状态下的传递对准效果要比系泊状态下的较好,速度加姿态匹配方式较姿态匹配方式速度快精度高。
查峰, 高敬东, 许江宁, 胡柏青[8]2011年在《光学陀螺捷联惯性系统的发展与展望》文中指出综述光学陀螺的发展及其在捷联惯性系统中的应用概况,总结其发展态势和研究方向。在简述光学陀螺的工作原理及优势的基础上,回顾美、欧等国光学陀螺的发展历程以及我国光学陀螺的研究现状,总结了光学陀螺研究的关键技术。概述捷联惯性系统的技术特点及光学陀螺在系统应用上的优势后,回顾了美、欧等国光学陀螺捷联系统的发展历程。针对我国高精度光学陀螺捷联系统的研制需求,阐述了美国在高精度系统方面的研制情况和技术途径。总结出光学陀螺捷联惯性技术的发展趋势,为我国高精度光学陀螺捷联惯性系统的研制工作提供借鉴和参考。
李文豪[9]2018年在《半捷联微机械惯性测量系统误差分析》文中研究表明旋转弹姿态信息的实时准确获取是其制导化与精确打击的关键技术。针对旋转弹姿态精确测量的实际工程应用问题,半捷联微机械惯性系统从旋转弹角速率跨量程测量的科学源头着手,提出一种轴向高旋隔离、径向微旋固连的半捷联微机械惯性测量新方法,有效解决了微机械惯性系统在旋转弹上应用时的跨量程测量难题。然而,前期研究中我们发现,目前半捷联微机械惯性系统的测量精度有限,无法满足高精度的旋转弹精确制导需求。因此,如何进一步深入分析制约系统精度提升的主要误差产生机理,探讨其有效抑制方法,进一步提高系统精度,已成为半捷联微机械惯性系统真正得以推广应用的瓶颈问题,对其研究刻不容缓,且具有非常重要的理论价值和现实意义。针对半捷联微机械惯性系统存在的精度不足问题,本文采用理论分析与试验验证相结合的研究思路。首先针对系统弹体转速测量不准确之一问题,提出基于加权最小二乘法多传感器数据融合的转速测量方法,将更加准确的信息反馈给电机,进而提高平台稳定性;然后从系统特有的机电组件入手,重点对影响系统精度的主要机电组件误差,特别是无刷直流电机误差、轴承-转子系统振动误差,分析两种误差的产生机理,研究其特性与以及传播方式,并探讨有效的抑制方法;最后构建试验验证误差补偿方法可行性,从而为解决制约系统精度提升的瓶颈问题提供理论指导和方法依据。仿真与试验结果表明:针对系统中各种特有的误差所提出的误差补偿方法是有效的,为系统测量精度的提高提供了较好的解决方案,同时也为高旋弹药的制导化奠定了基础。
吴峻, 程向红, 万德钧[10]2004年在《光纤捷联惯性系统的发展与关键技术的研究》文中提出为适应目前各类舰载武器系统精度和性能要求的日益提高,光纤捷联惯性系统的研究和工程化是将要面临的十分关键和迫切的课题。本文介绍了基于光纤陀螺的捷联惯性系统的发展情况,从光纤陀螺与挠性陀螺及各自构成系统的比较的角度,提出了光纤捷联惯性系统的主要研究内容和关键技术。
参考文献：
[1]. 捷联惯性/星光组合导航关键技术研究[D]. 张金亮. 西北工业大学. 2015
[2]. 基于MIMU的捷联惯性/GPS组合系统研究[D]. 张帅勇. 南京理工大学. 2008
[3]. 舰船捷联惯性系统初始对准技术研究[D]. 张义. 哈尔滨工程大学. 2012
[4]. 船用光纤陀螺捷联惯性系统初始对准方法研究[D]. 张鑫. 哈尔滨工程大学. 2009
[5]. 捷联惯性系统初始对准研究[D]. 赵睿. 东南大学. 2006
[6]. 基于MEMS低成本微型捷联惯性导航系统研究[D]. 王守宽. 北京理工大学. 2016
[7]. 船用光纤捷联系统传递对准技术研究[D]. 王武剑. 哈尔滨工程大学. 2011
[8]. 光学陀螺捷联惯性系统的发展与展望[J]. 查峰, 高敬东, 许江宁, 胡柏青. 激光与光电子学进展. 2011
[9]. 半捷联微机械惯性测量系统误差分析[D]. 李文豪. 中北大学. 2018
[10]. 光纤捷联惯性系统的发展与关键技术的研究[C]. 吴峻, 程向红, 万德钧. 惯性技术发展动能发展方向研讨会论文集. 2004
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