某组合导航系统捷联导航方案及仿真技术研究
SINS_DVL_USBL水下组合导航系统的设计与验证
(4) Experimental verification: the corresponding static and dynamic experiments are designed. The experimental results show that the navigation accuracy of the integrated navigation system meets the design requirements, and the system is stable and reliable. The
(2) Principle and error analysis: on the premise of defining common navigation coordinate system, the basic principles of sins, DVL and USBL are analyzed; on this basis, the corresponding error model is established; the IMU in SINS system is calibrated and compensated and the random error parameters are identified.
《基于SINS-BDS-GPS组合导航信息融合算法研究》范文
《基于SINS-BDS-GPS组合导航信息融合算法研究》篇一基于SINS-BDS-GPS组合导航信息融合算法研究一、引言随着科技的发展,导航技术已成为现代社会不可或缺的一部分。
特别是对于SINS(Strapdown Inertial Navigation System,捷联式惯性导航系统)、BDS(北斗卫星导航系统)和GPS(全球定位系统)等组合导航系统的应用,其精确性和可靠性对于各种应用领域至关重要。
本文将重点研究基于SINS/BDS/GPS组合导航信息融合算法,以提高导航系统的性能和精度。
二、SINS/BDS/GPS组合导航系统概述SINS是一种基于惯性测量单元(IMU)的导航系统,通过测量物体的加速度和角速度来推算物体的运动状态。
BDS和GPS则是卫星导航系统,通过接收来自卫星的信号来计算用户的位置和速度。
将SINS与BDS、GPS相结合,可以形成一种互补的组合导航系统,具有高精度、高动态和抗干扰等优点。
三、信息融合算法研究为了实现SINS/BDS/GPS组合导航系统的信息融合,需要采用合适的算法来处理不同类型的数据。
本部分将重点研究以下几种算法:1. 数据预处理算法:对SINS、BDS和GPS的原始数据进行预处理,包括滤波、降噪、数据对齐等操作,以提高数据的可用性和可靠性。
2. 权重分配算法:根据不同传感器的性能和测量误差,为SINS、BDS和GPS分配合理的权重,以实现最优的数据融合。
3. 状态估计与滤波算法:采用卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波等算法,对组合导航系统的状态进行实时估计和滤波,以提高导航的精度和稳定性。
4. 多模型融合算法:针对不同环境和应用场景,采用多模型融合算法,如联邦滤波、多传感器信息融合等,以提高导航系统的鲁棒性和适应性。
四、实验与分析为了验证所研究的信息融合算法的有效性,我们进行了实验分析。
实验采用了真实的SINS、BDS和GPS数据,通过不同的信息融合算法进行处理和分析。
中短程捷联惯导GNSS导航系统关键技术研究
中短程捷联惯导/GNSS导航系统关键技术研究捷联惯导(SINS)与全球卫星导航系统(GNSS)是重要的现代导航技术。
对于精确制导武器、小型无人机等领域应用的捷联惯导/GNSS导航系统,具有工作时间和距离短、工作环境易受温度影响、载体机动幅度较大、要求保留纯惯性工作能力等特点。
因此,在中短程应用的捷联惯导/GNSS组合导航系统中,惯性器件的误差标定、高动态条件下的捷联惯导解算算法、机载条件下的惯导传递对准算法以及捷联惯导与GNSS的组合导航算法,是影响导航系统性能的关键技术。
本文以中短程捷联惯导/GNSS组合导航系统为研究对象,以提高导航系统精度为重点目标进行研究,完成的主要内容包括:(1)研究了微机电(MEMS)惯性器件的误差特性,陀螺仪和加速度计的误差进行了分析,建立了数学模型。
针对MEMS陀螺仪误差特性较为复杂,采用常规多项式方法建模不够精确的问题,提出了基于参数内插法的陀螺仪误差补偿方法。
设计了全温度、全转速六位置标定测试实验,对加速度计和陀螺仪进行标定测试,并对参数内插法和常规方法对陀螺仪的标定结果进行了分析和对比。
结果表明,经过标定可以大幅度降低惯性器件的误差,本文提出的参数内插法的对陀螺仪的补偿效果更好(2)基于等效旋转矢量作为基本数学工具,考虑由于姿态的旋转不可交换性带来的锥运动、摇橹运动等运动效应,设计了捷联惯导解算的高速数值算法,该算法具有流程简洁、更新频率高的优点。
对捷联惯导的误差源和误差特性进行了分析,建立了捷联惯导误差的状态空间模型。
(3)对影响载捷联惯导制导武器传递对准精度的各种因素,进行了分析和建模。
然后在分析了传递对准各种匹配方式的优缺点的基础上,建立了基于速度积分+姿态匹配的Kalman滤波传递对准算法,并设计了数字仿真实验进行了验证。
仿真实验表明在存在挠曲变形和振动扰动的环境下,该传递对准算法对滚转角误差的估计精度比传统的速度+姿态匹配法提高了34.3%,对X轴失准角的估计精度提高了30%,对三轴轴加速度计零偏的估计精度分别提高了34.7%、81.3%和75%。
组合导航关键技术
组合导航系统是将载体( 飞机、舰船等) 上的导航设备组合成一个统一的系统,利用两种或两种以上的设备提供多重信息,构成一个多功能、高精度的冗余系统。
组合导航系统有利于充分利用各导航系统进行信息互补与信息合作, 成为导航系统发展的方向。
在所有的组合导航系统中,以北斗与惯性导航系统INS 组合的系统最为理想, 而深组合方式是北斗与惯性导航系统( INS) 组合的最优方法。
鉴于GPS 的不可依赖性,北斗卫星导航系统与INS 的组合是我国组合导航系统的发展趋势,我国自主研制北斗/INS深组合导航系统需要解决的关键技术。
1 北斗/惯导深组合导航算法深组合导航算法是由INS导航结果推算出伪距、伪距率,与北斗定位系统观测得到的伪距、伪距率作差得到观测量。
通过卡尔曼滤波对INS的误差和北斗接收机的误差进行最优估计,并根据估计出的INS误差结果对INS进行反馈校正, 使INS保持高精度的导航。
同时利用校正后的INS 速度信息对北斗接收机的载波环、码环进行辅助跟踪, 消除载波跟踪环和码跟踪环中载体的大部分动态因素, 以降低载波跟踪环和码跟踪环的阶数,从而减小环路的等效带宽, 增加北斗接收机在高动态或强干扰环境下的跟踪能力。
其组合方式如图 1所示,图中只画出了北斗的一个通道,其他通道均相同。
图 1 深组合方式框图组合导航参数估计是组合导航系统研究的关键问题之一。
经典Kalman滤波方法是组合导航系统中使用最广泛的滤波方法,但由于动态条件下组合导航系统状态噪声和量测噪声的统计信息的不准确,常导致滤波精度的下降,影响组合导航的性能。
滤波初值的选取与方差矩阵的初值对滤波结果的无偏性和稳定性有较大的影响,不恰当的选择可能导致滤波过程收敛速度慢,甚至有可能发散。
另外系统误差模型的不准确也会导致滤波过程的不稳定。
渐消记忆自适应滤波方法通过调节新量测值对估计值的修正作用来减小系统误差模型不准确对滤波过程的影响。
当系统模型不准确时,增强旧测量值对估计值的修正作用,减弱新测量值对估计值的修正作用。
捷联惯性组合导航系统的工程设计
速度误差补偿后送入计算机进行实时计算 , 以得到 可 将 比力从载体坐标系转换到导航 坐标系的姿态矩 阵。 通 过 姿态 矩 阵 可 以确 定 载 体 的 姿 态 信 息 。姿 态 矩 阵 常用的即时修正方法有欧拉角法、 向余 弦法和 四元 方
模块等。双 C U系统使 P 14可以专注于解算 , P C0 保证 了 系统 的实 时性 。
1 捷联 惯性组合导航 系统总体 方案
捷联惯导系统是将加速 度计 和陀螺仪沿载体 坐 标 系安装 , 在进行 导航 参数计算 时, 需要是导航 坐标
系 中 的量 。因 此 应 先 将 惯 性 器 件 测 得 的 比力 和 角 加
基于 P 1 和 可编程逻辑阵列器件协 同合作 的导航 计算机 系统 。系统主要 包括数据 采集模 块和数据 解算模 块两部 分, C0 4
给 出了 P 1 与 F G C0 4 P A的片 内接收模块进行通信 的设计方案 。为提 高 F G P A与 工控机 之 间的数 据传输速度 ,设 计 了通 过共 享双端 1 R M 的方 式,实现 了工控机 与 F G 7 : A P A之 间的 高速 数据 交换 。从硬件 结构 和软件设 计 方面说 明 了 系统各
Wu J n e ,L A u w i I NG a c a Y n ho
( o eeo uo a o ,H ri nier gU i r t,H ri 50 1 hn ) C l g f t t n ab E g e n nv sy ab 10 0 ,C ia l A m i n n i ei n
- J
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期
E e t ncS i& T c . Jn 1 lcr i c. o e h / a . 5.2 1 02
捷联惯导算法与组合导航原理讲义
捷联惯导算法与组合导航原理讲义一、捷联惯导算法捷联惯导(Inertial Navigation System,INS)是一种通过测量惯性传感器的运动参数实现导航定位的技术。
惯性导航系统中包括了加速度计和陀螺仪等传感器,通过测量物体的加速度和角速度,可以推算出物体的位置、速度和姿态等信息。
1.1加速度计加速度计是一种测量物体加速度的传感器。
常见的加速度计有基于压电效应的传感器和基于微机电系统(Microelectromechanical System,MEMS)的传感器。
加速度计的原理是通过测量物体受到的惯性力,推算出物体的加速度。
由于加速度是速度对时间的导数,因此通过对加速度的积分操作,可以计算出物体的速度和位移。
1.2陀螺仪陀螺仪是一种测量物体角速度的传感器。
常见的陀螺仪有机械陀螺仪和MEMS陀螺仪等。
陀螺仪的原理是基于角动量守恒定律,通过测量转动惯量的变化,推算出物体的角速度。
与加速度计类似,通过对角速度的积分操作,可以计算物体的姿态。
1.3捷联惯导算法离散时间模型中,位置、速度和姿态等状态变量通过积分加速度和角速度来更新。
由于加速度计和陀螺仪测量结果存在噪声,因此在积分操作时需要加入误差补偿算法来消除误差。
常见的误差补偿算法有零偏校正和比例积分修正等。
连续时间模型中,位置、速度和姿态等状态变量通过微分方程来描述,并通过求解微分方程来更新状态。
由于计算量较大,通常需要使用数值积分方法来求解微分方程。
常见的数值积分方法有欧拉法、中点法和四阶龙格-库塔法等。
二、组合导航原理组合导航是一种融合多种导航技术的导航方式。
常见的组合导航方式有捷联惯导与GPS组合导航。
组合导航通过融合多种导航系统的测量结果,可以提高导航定位的精度和可靠性。
2.1捷联惯导与GPS组合导航捷联惯导与GPS组合导航是一种常见的组合导航方式。
在这种方式下,捷联惯导提供了高频率的惯导数据,可以提供较高的定位精度,但是由于其测量结果累积误差较大,会逐渐偏离真实轨迹。
捷联式惯性导航系统轨迹发生器设计与仿真
文 章 编号 : 1 0 0 6 — 9 3 4 8 ( 2 0 1 3 ) 1 1 — 0 0 5 8 — 0 4
计
算
机
仿Leabharlann 真 2 0 1 3 年1 1 月
捷 联 式 惯 性 导 航 系统 轨 迹 发 生 器 设 计 与 仿 真
翟 昆朋 , 何 文涛 , 徐 建华 , 叶甜春
f o r c e v e c t o r s a r e c o n s t a n t .F r o m o n t h i s p o i n t , t h i s p a p e r a n a l y z e d a t r a j e c t o r y g e n e r a t o r c o n s t r u c t i n g m e t h o d u s i n g
2 .H a n g z h o u Z h o n g k e Mi c r o e l e c t r o n i c s C o .L t d ,H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 5 3 , C h i n a )
ABS T RACT : S o me h i g h o r d e r e f f e c t s h a v e e x a c t d i g i t a l a l g o r i t h m u n d e r c o n d i t i o n s w h e n a n g u l a r r a t e a n d s p e c i i f c
生 器 是惯 性 导航 系统 进 行 算 法 验 证 和 仿 真 的 基 础 , 用 于 产 生
2 数 字轨迹 发生 器原理
捷联惯导与组合导航系统高精度初始对准技术研究
捷联惯导与组合导航系统高精度初始对准技术研究捷联惯导与组合导航系统高精度初始对准技术研究引言捷联惯导与组合导航系统是一种集捷联惯导和其他导航传感器(如GPS、气压计、陀螺仪等)的优势于一体的导航系统,具有在惯导滞后情况下实现导航信息快速、准确更新的优势。
为了确保导航精度和可靠性,捷联惯导与组合导航系统的初始对准是不可或缺的关键技术之一。
本文将重点探讨捷联惯导与组合导航系统高精度初始对准技术的研究。
一、捷联惯导与组合导航系统概述捷联惯导与组合导航系统是一种通过融合多种导航传感器测量数据来计算导航解的导航系统。
其中,捷联惯导通过惯性导航算法利用加速度计和陀螺仪提供的姿态、速度和位移信息进行导航计算,而组合导航则通过融合GPS和其它传感器的信息来修正惯导的误差,提供更准确的导航结果。
二、初始对准技术的研究现状初始对准技术在捷联惯导与组合导航系统中起到了决定性的作用,对其精度和可靠性具有重大影响。
目前,针对初始对准技术的研究主要集中在以下几个方面:1. 惯性传感器标定:惯导系统的精度和准确性直接依赖于惯性传感器的性能。
因此,对于惯导系统而言,惯性传感器的标定至关重要。
传感器标定主要涉及惯性传感器的误差估计、参数校准和标定方法等。
2. 导航状态估计算法:捷联惯导与组合导航系统的核心是导航状态估计算法。
目前常用的算法包括扩展卡尔曼滤波(EKF)、无迹卡尔曼滤波(UKF)以及粒子滤波(PF)等。
这些算法通过融合多种传感器的信息,实现对导航状态的准确估计。
3. 高精度传感器融合:为了提高初始对准的精度和可靠性,可以考虑使用更高精度的传感器,如高精度的加速度计和陀螺仪。
此外,对于GPS系统而言,使用双频技术和高精度的差分GPS技术可以进一步提高导航精度。
三、捷联惯导与组合导航系统高精度初始对准技术研究在捷联惯导与组合导航系统高精度初始对准技术的研究中,可以采用以下方法来提高初始对准的精度和可靠性:1. 多目标标定方法:采用多目标标定方法来标定捷联惯导系统中的惯性传感器。
高精度组合导航系统仿真
s i ft e c n e t n l n f e i KF a g rt m,we k o t a u t o h o v n i a Kama h rw t U o h s ol i h l i n w t h UKF ag r h c n i r v h a i ain o t m a mp o e t e n v g t l i o s l t n a c r c ,c n eg n e s e d,a d r b sn s ft e s se o ui c u a y o v r e c p e o n o u t e s o h y tm. KEYW ORDS: I S NS; a o t c at t r U B r mer l mee ; KF; I / PS i tg ae a iai n i i S NS G n e td n vg t r o
捷联惯导系统仿真器的设计与实现
随着 惯性 导航 技 术 和 计算 机 技 术 的发展 , 联 捷
惯 导系统 已成为 当前 惯 性 导 航 系统 发 展 的趋势 , 并
仿 真 系统 的 正确性 和精 度 。
设 定姿 态 角随 时 问变 化 的 函数 , 进 一 步 得 到 可 姿态 角一 阶导数 随 时 间变 化 的 函数 , 由姿 态 角 和 再 姿态 角 的一 阶 导 数 算 出载 体 下 相 对 于 地 理 系 的 转
( 泗洪 县建设局 测绘 队 , 江苏 宿迁 2 3 0 , 江苏省测绘工程 院, 2 90 。 江苏 南京 2 0 1 ) 10 3 摘 要 本 文研 究了捷联惯性导航 系统的仿 真原 理, 然后 以 Matb为平 台, 对捷 联惯 性导航 系统 仿 真的基 础 t a 在
上, 分析 了在纯捷 联惯导情况下导航 系统的导航精度 。实验结果表明捷联惯性导航 系统 的导航精度 随时 间的积 累
惯 性 器 件 由陀 螺 仪 和 加 速 度 计 两 部 分 组 成 。 陀螺 仪是 敏感载 体 角 运 动 的 元 件 , 由于 陀 螺仪 本 身 存在 误差 , 因此 陀螺 仪 的输 出为 :
蕊 一诜 + () 3
由于条 件 限制 , 法 得 到 实 际 飞 行 轨 迹 数 据 , 无 而捷联 惯 导 仿 真 系 统 测 试 验 证 又 必 须 要 有 飞行 轨 迹 数据 。为此 , 们 采 用 一 种 纯数 学 方 法 产 生 捷联 我 惯 导仿 真 系统测 试 用 飞行 轨 迹 数 据[ ] 4 。测 试 用 飞
对 惯 导系统 的仿真是 非 常有必 要 的 。
动角 速率 在 载 体 系 中 的 投 影 。姿 态 角 随 时 间 变 化
《基于嵌入式系统的北斗-GPS-SINS组合导航系统设计与实现》范文
《基于嵌入式系统的北斗-GPS-SINS组合导航系统设计与实现》篇一基于嵌入式系统的北斗-GPS-SINS组合导航系统设计与实现一、引言随着科技的不断发展,导航技术在各行各业中的应用日益广泛。
作为现代社会的重要技术手段,导航系统的设计不仅涉及到多学科的知识融合,而且其实现过程的复杂性和精细度也在不断提升。
在众多的导航系统中,北斗/GPS/SINS(北斗卫星导航系统、全球定位系统、捷联式惯性测量系统)组合导航系统凭借其独特的优势和良好的互补性,逐渐成为了众多应用领域的首选。
本文将就基于嵌入式系统的北斗/GPS/SINS组合导航系统的设计与实现进行深入探讨。
二、系统设计概述(一)设计目标本系统设计的主要目标是实现北斗/GPS/SINS的组合导航,提高导航的精度和可靠性,满足各种复杂环境下的导航需求。
通过嵌入式系统的开发,将组合导航系统应用于各类设备中,实现高效、精准的定位和导航。
(二)设计原理本系统设计基于嵌入式系统技术,结合北斗/GPS/SINS的各自优势,通过数据融合算法实现组合导航。
其中,北斗和GPS提供全球定位信息,SINS提供高精度的姿态和速度信息,三者之间的数据通过算法进行融合,从而得到更准确、更稳定的导航信息。
三、系统硬件设计(一)处理器选择系统硬件的核心是处理器,本系统选择高性能的嵌入式处理器,具备强大的数据处理能力和良好的功耗控制能力。
(二)模块设计系统硬件包括北斗/GPS接收模块、SINS测量模块、数据传输模块等。
其中,北斗/GPS接收模块负责接收卫星信号并转换为数字信号;SINS测量模块负责测量姿态和速度信息;数据传输模块负责将处理后的数据传输给上位机或其它设备。
四、系统软件设计(一)操作系统选择本系统选择适用于嵌入式系统的实时操作系统,以保证系统的稳定性和实时性。
(二)软件开发环境搭建为方便开发,搭建了包括编译器、调试器等在内的软件开发环境。
同时,为保证软件的兼容性和可移植性,采用模块化设计方法进行软件开发。
导航工程技术专业导航仿真技术研究导航仿真技术在导航工程技术中的研究与应用
导航工程技术专业导航仿真技术研究导航仿真技术在导航工程技术中的研究与应用导航工程技术专业导航仿真技术研究导航仿真技术在导航工程技术中的研究与应用导航工程技术是一门对导航系统进行研究、设计、建设和应用的学科,而导航仿真技术在这个领域中扮演着重要的角色。
本文将探讨导航仿真技术的研究与应用,以及其在导航工程技术中的重要性和意义。
一、导航仿真技术的概述导航仿真技术是一种通过模拟导航系统行为和环境条件来研究和评估导航性能的技术。
它可以帮助我们理解和预测导航系统在不同场景和条件下的表现,从而指导导航工程技术的研究和改进。
二、导航仿真技术的研究内容1.导航系统模型的建立在导航仿真技术中,首先需要建立导航系统的模型。
这个模型应该能够准确地描述导航系统的功能和性能,并且能够根据实际情况进行参数调整和优化。
2.导航信号模拟导航系统依赖于卫星发射的信号进行定位和导航。
导航仿真技术需要模拟卫星信号的传播和接收过程,以及在不同环境下的信号衰减和干扰情况,以验证导航系统的可靠性和适应性。
3.导航系统性能评估通过导航仿真技术,可以对导航系统的性能进行评估和优化。
例如,可以通过仿真来测试导航系统在不同精度要求下的定位精度、时延和可靠性等指标,从而选择合适的导航算法和参数配置。
三、导航仿真技术在导航工程技术中的应用1.导航系统设计和改进导航仿真技术可以帮助工程师设计和改进导航系统。
通过仿真,工程师可以评估不同算法和模型对导航系统性能的影响,优化导航系统的设计和配置,从而提高导航系统的性能和可靠性。
2.导航训练和教育利用导航仿真技术,可以为导航人员提供训练和教育的平台。
通过仿真,可以模拟各种导航场景和环境,让导航人员在虚拟环境中进行实践和演练,提高他们的操作技能和应变能力。
3.导航系统性能评估导航仿真技术可以用于评估导航系统在不同条件下的性能。
通过仿真,可以模拟不同天气、地形和信号干扰等情况,评估导航系统的鲁棒性和可靠性,提前发现和解决潜在问题。
激光捷联惯性/卫星组合导航系统基本原理及应用情况
S /GNS S
的应用则刚刚起步 。本文简要介绍 了激光捷联惯性/ 卫星组合导航系统 的基本原理及应 用情况 。
关 键 词 激光 捷 联 惯 性/ 星 组 合 导航 系统 卫
Ra i a e a ton l nd App c to o s r i f a i n fLa e
激 光 喷导 系统在 结构 安排上 最大 特 点是 没 有机 械 式 陀螺 稳 定平 台。它 将 三个 机 械 抖动 激
光 ( 自由度) 单 陀螺和三个加速度计直接固连在载体上 , 组成三维坐标系。其系统工作原理可总 结 如下 :
( 1 )由惯 性测量 元件 ( 加速 度计 和激 光 陀螺 仪 ) 出载 体 坐标 系相对 于 惯性 坐标 系 的加 速度 给
2
.
维普资讯
第 4期
王庆伟 : 激光捷联惯性/ 卫星组合导航系统基本原理及 应用情 况
2 控制 电路 )
包括伺服回路、 信号处理与控制电路 , 其功能是对传感器提供的信号进行处理 , 转换为标准 数字 信息 。
3 模/ 转换 电路 ) 数 将处 理好 的数据转 换为 计算机 能识别 的数字 形式 。 4 系统 控制/ ) 数据处 理模块 该 部分 主要 功能如 下 :
Hale Waihona Puke WagQn w i n ig e
( o guA i i d s yG o p H n d va o I ut ru ) tn n r
Ab ta t L I / sr c SNG GNS S,a kn fn vg t n e up n ,i c mp e e s ey a p id o id o a iai q ime t s o rh n i l p l n o v e
《2024年捷联惯性导航系统关键技术研究》范文
《捷联惯性导航系统关键技术研究》篇一一、引言随着科技的进步,导航系统在众多领域如航空、航天、机器人等领域扮演着至关重要的角色。
其中,捷联惯性导航系统(Inertial Navigation System,简称INS)因其具有独立性强、实时性高和隐蔽性好的特点,成为众多导航系统中重要的技术手段。
本文旨在探讨捷联惯性导航系统的关键技术及其发展趋势。
二、捷联惯性导航系统概述捷联惯性导航系统基于惯性传感器(如陀螺仪和加速度计)的测量原理,将物理信息转化为电信号,以实现对载体姿态、速度和位置的实时解算。
相较于传统的平台式惯性导航系统,捷联式结构更加简单、体积更小、可靠性更高。
三、关键技术研究1. 惯性传感器技术惯性传感器是捷联惯性导航系统的核心部件,其性能直接决定了系统的精度和稳定性。
目前,高精度、低噪声的陀螺仪和加速度计是研究的重点。
此外,微机电系统(MEMS)技术的发展为惯性传感器的小型化、低成本化提供了可能。
2. 算法研究算法是捷联惯性导航系统的灵魂,其性能直接影响到系统的解算精度和实时性。
目前,主要的算法包括姿态解算算法、速度和位置解算算法、误差补偿算法等。
其中,基于卡尔曼滤波的姿态和位置解算算法是研究的热点。
此外,随着人工智能技术的发展,基于深度学习、神经网络的算法也在逐渐应用于捷联惯性导航系统中。
3. 系统集成与优化系统集成与优化是提高捷联惯性导航系统性能的重要手段。
这包括硬件电路的优化设计、软件算法的优化以及系统整体性能的评估与优化等。
通过优化设计,可以在保证系统性能的前提下,减小系统的体积和成本,提高系统的可靠性。
四、发展趋势1. 高精度化:随着科技的进步,对导航系统的精度要求越来越高。
因此,进一步提高惯性传感器的精度、优化算法、减少误差等是未来的重要研究方向。
2. 智能化:随着人工智能技术的发展,将人工智能技术应用于捷联惯性导航系统中,提高系统的自主性、智能性和适应性是未来的重要趋势。
3. 微型化:随着微机电系统(MEMS)技术的发展,捷联惯性导航系统的微型化、低成本化将成为可能。
捷联惯导与组合导航
法和旋转矢量法在姿态矩阵计算中的应用。
5、导航计算,导航计算就是把加速度计、陀螺的输出 信息变换到导航坐标系,然后计算飞行器速度、位 置等导航信息,该内容将在5.2节中详细介绍。
6、制导和控制信息的提取,飞行器的姿态信息既用来
显示也是控制系统最基本的控制信息。此外,飞行 器的角速度和线加速度信息也都是控制飞行器所需 要的信息。这些信息可以从姿态矩阵的元素和陀螺 加速度计的输出中提取出来。
泛。
• 1.2 捷联式惯导的基本算法
• 1.2.1 捷联式惯导算法概述
– 捷联惯性导航系统是一个信息处理系统,就是 机体安装的惯性仪表所测量的飞行器运动信息,
经过计算机处理成所需要的导航和控制信息。
所谓“捷联式惯导的算法”就是指从惯性仪表
的输出到给出需要的导航和控制信息所必须进
行的全部计算问题的计算方法。
Q (q0 , q1 , q2 , q3 ) q0 q1i q2 j q3k q0 q
• 我们知道,在平面问题中,一个复数 Z z1 jz 2可 以表示二维空间中的一个矢量:
Z z1 jz2 | z | e z cos j z sin
j
• 如果把虚数j= 1 推广为空间中的一个单 位矢量u,则: u u x i u y j u z k
• MICRON系统定位精度为1海里/小时,速度精度5
英尺/秒,姿态精度4角分,平均故障间隔时间
2000小时。LINS系统,定位精度1海里/小时,速
度精度3英尺/秒,姿态精度2.5角分,平均故障间
隔时间为2500小时,两种系统性能大致一样, LINS系统略高。
• 据有关资料报道,美国军用惯性导航系统1984年
捷联惯导与组合导航技术
• 在实际应用时,可根据式由k-1时刻的四元 数q(k-1)递推出t时刻的四元数q(k)的,递推 关系如下:
Hale Waihona Puke • 式中• T为捷联矩阵的即时解算周期
• 在即时解算捷联矩阵之前先要计算出
•
为车体坐标系相对于惯性坐标系的转动角速度在车体坐标系中的 矢量,即捷联式陀螺仪的测量输出 • 为地球坐标系相对于惯性坐标系的转动角速度在指北导航坐标系 中的矢量,其表达式为 ,L为自主车辆所在地 的纬度 • 为指北导航坐标系相对地球坐标系的转动角速度在指北导航坐标 系上的矢量,其表达式为 • h为自主车辆所在位置的高度;分别为车辆的东向和北向速度, 为所 在地参考椭球子午线曲率半径, 为所在地与子午线垂直的法线平面 上的曲率半径。
我们研究的组合导航
• SlNS/DGPS/视觉/数字地图组合导航 技术 • GPS与SINS形成的位置与姿态观测信息, 机器视觉/数字地图/SINS形成的横向偏 信息
• 3.平台惯性导航系统的陀螺仪安装在平台上, 可以相对重力加速度和地球自转角速度任意 定向来进行测试,便于误差标定。而捷联陀 螺仪不具备这个条件,因为装机标定比较困 难,从而要求捷联陀螺有更高的参数稳定性。
• 1.2 捷联式惯导的姿态解算方法
• 关于姿态解算最为常用的方法有欧拉角法、 四元数法、等效旋转矢量法、罗德里格参 数法、方向余弦矩阵法。从本质上看,罗 德里格参数法和四元数法是一种方法,欧 拉角法和方向余弦矩阵是一种方法。所以, 本质上解算姿态的方法就3种:方向余弦矩 阵、等效旋转矢量、四元数。
• 对上式实时提取姿态角
2
组合导航
• 组合导航的出现,至少有3方面因素: • 1)单一的导航系统的在一定的时间段内是 有上限的; • 2)单一导航系统的精度的提高必然伴随着 成本的增大; • 3)多种信息的有机融合比单一信息的简单 汇总更具实用价值
捷联惯导系统的算法研究及其仿真实现(捷联惯导系统的发展趋势 初始对准技术的发展与研究现状)
捷联惯导系统的算法研究及其仿真实现Study and Simulation of Strapdown Inertial Navigation System1.1.3捷联惯导系统的发展趋势捷联式惯导系统是从20世纪60年代初开始发展起来的。
20世纪70年代以来,作为捷联系统的核心部件—惯性测量装置和计算机技术有了很大发展,而电子技术、计算机技术、现代控制理论的不断进步,为捷联惯性技术的发展创造了有利条件。
在硬件方面,新一代惯性器件如激光陀螺、光纤陀螺的成功研制,为捷联惯导的飞速发展打下了物质基础。
进入20世纪80-90年代,在航天飞机、宇宙飞船、卫星等民用领域及各种战略、战术导弹、军用飞机、反潜武器、作战舰艇等军事领域开始采用动力调谐式陀螺、激光陀螺和光纤式陀螺的捷联惯导系统。
其中激光陀螺和光纤式陀螺是捷联惯导系统的理想器件。
激光陀螺具有角速率动态范围宽、对加速度和震动不敏感、不需温控、启动时间特别短和可靠性高等优点。
激光陀螺惯导系统己在波音757/767、A310民机以及F-20战斗机上试用,精度达到 1.85km/h 的量级。
20世纪90年代,激光陀螺惯导系统估计占到全部惯导系统的一半以上,其价格与普通惯导系统差不多,但由于增加了平均故障间隔时间,其寿命期费用只有普通惯导系统的15%-20%。
光纤陀螺实际上是激光陀螺中的一种,其原理与环型激光陀螺相同,它克服了由激光陀螺闭锁带来的负效应,具有检测灵敏度和分辨率极高、启动时间极短、动态范围极宽、结构简单、零部件少体积小、造价低、可靠性高等优点。
采用光纤陀螺的捷联航姿系统已用于战斗机的机载武器系统及波音777飞机中。
波音777由于采用了光纤陀螺的捷联惯导系统,其平均故障间隔时间可高达20000h。
采用光纤陀螺的捷联惯导系统被认为是一种极有发展前途的导航系统。
而随着航空航天技术的发展及新型惯性器件关键技术的陆续突破,捷联惯导系统的可靠性、精度将会更高。
捷联惯导与星跟踪器组合导航算法研究
A S I NS / St a r Tr a c k e r I n t e g r a t e d Na v i g a t i o n Al g o r i t h m
Z HA N G J i n — l i a n g , Q I N Y o n g — y u a n , C H E N G Y a n
第3 4卷 第 8期
2 0 1 3年 8月
宇
航
学
报
Vo 1 . 34 No 8
.
J o u r n a l o f As t r o n a u t i c s
Au g u s t 2 01 3
捷 联 惯 导 与 星跟 踪 器 组 合 导 航 算 法研 究
张金 亮,秦永元 ,成 研
s t a r t r a c k e r ’ S me a s u r e me n t a n d S I NS ’ S n a v i g a t i o n e ro  ̄ ,t w o i n t e ra g t e d n a v i g a t i o n a l g o r i t h ms c a l l e d p o s i t i o n p l u s a z i mu t h c o r r e c t i o n a l g o i r t h m a n d a n g l e e r o r i n t e g r a t e d n a v i g a t i o n c o re c t i o n a l g o i r t h m a r e d e s i g n e d f o r t h e s y s t e m T h e n,n a v i g a t i o n a c c u r a c i e s o f t h e t w o a l g o r i t h ms a r e na a l y s e d t h e o r e t i c a l l y a n d v li a d a t e d b y u s i n g a s e i r e s o f l o n g t i me l f i g h t s i mu l a t i o n s . Th e r e s u h s s h o w t h a t p o s i t i o n p l u s a z i mu t h c o re c t i o n lg a o r i t h m n o t d i s t u r b e d b y i n i t i l a p o s i t i o n e r r o r s i s mo r e s u i t a b l e w h e n s t a r t r a c k e r wo r k s i n t e r mi t t e n t l y ;w h i l e a n g l e e r r o r i n t e g r a t i o n a l g o it r h m wh i c h d o e s n’ t d i s t u r b e d b y i n i t i a l a t t i t u d e e ro r s i s mo r e s u i t a b l e w h e n S I N S’ s i n i t i a l p o s i t i o n e ro r s a r e s ma l l o r c o r r e c t e d e f e c t i v e l y b e f o r e i n t e r g a t i o n . Ke y wo r d s :S I NS;S t a r t r a c k e r ;I n e t r i l a / c e l e s t i a l i n t e g r a t e d n a v i g a t i o n;P o s i t i o n p l u s a z i mu t h c o re c t i n g lg a o r i t h m;
捷联惯导算法与组合导航原理讲义(20210220)
捷联惯导算法与组合导航原理讲义严恭敏,翁浚编著西北工业大学2021-9前言近年来,惯性技术不管在军事上、工业上,还是在民用上,特别是消费电子产品领域,都获得了广泛的应用,大到潜艇、舰船、高铁、客机、导弹和人造卫星,小到医疗器械、电动独轮车、小型四旋翼无人机、空中鼠标和手机,都有惯性技术存在甚至大显身手的身影。
相应地,惯性技术的研究和开发也获得前所未有的蓬勃开展,越来越多的高校学生、爱好者和工程技术人员参加到惯性技术的研发队伍中来。
惯性技术涉及面广,涵盖元器件技术、测试设备和测试方法、系统集成技术和应用开发技术等方面,囿于篇幅和作者知识面限制,本书主要讨论捷联惯导系统算法方面的有关问题,包括姿态算法根本理论、捷联惯导更新算法与误差分析、组合导航卡尔曼滤波原理、捷联惯导系统的初始对准技术、组合导航系统建模以及算法仿真等内容。
希望读者参阅之后可以对捷联惯导算法有个系统而深化的理解,并能快速而有效地将根本算法应用于解决实际问题。
本书在编写和定稿过程中得到以下同行的热心支持,指出了不少错误之处或提出了许多珍贵的修改建议,深表谢意:西北工业大学自动化学院:梅春波、赵彦明、刘洋、沈彦超、肖迅、牟夏、郑江涛、刘士明、金竹、冯理成、赵雪华;航天科工第九总体设计部:王亚军;辽宁工程技术大学:丁伟;北京腾盛科技:刘兴华;东南大学:童金武;中国农业大学:包建华;南京航空航天大学:赵宣懿;武汉大学:董翠军;网友:Zoro;山东科技大学:王云鹏。
书中缺点和错误在所难免,望读者不吝批评指正。
作者2021年9月目录第1章概述 (6)捷联惯导算法简介 (6)1.2 Kalman滤波与组合导航原理简介 (7)第2章捷联惯导姿态解算根底 (10)反对称阵及其矩阵指数函数 (10)2.1.1 反对称阵 (10)2.1.2 反对称阵的矩阵指数函数 (12)方向余弦阵与等效旋转矢量 (13)2.2.1 方向余弦阵 (13)2.2.2 等效旋转矢量 (14)方向余弦阵微分方程及其求解 (16)2.3.1 方向余弦阵微分方程 (16)2.3.2 方向余弦阵微分方程的求解 (17)姿态更新的四元数表示 (19)2.4.1 四元数的根本概念 (19)2.4.2 四元数微分方程 (23)2.4.3 四元数微分方程的求解 (24)等效旋转矢量微分方程及其泰勒级数解 (26)2.5.1 等效旋转矢量微分方程 (26)2.5.2 等效旋转矢量微分方程的泰勒级数解 (29)圆锥运动条件下的等效旋转矢量算法 (31)2.6.1 圆锥运动的描绘 (31)2.6.2 圆锥误差补偿算法 (33)第3章地球形状与重力场根底 (40)地球的形状描绘 (40)地球的正常重力场 (46)地球重力场的球谐函数模型 (50)3.3.1 球谐函数的根本概念 (50)3.3.2 地球引力位函数 (58)3.3.3 重力位及重力计算 (63)第4章捷联惯导更新算法及误差分析 (69)4.1捷联惯导数值更新算法 (69)4.1.1 姿态更新算法 (69)4.1.2 速度更新算法 (70)4.1.3 位置更新算法 (76)捷联惯导误差方程 (76)惯性传感器测量误差 (76)姿态误差方程 (78)速度误差方程 (79)位置误差方程 (79)误差方程的整理 (80)静基座误差特性分析 (82)4.3.1 静基座误差方程 (82)4.3.2 高度通道 (83)4.3.3 程度通道 (83)4.3.4 程度通道的简化 (88)4.3.5 程度通道误差方程的仿真 (90)第5章卡尔曼滤波根本理论 (92)递推最小二乘法 (92)5.2 Kalman滤波方程的推导 (94)连续时间随机系统的离散化与连续时间Kalman滤波 (101)噪声相关条件下的Kalman滤波 (107)序贯滤波 (111)信息滤波与信息交融 (113)平方根滤波 (116)遗忘滤波 (123)5.9 Sage-Husa自适应滤波 (125)最优平滑算法 (126)非线性系统的EKF滤波、二阶滤波与迭代滤波 (129)间接滤波与滤波校正 (135)联邦滤波〔待完善〕 (135)滤波的稳定性与可观测度分析 (140)第6章初始对准及组合导航技术 (146)捷联惯导粗对准 (146)矢量定姿原理 (146)解析粗对准方法 (148)间接粗对准方法 (151)捷联惯导精对准 (152)惯性/卫星组合导航 (156)空间杆臂误差 (156)时间不同步误差 (157)状态空间模型 (157)车载惯性/里程仪组合导航 (158)航位推算算法 (158)航位推算误差分析 (160)6.惯性/里程仪组合 (163)低本钱姿态航向参考系统〔AHRS〕 (166)简化的惯导算法及误差方程 (166)6地磁场测量及误差方程 (168)低本钱组合导航系统模型 (169)低本钱惯导的姿态初始化 (170).5捷联式地平仪的工作原理 (172)第7章捷联惯导与组合导航仿真 (175)飞行轨迹和惯性器件信息仿真 (175)飞行轨迹设计 (175)7.1.2 捷联惯导反演算法 (176)7.1.3 仿真 (177)捷联惯导仿真 (179)7.2.1 Matlab子函数 (179)捷联惯导仿真主程序 (184)惯导/卫星组合导航仿真 (184)子函数 (184)组合导航仿真主程序 (186)附录 (188)A一些重要的三维矢量运算关系 (188)B 运载体姿态的欧拉角描绘 (190)C 姿态更新的毕卡算法、龙格—库塔算法及准确数值解法 (197)D 从非直角坐标系到直角坐标系的矩阵变换 (205)E 线性系统根本理论 (209)F 加权最小二乘估计 (214)G 矩阵求逆引理 (215)H 几种矩阵分解方法〔QR、Cholesky与UD〕 (217)I 二阶滤波中的引理证明 (221)J 方差阵上界的证明 (223)K 三阶非奇异方阵的奇异值分解 (224)L Matlab仿真程序 (229)M 练习题 (235)参考文献 (239)第1章概述第1章概述 (6)捷联惯导算法简介 (6)1.2 Kalman滤波与组合导航原理简介 (7)1.1捷联惯导算法简介在捷联惯导系统〔SINS〕中惯性测量器件〔陀螺和加速度计〕直接与运载体固联,通过导航计算机采集惯性器件的输出信息并进展数值积分求解运载体的姿态、速度和位置等导航参数,这三组参数的求解过程即所谓的姿态更新算法、速度更新算法和位置更新算法。
基于捷联惯性导航的组合导航系统研究
基于捷联惯性导航的组合导航系统研究刘莉娜;刘任庆【摘要】分析了矿山水下轮式采煤车的定位定向导航的可实现问题.惯性导航组合系统是现代导航技术的发展重点.考虑到捷联惯性导航的自主性,采用捷联惯导组合系统实现对采煤车的定位导航.设计了捷联惯性导航和里程计组合的自主性水下导航系统.通过对该系统的实物应用试验,试验结果验证了此组合导航方案的有效性.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2009(032)003【总页数】3页(P111-113)【关键词】水下轮式采煤车;组合导航;里程计;捷联惯导系统【作者】刘莉娜;刘任庆【作者单位】湖南株洲职业技术学院,湖南,株洲,412001;湖南株洲职业技术学院,湖南,株洲,412001【正文语种】中文【中图分类】TN970 引言水下导航系统,其工作环境位于水下,不利于实现人为的控制,而且卫星信号在水下和地下往往无法接收到,且易受干扰,所以人和卫星信号都无法实现对其定位定向的要求。
惯性导航这种自主式导航系统可以实现对轮式水下采矿车的定位定向。
惯性导航系统[1] (Inertial Navigation System,INS)是一种既不依赖外部信息、又不发射能量的自主式导航系统,隐蔽性好,不怕干扰。
惯性导航系统所提供的导航数据又十分完整,它除能提供载体的位置和速度外,还能给出航向和姿态角,而且又具有数据更新率高,短期精度和稳定性好的优点。
然而惯性导航系统并非十全十美,从初始对准开始,其导航误差就随时间而增长,尤其是位置误差,这是惯导系统的主要缺点[2]。
所以需要利用外部信息进行辅助,实现组合导航[3],使其有效地减小误差随时间积累的问题。
里程计[4](Odometer,OD)是测量车辆行使速度和路程的装置,高分辨率的里程计可以精确测量车辆行驶的速度和路程,可以从捷联惯导中获得姿态和航向信息,进行定位解算,而且随时间累积的定位误差较小,可作为SINS的参考信息。
所以建立以SINS为主,里程计为辅加以卡尔曼滤波[5]的水下组合导航系统,该组合模式工作能有效利用各自的优点,在低成本的情况下实现高精度的惯导组合系统。
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某组合导航系统捷联导航方案及仿真技术研究
发表时间:2018-09-27T18:19:29.877Z 来源:《知识-力量》2018年9月中作者:王欣张龙飞李锦龙王丹李晓菊[导读] 捷联导航方案在自主导航系统中广泛应用。
本文主要阐述了导航原理,导航方法设计,以及仿真设计原理和实现。
利用仿真技术,进行捷联惯性组合导航系统模拟试验,验证了所设计的捷联惯性组合导航系统的可行性和有(中国航天科技集团公司第四研究院四〇一所,西安 710025)
摘要:捷联导航方案在自主导航系统中广泛应用。
本文主要阐述了导航原理,导航方法设计,以及仿真设计原理和实现。
利用仿真技术,进行捷联惯性组合导航系统模拟试验,验证了所设计的捷联惯性组合导航系统的可行性和有效性。
关键词:组合导航系统;组合导航方法;数据修正;仿真
1组合方案内容
1.1性能分析及组合导航原理根据组合导航系统的使用要求,惯性/卫星组合导航系统可供选择的组合方式有简单组合模式、浅组合模式、深组合模式。
简单组合模式是利用卫星导航系统提供的位置和速度直接重置惯性导航系统;浅组合模式是利用惯性导航系统和卫星导航系统输出的位置和速度信息的差值作为观测量,利用滤波器估计惯性导航系统的误差,并进行校正;深组合模式是惯性导航系统和卫星导航系统相互辅助和相互修正,实现协同超越。
三种组合方式对比,简单组合模式能直接修正惯性导航系统的位置和速度,但无法修正姿态误差和惯性测量元件误差,浅组合模式能校正惯性导航系统的误差,但无法修正卫星导航系统的误差,不能彻底发挥二者的优势,深组合模式对惯性导航系统和卫星导航系统都有修正效果,但是工程实现难度较大,因此,组合模式选用简单组合模式。
组合导航系统定位误差在不考虑对准误差和姿态解算误差的情况下,加速度测量误差不能大于,但是,实际系统肯定存在对准误差和姿态解算误差,所以单一的惯性导航不能满足技术指标要求,必须与其他导航方式组合。
采用GNSS导航和捷联惯性导航的组合方式。
其中GNSS导航具有定位精度高、导航误差不随时间积累、可全天时、全天候工作、难直接提供姿态信息、数据更新率低、易受电磁干扰等特点;惯性导航系统具有隐蔽性好、抗干扰能力强、短时精度高、导航信息完整和数据更新率高等特点。
两种导航方式对比,捷联惯性导航系统能提供完整连续的导航参数,具有完全自主、短时精度高的优点。
捷联惯性导航系统解算出的速度、位置与GNSS提供的速度、位置之差作为卡尔曼滤波器的观测量,姿态误差、速度误差和位置误差作为卡尔曼滤波器的状态变量,估计出状态变量的最优估计值后,对捷联惯性导航系统进行校正。
1.2捷联惯性导航算法组合导航系统的捷联导航算法包含姿态更新、速度更新和位置更新。
算法设计时,利用四元数法将系统采集到的角速度实时算出姿态
阵,进而求出载体的姿态角,对系统采集到的视加速度进行补偿和坐标转换,解算出速度和位置
捷联导航算法原理见图1中虚线框内部分。
图1捷联导航算法原理框图 1.3组合导航方法
采用节所述的方法解算出载体当前速度和位置,与GNSS提供的速度和位置相减作为卡尔曼滤波器的观测量,姿态误差、速度误差和位置误差作为卡尔曼滤波器的状态变量,估计出姿态误差、速度误差和位置误差的最优估计值后,对捷联惯性导航系统进行校正。
2仿真
2.1仿真结果
仿真曲线见图2-3所示:
图2 角度曲线
图3速度曲线
3结论
本方法是主要是采用接收机接收到的卫星定位到的速度和位置与子惯导解算出的相应值的比较值做为量测值,通过滤波实时估计出姿态误差、速度误差和位置误差,通过修正来实现系统的组合导航。
通过仿真,验证此方法的可行性和有效性。
参考文献
[1]王岩,于凯,纪志农.捷联惯性/星光组合导航车载试验研究.空间控制技术与应用.2008
[2]马建萍.GPS辅助捷联惯导系统动基座初始对准新方法.传感技术学报.2010
[3]严恭敏,秦永元,马建萍.车载导航系统动态高精度初始对准技术.系统工程与电子技术.2006
[4]宋志安,王文馨.由阶跃响应曲线辨识传递函数的图解方法.山东科技大学学报.2003
[5]严恭敏,翁浚,白亮,亲永元.基于惯性参考系的动基座初始对准与定位导航.系统工程与电子技术.2011。