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基于重力模型阶次自适应的实时重力补偿系统研究

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导航定位与授时 2024年第4期11卷 55-64页

作者：朱宏堡田野严恭敏李四海刘中平西北工业大学自动化学院西安710072 陕西飞机工业有限责任公司陕西汉中723000

重力扰动已成为高精度惯性导航系统的一项主要误差源,对其进行补偿可进一步提升导航精度。通过EIGEN-6C4重力场模型可计算全球范围内的重力扰动,模型阶次越高,计算结果越精确,但相应的计算量和存储量越大,在传统的导航计算机上使用高阶... 详细信息

重力扰动已成为高精度惯性导航系统的一项主要误差源,对其进行补偿可进一步提升导航精度。通过EIGEN-6C4重力场模型可计算全球范围内的重力扰动,模型阶次越高,计算结果越精确,但相应的计算量和存储量越大,在传统的导航计算机上使用高阶模型很难满足实时性要求,而使用低阶模型会导致较大的截断误差。针对以上问题,根据模型阶次与空间分辨率的关系,以及重力扰动在惯导力学编排中的传播特性,研究了一种易于在嵌入式系统实现的可随载体运动状态降频率、降阶次的实时重力补偿方案,并采用DSP实现了软硬件方案。最后,通过半实物仿真验证了所述方案既能满足实时性要求,也能保证补偿精度:东向及北向位置精度最大提升649 m和686 m,平均提升效果可达2 190阶重力模型补偿后精度提升量级的94%。

关键词：实时重力补偿 EIGEN-6C4重力场模型惯性导航系统嵌入式系统

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地球自转模型误差对高精度惯导系统定位精度的影响分析

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中国惯性技术学报 2022年第2期30卷 154-158,167页

作者：严恭敏戴晨杰陈若彤西北工业大学自动化学院西安710072

针对1 n mile/100 d甚至更高精度的长航时惯性导航定位需求,分析并指出了传统地球自转角速度模型参数的不足之处。根据天文学中的岁差、章动和日长变化等相关模型,推导了求解精确的地球自转角速度的方法,给出了传统地球自转角速度模型... 详细信息

针对1 n mile/100 d甚至更高精度的长航时惯性导航定位需求,分析并指出了传统地球自转角速度模型参数的不足之处。根据天文学中的岁差、章动和日长变化等相关模型,推导了求解精确的地球自转角速度的方法,给出了传统地球自转角速度模型误差的表达式,对惯导系统误差传播方程进行了修正。开展了长航时高精度惯性导航误差仿真验证,结果显示,传统的地球自转角速度模型误差会引起0.1 n mile/100 d的纯惯性定位误差,但经过修正后误差可降低60%以上,仿真结果验证了所描述的误差传播方程的正确性。

关键词：惯导系统长航时高精度地球自转模型误差误差传播方程数值仿真

惯性/天文组合导航中的时空坐标转换及其误差分析

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中国惯性技术学报 2022年第1期30卷 89-95,103页

作者：严恭敏戴晨杰陈若彤西北工业大学自动化学院西安710072

针对惯性/天文组合导航中将天文传感器测量信息从天球坐标系到地球坐标系转换的问题,研究了其转换过程中涉及到的时间系统和坐标转换关系,前者包括世界时、地球时、太阳系质心力学时、原子时和协调世界时等时间概念,后者包括岁差、章动... 详细信息

针对惯性/天文组合导航中将天文传感器测量信息从天球坐标系到地球坐标系转换的问题,研究了其转换过程中涉及到的时间系统和坐标转换关系,前者包括世界时、地球时、太阳系质心力学时、原子时和协调世界时等时间概念,后者包括岁差、章动、视恒星时和极移等旋转变换。对坐标转换过程中小于0.1″的因素进行了忽略和近似简化,误差分析表明,除地球自转角的计算需要比较精确的UT1时间外,其他天文参数计算中的时间输入均可直接使用UTC时间代替。仿真结果显示,所提简化算法的转换精度达到了0.2″,满足角秒级的天文传感器测姿精度需求。

关键词：惯性/天文组合导航时空坐标转换误差分析基础天文标准库

基于Legendre多项式的一种高精度捷联惯导姿态更新算法

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西北工业大学学报 2022年第5期40卷 1021-1029页

作者：杨小康杨浩严恭敏李四海西北工业大学自动化学院陕西西安710072

高超声速飞行器(hypersonic flight vehicle,HFV)大加速度运动、旋转导弹的高速转动和战斗机的大机动飞行等对捷联惯导系统(strapdown inertial navigation system,SINS)提出了更高的要求,只有在减小IMU(inertial measurement unit)测量误差的同时改进捷联惯导算法,才能在高动态大机动条件下实现高精度定位。传统的捷联惯导算法,在忽略Bortz方程高阶项后,通过构建圆锥误差补偿项完成高精度姿态解算。在大机动条件下补偿后的残差已不再是可以忽略的小量,激励出的算法误差已严重影响导航解算精度。为了提升大机动条件下的捷联惯导算法精度,用Legendre多项式作基完成角速度函数逼近,以四元数微分方程数值求解为核心,设计一种高精度SINS姿态解算。由于在推导过程中没有近似,在精确数值计算中实现了高阶圆锥误差补偿。在圆锥运动和大机动环境下进行姿态解算仿真,与目前精度最高的四次叉乘圆锥误差算法相比,新算法在圆锥运动下的误差不到其算法误差的1/3,在大机动条件下算法精度可以提升一个量级。基于Legendre多项式的高精度捷联惯导算法对未来高超音速飞行器精确定位、原子陀螺惯导系统研究以及捷联惯导算法设计都有一定的参考意义。

关键词：姿态算法捷联惯导 Legendre多项式圆锥运动大机动

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日月摄动对高精度惯导系统的影响

中国惯性技术学报 2023年第10期31卷 955-959页

作者：严恭敏戴晨杰杨小康黄国荣西北工业大学自动化学院西安710072 空军工程大学航空工程学院西安710038

针对日月摄动对长航时高精度惯性导航的影响,对其引起的导航误差进行了研究。基于JPL星历DE405,建立了日地月系统的轨道模型,获得三者相对位置信息。利用此轨道模型求解出日月引力摄动对地球表面的惯性器件产生的比力最大达到0.15μg。... 详细信息

针对日月摄动对长航时高精度惯性导航的影响,对其引起的导航误差进行了研究。基于JPL星历DE405,建立了日地月系统的轨道模型,获得三者相对位置信息。利用此轨道模型求解出日月引力摄动对地球表面的惯性器件产生的比力最大达到0.15μg。同时开展了长航时高精度纯惯性导航仿真验证,结果显示日月引力摄动单日内最大可以引起米级的惯性导航定位误差,并在长航时导航中呈现出周期性。同时摄动对导航的影响随着纬度变化而变化,在30°附近影响相对较小,其产生的定位误差在超高精度惯性导航中需要予以考虑。

关键词：惯导系统长航时高精度引力摄动 JPL星历数值仿真

抗线晃动干扰惯性系初始对准改进参数辨识方法

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中国惯性技术学报 2023年第5期31卷 425-430页

作者：严恭敏蔺裕源刘瑞鑫李强卢彤春西北工业大学自动化学院西安710072 哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001 上海航天控制技术研究所上海201109

针对捷联惯导系统晃动基座惯性系初始对准中的参数辨识问题,提出了基于比力视位置拟合的抗线晃动干扰惯性系初始对准改进参数辨识方法。通过对惯导比力方程变换建立了比力双重积分视位置观测矢量模型,对惯导初始速度和位置变化两项参数... 详细信息

针对捷联惯导系统晃动基座惯性系初始对准中的参数辨识问题,提出了基于比力视位置拟合的抗线晃动干扰惯性系初始对准改进参数辨识方法。通过对惯导比力方程变换建立了比力双重积分视位置观测矢量模型,对惯导初始速度和位置变化两项参数进行参数辨识。在完成参数辨识之后,进行视位置观测矢量重构,重构算法从原理上消除了惯导初始速度和位置变化的影响,从而具备晃动基座初始对准收敛速度快和收敛后波动小的优势。进行了六自由度海浪晃动模拟验证,在1 m/s的初始线晃动情况下,采用所提方法1200 s初始对准方位精度约2.2’,较传统方法对准精度提高一个数量级。

关键词：捷联惯导系统惯性系初始对准参数辨识矢量重构抗线晃动干扰

基于双轴旋转调制惯性测量的载体导航信息提取方法

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中国惯性技术学报 2022年第3期30卷 304-308,315页

作者：江一夫李四海严恭敏谢波西北工业大学自动化学院西安710029 西安航天精密机电研究所西安710100

针对双轴旋转调制惯导系统在旋转过程中无法直接提供载体角速度等导航信息的问题,提出了一种以标定惯性测量单元与内外框时空关系来精确解调原始旋转惯性测量数据的载体导航信息提取方法。首先,从基于旋转轴的内外框坐标系定义出发,提... 详细信息

针对双轴旋转调制惯导系统在旋转过程中无法直接提供载体角速度等导航信息的问题,提出了一种以标定惯性测量单元与内外框时空关系来精确解调原始旋转惯性测量数据的载体导航信息提取方法。首先,从基于旋转轴的内外框坐标系定义出发,提出了综合考量整圈所有角位置状态的惯性测量单元与内外转轴安装角标定方法。然后,利用转轴方向惯性测量角增量曲线和转位测量角增量曲线的相似平移关系推导了两者之间时间不同步误差的计算方法。进一步,基于滑动数据存储窗口,通过实时测角变化率计算和相邻转位测角外推实现了时间不同步误差的精确补偿。最后,采用基于高次谐波函数的精细化误差模型实现了转轴锥摆运动引起的测角不圆度误差精确标定。采集内外框旋转试验数据验证了所提方法的有效性,结果表明由原始惯性测量信息解调导致的载体航姿提取误差小于0.001°。

关键词：双轴旋转调制惯性测量载体系安装角标定

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一种地理系下基于伪线性模型的捷联惯导算法

宇航学报 2022年第9期43卷 1227-1235页

作者：杨小康严恭敏李思锦李四海刘明雍西北工业大学自动化学院西安710129 陕西省飞行控制与仿真技术重点实验室西安710129 西安微电子技术研究所西安710065 西北工业大学航海学院西安710072

针对传统捷联惯导算法模型为非线性,需要对姿态、速度和位置分步运算,且高动态下算法精度较低的问题,提出一种地理系下基于伪线性模型的捷联惯导算法。利用伪线性模型及其分析方法,将传统的地理系下捷联惯导方程各部分转换成伪线性形式... 详细信息

针对传统捷联惯导算法模型为非线性,需要对姿态、速度和位置分步运算,且高动态下算法精度较低的问题,提出一种地理系下基于伪线性模型的捷联惯导算法。利用伪线性模型及其分析方法,将传统的地理系下捷联惯导方程各部分转换成伪线性形式,定义导航向量并建立其系统模型;再利用高阶数值积分算法提升导航向量更新精度,得到地理系下基于伪线性模型的捷联惯导算法。最后,用仿真评估算法精度,与传统捷联惯导算法相比,大机动条件仿真中伪线性捷联惯导算法的精度提升了两个量级;旋转弹飞行仿真中导航误差不到传统算法的1/5。提出的伪线性捷联惯导算法结构简单,采用一个更新回路即可完成导航向量更新,且在高动态大机动条件下具有更高的算法精度,因此,对于捷联惯导算法研究与工程应用有一定的参考价值。

关键词：伪线性模型捷联惯导系统四元数高精度导航

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再论联邦滤波在组合导航中的应用可行性

导航定位与授时 2022年第4期9卷 1-6页

作者：严恭敏戴晨杰刘璠西北工业大学自动化学院西安710072

在联邦滤波算法中,针对子滤波器存在私有状态从而导致全局状态信息融合估计为次优估计的问题,通过一个简单的3维状态、2维量测系统的数值仿真以及速度+姿态传递对准组合导航仿真,验证了联邦滤波的次优估计结果误差太大,难以满足实际系... 详细信息

在联邦滤波算法中,针对子滤波器存在私有状态从而导致全局状态信息融合估计为次优估计的问题,通过一个简单的3维状态、2维量测系统的数值仿真以及速度+姿态传递对准组合导航仿真,验证了联邦滤波的次优估计结果误差太大,难以满足实际系统的高精度滤波需求。联邦滤波估计的次优程度没有经过严格证明,且难以证明,因而存在应用风险。对于以精度为主要性能指标的组合导航系统,不建议采用联邦滤波算法,否则其精度损失不足以弥补其带来的计算量降低和容错性提高的优势。

关键词：联邦滤波集中滤波组合导航传递对准