捷联惯导大方位失准角快速初始对准

第二章 捷联惯导系统的初试对准2.1引言惯导系统是一种自主式导航系统。

它不需要任何人为的外部信息，只要给定导航的初始条件（例如初始速度、位置等），便可根据系统中的惯性敏感元件测量的比力和角速率通过计算机实时地计算出各种导航参数。

由于“平台”是测量比力的基准，因此“平台”的初始对准就非常重要。

对于平台惯导系统，初试对准的任务就是要将平台调整在给定的导航坐标系的方向上。

若采用游动方位系统，则需要将平台调水平---称为水平对准，并将平台的方位角调至某个方位角处---称为方位对准。

对于捷联惯导系统，由于捷联矩阵T 起到了平台的作用，因此导航工作一开始就需要获得捷联矩阵T 的初始值，以便完成导航的任务。

显然捷联惯导系统的初始对准就是确定捷联矩阵的初始值。

在静基座条件下，捷联惯导系统的加速度计的输入量为---b g ，陀螺的输入量为地球自转角速率b ie ω。

因此b g 与b ie ω就成为初始对准的基准。

将陀螺与加速度计的输入引出计算机，通过计算机就可以计算出捷联矩阵T 的初始值。

由以上的分析可以看出，陀螺与加速度计的误差会导致对准误差；对准飞行器的干扰运动也是产生对准误差的重要因素。

因此滤波技术对捷联系统尤其重要。

由于初始对准的误差将会对捷联惯导系统的工作造成难以消除的影响，因此研究初始对准的误差传播方程也是非常必要的。

2.2 捷联惯导系统的基本工作原理捷联式惯性导航系统，陀螺仪和加速度计直接与载体固联，加速度计测量是载体坐标系轴向比力，只要把这个比力转换到导航坐标系上，则其它计算就与平台式惯性导航系统一样，而比力转换的关键就是要实时地进行姿态基准计算来提供数学平台，即实时更新姿态矩阵n b C ，姿态矩阵也称为捷联矩阵。

一般选择地理坐标系为导航坐标系，那么捷联矩阵n b C 也可表示为t b C ， 其导航原理图如图2.1所示。

由惯导系统的工作原理可以看出，捷联式惯性导航系统有以下几个主要优点: 1.惯性敏感器便于安装、维修和更换。

一种新的捷联惯导快速对准方法黄湘远;汤霞清;郭理彬【摘要】为了提高初始对准的速度,将等效加速度计和陀螺误差作为观测量,提出一种快速对准的新方法.在常规方法的基础上,建立了等效加速度计和陀螺误差方程及新的观测方程,并分析了状态可观测度,推导了最优估计及对准精度.最后,进行了仿真,结果表明两者对准精度相当,时间上远远优于常规方法.该方法通过引入陀螺信息,充分利用了外部测量信息,加快了方位失准角的估计速度,有效缩短对准时间,具有重要的应用参考价值.【期刊名称】《弹箭与制导学报》【年(卷),期】2012(032)001【总页数】4页(P17-20)【关键词】初始对准;捷联惯导;等效陀螺;可观测度;奇异值分解【作者】黄湘远;汤霞清;郭理彬【作者单位】装甲兵工程学院,北京100072;装甲兵工程学院,北京100072;装甲兵工程学院,北京100072【正文语种】中文【中图分类】TJ765.30 引言新型装甲车辆、自行火炮等车载武器平台在作战之前需要进行初始对准，精度和时间是其两项重要技术指标，对准精度影响着惯导系统的性能，对准时间决定快速反应能力，因此要求初始对准精度高、时间短。

卡尔曼滤波方法是初始对准常用方法，在不增加外界设备的前提下，该方法对准精度较高，但是系统可观测性差，使得初始对准时间较长。

为了提高对准速度，文献［1］提出了快速对准法，但是其运用了东向失准角的微分项，要想获得稳态输出仍然需要较长时间。

文中另辟蹊径，将等效加速度计和陀螺误差作为系统观测量，提高陀螺信息的利用率，提出一种静基座条件下快速对准的新方法。

运用奇异值方法进行可观测度分析，并依此推导出算法对准精度。

发现该方法与常规方法对准精度相当，但是大大加快了初始对准的速度，最后通过仿真验证了这种方法的可行性。

1 初始对准方程静基座下，可以对捷联惯导误差模型进行以下假设：由于位置精确已知，可忽略位置误差和重力计算误差；由于对准时间较短，可将惯性器件误差模型近似为随机常值和白噪声［1］。

2013年第6期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 No.6 2013 总第329期 MISSILES AND SPACE VEHICLES Sum No.329收稿日期：2012-10-21；修回日期：2013-08-12基金项目：民用航天专业技术预先研究项目（D010101）作者简介：刘生炳（1986-），男，工程师，主要从事导航、制导与控制专业研究文章编号：1004-7182(2013)06-0060-04 DOI ：10.7654/j.issn.1004-7182.20130614捷联惯导系统全姿态初始对准方法刘生炳，魏宗康，陈东生，吴 涛（北京航天控制仪器研究所，北京100039）摘要：捷联惯导系统开始导航解算时需要初始对准，工程中常用的静基座初始对准方法有基于克雷洛夫角的静基座初始对准、基于克雷洛夫角的四元数初始对准。

前者由于需要首先求解克雷洛夫角，因此存在与旋转顺序相关和不能全姿态工作的问题；后者需要首先求解克雷洛夫角，然后求解四元数，因此同样存在不能全姿态工作的问题。

针对上述问题，提出了一种避免求解克雷洛夫角，直接通过四元数姿态变换矩阵求得姿态四元数的初始对准方法。

仿真验证结果表明：四元数直接求解初始对准方法可以完成捷联系统静基座初始对准，克服与旋转顺序相关的问题，并且可以实现全姿态初始对准。

关键词：捷联惯导系统；静基座初始对准；克雷洛夫角；四元数 中图分类号：V448.22 文献标识码：AAll Attitude Initial Alignment of Strapdown Inertial Navigation SystemLiu Shengbing, Wei Zongkang, Chen Dongsheng, Wu Tao(Beijing Institute of Aerospace Control Devices, Beijing, 100039)Abstract: It is necessary to perform initial alignment before using SINS, immobile platform initial alignment based on Krylov angle is usually used in project. However, the method is associated with order of rotation, and is unable to be used in all attitude calculation. The other method used in attitude calculation is quaternion initial alignment based on Krylov angle. As it needs to calculate the Krylov angle at the first step, and then calculate quaternion, therefore this method is also unable to be used in all attitude calculation. In order to solve this problem, a new method that can avoid calculating Krylov angle and directly obtain quaternion through attitude transform matrix is proposed. The simulation result shows that the new method can complete initial alignment in SINS and is independent of order rotation, and also can be used in all attitude initial alignment.Key Words: Strapdown inertial navigation system (SINS); Immobile platform initial alignment; Krylov angle; Quaternion0 引 言目前，在捷联惯性系统姿态角解算中主要有以下3种方法：方向余弦法、欧拉-克雷罗夫角法以及四元数法。

捷联式惯导系统初始对准方法研究一、本文概述随着导航技术的不断发展，捷联式惯导系统（StrapdownInertial Navigation System, SINS）已成为现代导航领域的重要分支。

由于其具有自主性强、隐蔽性好、不受外界电磁干扰等优点，被广泛应用于军事、航空、航天、航海等领域。

然而，捷联式惯导系统的初始对准问题是其实际应用中的一大难题。

初始对准精度的高低直接影响到系统的导航精度和稳定性。

因此，研究捷联式惯导系统的初始对准方法具有重要意义。

本文旨在深入研究和探讨捷联式惯导系统的初始对准方法。

对捷联式惯导系统的基本原理和组成进行简要介绍，为后续研究奠定基础。

对初始对准的定义、目的和重要性进行阐述，明确研究的重要性和方向。

接着，重点分析现有初始对准方法的优缺点，包括传统的静基座对准、动基座对准以及近年来兴起的智能对准方法等。

在此基础上，提出一种新型的初始对准方法，并对其进行详细的理论分析和仿真验证。

通过实验验证所提方法的有效性和优越性，为捷联式惯导系统的实际应用提供有力支持。

本文的研究内容对于提高捷联式惯导系统的初始对准精度、增强其导航性能和稳定性具有重要意义。

所提出的新型初始对准方法有望为相关领域的研究提供新的思路和方向。

二、捷联式惯导系统初始对准理论基础捷联式惯导系统（Strapdown Inertial Navigation System，SINS）的初始对准是其正常工作的前提，对于提高导航精度和长期稳定性具有重要意义。

初始对准的主要目的是确定惯导系统载体在导航坐标系中的初始姿态，以便为后续的导航计算提供准确的基准。

捷联式惯导系统的初始对准过程涉及多个理论基础知识，包括载体运动学、动力学模型、误差分析以及滤波算法等。

载体运动学模型描述了载体在三维空间中的姿态、速度和位置变化，是初始对准过程中姿态解算的基础。

动力学模型则用于描述载体在受到外力作用下的动态行为，为误差分析提供了依据。

在初始对准过程中，误差分析是至关重要的。

车载捷联惯导的快速对准方法
汤霞清;黄湘远;郭理彬;程旭维
【期刊名称】《火力与指挥控制》
【年(卷),期】2012(037)011
【摘要】为了提高初始对准速度,将等效加速度计和陀螺的输出引入到系统的观测量,提出一种静基座条件下快速对准的新方法.首先建立了大方位失准角的非线性误差模型,然后详细推导了基于等效输出的新观测方程,利用奇异值分解方法进行了可观测度分析,并推出了该方法的理论对准精度.最后,进行了计算机仿真和实车实验,证明了该方法的有效性和重复性.该方法充分利用惯性装置自身的可观测信息,在不增加其他设备的基础上有效缩短了对准时间,具有重要的应用参考价值.
【总页数】4页(P53-56)
【作者】汤霞清;黄湘远;郭理彬;程旭维
【作者单位】装甲兵工程学院,北京100072;装甲兵工程学院,北京100072;装甲兵工程学院,北京100072;装甲兵工程学院,北京100072
【正文语种】中文
【中图分类】V249
【相关文献】
1.一种里程计辅助车载捷联惯导行进间对准方法 [J], 陈鸿跃;孙谦;刘宇航
2.车载激光捷联惯导系统的快速初始对准方法 [J], 谢波;裴听国;万彦辉
3.车载激光捷联惯导系统的快速初始对准方法 [J], 谢波;裴听国;万彦辉
4.车载单轴旋转激光捷联惯导抗晃动初始对准和零速修正方法 [J], 赵小明;邓东黎;蒋志炜;黄凤荣;孙伟强
5.车载激光捷联惯导系统的快速初始对准及误差分析 [J], 缪玲娟;田海
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捷联式惯导系统初始对准惯性技术是惯导(惯性导航与惯性制导)技术、惯性仪表技术、惯性测量技术以及有关设备和装置技术的统称。

惯性导航与惯性制导是当今非常重要的综合技术之一，它广泛用于航空、航海、航天及陆地各领域。

惯性导航系统是和用陀螺与加速度计通过最初的方向基准和位置信息来确定运载体在一特定坐标系内的姿态、位置、速度和加速度的自主式导航系统。

惯性制导系统是利用运载体内部的陀螺、加速度计测量其运动参数，经过计算机发出控制指令，从而把运载体按照预定的路线准确地引导到目的地的制导系统。

自主性是惯性系统最重要的特点。

确定运动对象导航参数的方法和仪器有许多，例如磁、天文、无线电、水声、全球卫星定位系统等等，然而它们都有一个致命的弱点，即不是自主的，不是要向外界发出信息，就是要依赖对外观测信息，而惯性系统与上述诸方法的基本区别就在于是完全自主的，即导弹、潜艇、飞船等可以在一个完全与外界条件以及电磁波隔绝的假想“封闭”空间内实现精确导航。

因此，惯导系统具有隐蔽性好、抗干扰、不受任何气象条件限制的优点，且数据更新速率高，可以提供连续实时的导航参数。

惯性系统在国防科学技术中占有非常重要的地位，因而是世界各工业强国重点发展的技术领域之一。

随着惯性技术的不断发展，许多国家已将其应用领域扩大到现代化交通运输，海洋开发，大地测量与勘探，石油钻井，矿井、隧道的掘进与贯通，机器人控制，现代化医疗器械，摄影技术以及森林防护，农业播种、施肥等民用领域。

惯性技术的发展表明：从传统的机械转子型陀螺向固态陀螺仪(激光、光纤陀螺仪)转移，并进一步向以半导体硅为基本材料的微机械振动陀螺发展；从框架式平台系统向捷联系统转移，从纯惯性捷联系统向以惯性系统为基础的多体制组合导航系统发展，成为今后惯性技术发展的总趋势。

捷联式惯性导航系统，导航用的加速度计是直接捆绑在运载体上，它测量的是运载体坐标系轴向比力，只要把这个比力转换到惯性坐标系上，则其他计算就和空间稳定的平台式惯性导航系统一样，而比力转换的关键就是要实时地进行姿态基准计算来提供数学平台，即实时更新姿态矩阵bC，有些资料上称姿态矩阵g为捷联矩阵或方向余弦矩阵bC。