捷联惯导系统初始对准技术的研究

船用捷联惯导系统动态初始对准技术研究
张爱军;王昌明;何云峰
【期刊名称】《船舶工程》
【年(卷),期】2009(31)1
【摘要】针对捷联惯组动态对准精度低,初始误差大且每次各异的缺点,提出利用船位推算位置误差对航向误差角进行补偿的方法.船体从起始位置航行到达一个位置已知点,由船位推算位置与实际位置的误差即可计算出航向误差角,同时消除累计位置误差,提高导航精度.最后通过湖态试验验证了该方法的有效性.
【总页数】3页(P44-46)
【关键词】船舶;导航设备;捷联惯组;动态对准;船位推算;航向误差角
【作者】张爱军;王昌明;何云峰
【作者单位】南京理工大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】U666.12
【相关文献】
1.水下潜器捷联惯导系统初始对准技术研究 [J], 高伟;陆强;曹洁;孙枫
2.舰船单轴旋转激光捷联惯导系统动态初始对准 [J], 翁海娜;姚琪;胡小毛
3.船用捷联式惯导系统初始对准及对陀螺随机常值漂移估计方法的研究 [J], 徐晓苏;万德钧
4.一种基于动态规划理论的捷联惯导系统初始对准方法 [J], 杨勇;缪玲娟;侯朝桢
5.船用捷联惯导系统在系泊状态下的快速初始对准方法 [J], 程向红;万德钧;房建成因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

双轴连续旋转调制捷联惯导系统初始对准技术研究双轴连续旋转调制捷联惯导系统初始对准技术研究摘要：针对双轴连续旋转调制捷联惯导系统在使用过程中存在的初始对准不准确、对准时间过长等问题，本文对双轴连续旋转调制捷联惯导系统的初始对准技术进行研究。

首先分析了传统初始对准方法的原理及其存在的局限性，在此基础上提出了一种基于旋转矩阵的新的初始对准方法，通过该方法优化了系统的初始对准精度。

同时，还对系统的初始对准时间进行了研究，提出了一种自适应算法，根据系统的实际状况进行相应的调整，实现了较快的初始对准时间。

最后通过仿真实验验证了新方法的有效性和实用性，实验结果表明，该方法具有较高的精度和较短的初始对准时间，可以为双轴连续旋转调制捷联惯导系统的应用提供有力支持。

关键词：双轴连续旋转调制捷联惯导系统；初始对准；旋转矩阵；自适应算法；仿真实验。

1. 引言惯性导航系统是一种基于惯性力学原理进行导航的技术，它具有独立性、连续性和精度高等优点，在军事、航空、航天和海洋等领域都有广泛的应用。

其中，捷联惯导系统是惯性导航系统的重要组成部分，它通过多个惯性传感器的测量和信号处理，实现位置、速度和姿态等参数的估计和更新。

双轴连续旋转调制捷联惯导系统是捷联惯导系统中的一种常见形式，它具有多个优点，如精度高、稳定性好、抗干扰能力强等。

但是，在使用双轴连续旋转调制捷联惯导系统时，必须进行初始对准，以保证系统的工作性能。

通常采用的传统初始对准方法包括水平对准、方位对准和姿态对准等。

但是，这些方法存在一些局限性，如准确度低、对准时间长等。

因此，如何改进双轴连续旋转调制捷联惯导系统的初始对准技术，成为了当前研究的热点和难点。

本文针对双轴连续旋转调制捷联惯导系统的初始对准问题，提出了一种基于旋转矩阵的新的初始对准方法，并设计了一种自适应算法，可以根据系统的实际状况进行相应的调整，从而实现较快的初始对准时间。

最后，通过仿真实验验证了新方法的有效性和实用性，为双轴连续旋转调制捷联惯导系统的应用提供有力支持。

捷联惯导动基座对准新方法及导航误差抑制技术研究一、本文概述随着导航技术的不断发展，捷联惯导系统（Strapdown Inertial Navigation System, SINS）在动基座对准和导航误差抑制方面展现出越来越高的应用价值。

本文旨在探讨一种新型的捷联惯导动基座对准方法，并对导航误差抑制技术进行深入研究。

通过对比分析传统对准方法的不足，本文提出了一种基于多传感器融合的新型对准算法，旨在提高对准精度和效率。

针对导航过程中的误差积累问题，本文还研究了有效的误差抑制策略，以期提高捷联惯导系统的导航精度和可靠性。

本文首先介绍了捷联惯导系统的基本原理和应用背景，阐述了动基座对准和导航误差抑制在惯性导航中的重要性和挑战。

随后，详细介绍了新型对准方法的基本原理和实现过程，包括多传感器数据融合、对准算法设计以及实验验证等方面。

在误差抑制技术研究方面，本文重点探讨了误差来源、误差传播特性和抑制策略，提出了一种基于卡尔曼滤波的误差估计与补偿方法。

本文的研究成果对于提高捷联惯导系统的性能具有重要意义，不仅有助于提升动基座对准的精度和效率，还能有效抑制导航过程中的误差积累，从而提高整个导航系统的可靠性和稳定性。

本文的研究方法和结论也为相关领域的研究人员提供了有益的参考和借鉴。

二、捷联惯导系统概述捷联惯导系统（Strapdown Inertial Navigation System，简称SINS）是一种不依赖外部信息、完全自主式的导航系统。

其核心部件包括陀螺仪和加速度计，分别用于测量载体相对于惯性空间的角速度和线加速度。

通过积分这些测量值，系统能够推算出载体的速度、位置和姿态信息。

捷联惯导系统的最大特点在于它将传统的平台式惯导系统中的实体平台用数学平台来替代，从而大大简化了系统结构，提高了可靠性，并降低了成本。

捷联惯导系统的基本原理是通过载体上安装的陀螺仪和加速度计实时测量载体的角运动和线运动参数，再结合初始对准得到的姿态矩阵，将加速度计测量的比力转换到导航坐标系下，进行积分运算得到速度和位置信息。

基于MEMS的捷联式惯导的初始对准研究的开题报告一、课题名称:基于MEMS的捷联式惯导的初始对准研究二、课题背景:捷联式惯性导航系统（INS）是一种能够确定飞行器位置、姿态和速度等参数的关键技术。

INS通常由陀螺仪和加速度计组成，通过测量飞行器在空间中的旋转和加速度来估计其位置和姿态。

传统的INS采用了机械式陀螺仪和加速度计，具有高精度和可靠性，但是成本昂贵且体积庞大。

近年来，基于MEMS技术的惯性传感器因其小型化、低成本和低功耗等优点而越来越受到关注。

因此，开发基于MEMS的捷联式INS在轻型飞行器中的应用具有重要意义。

初始对准是INS的一个重要过程，是使INS能够在没有先验信息的情况下确定其位置、速度和姿态的过程。

在初始对准中，通常需要使用地面测量设备或GPS等辅助手段来提供先验信息。

但是，在某些环境下，这些手段可能无法使用或精度不够高。

因此，开发无需外部辅助手段的初始对准算法，对于实现高精度的INS非常重要。

三、研究内容:本课题旨在研究基于MEMS技术的捷联式INS的初始对准问题，具体内容包括：1. 设计基于MEMS技术的捷联式INS硬件平台，包括陀螺仪、加速度计和数据采集系统等组件。

2. 提出基于MEMS技术的捷联式INS的初始对准算法，包括零偏校正、初始校正和姿态校正等环节。

3. 搭建实验平台，进行基于MEMS的捷联式INS初始对准算法的验证和实现。

四、研究意义:本课题的主要意义在于：1. 开发基于MEMS技术的捷联式INS对轻型飞行器进行导航和定位。

2. 通过研究基于MEMS的捷联式INS初始对准算法，降低INS对外部辅助手段的依赖，提高其精度和可靠性。

3. 探索MEMS技术在惯性导航领域的应用，促进相关技术的发展和应用。

五、研究方法和技术路线:本课题的研究方法和技术路线包括：1. 理论分析：通过分析MEMS技术的优点和缺点，结合已有的初始对准算法，提出基于MEMS技术的初始对准算法。

动基座条件下舰载武器捷联惯导系统初始对准研究1. 引言1.1 研究背景传统的捷联惯导系统在动基座条件下存在着诸多挑战，如基座的姿态变化、振动等因素会影响系统的捷联性能和初始对准精度。

研究动基座条件下舰载武器捷联惯导系统初始对准成为当前研究领域中的一个重要课题。

为了提高舰载武器系统的精确打击能力和战场生存能力，有必要深入研究动基座条件下捷联惯导系统的初始对准问题，探讨解决方案，优化系统性能。

这不仅对提升我国的军事实力具有重要意义，还对推动捷联惯导技术的发展和应用具有重要意义。

开展动基座条件下舰载武器捷联惯导系统初始对准研究具有重要的实践意义和战略意义。

1.2 研究意义本研究旨在探究动基座条件下舰载武器捷联惯导系统初始对准的问题，具有重要的实际意义和军事价值。

通过对捷联惯导系统的研究，可以提高舰载武器的打击精度和命中率，从而提升海军舰队的作战效能。

研究动基座条件下的挑战和解决方案，对于提升我国军事科技水平具有重要意义。

随着军事技术的不断发展和更新换代，对舰载武器系统的研究和改进势在必行，本研究将为我国海军现代化建设提供重要的技术支持。

本研究具有重要的实际意义和战略意义，对于提高海军舰队的作战效能和保障国家安全具有重要意义。

【内容结束】2. 正文2.1 动基座条件下舰载武器捷联惯导系统简介动基座条件下舰载武器捷联惯导系统是一种集成了捷联惯导技术的舰载武器系统，在对抗复杂环境下能够实现高精度打击目标的能力。

该系统由动基座、惯导系统和传感器组成，可以实现对目标的精确识别、跟踪和打击。

动基座可以根据目标的运动状态和环境变化实时调整武器的姿态，从而提高武器的打击精度和生存能力。

捷联惯导系统则能够利用惯性传感器和GPS等技术实现对目标的精确定位和引导，确保武器能够准确命中目标。

动基座条件下舰载武器捷联惯导系统是一种先进的武器系统，具有高度的精度和灵活性，能够有效应对复杂多变的作战环境，对提高舰载武器的作战效能具有重要意义。

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。

卡尔曼滤波实验报告捷联惯导静基座初始对准实验一、实验目的①掌握捷联惯导的构成和基本工作原理；②掌握捷联惯导静基座对准的基本工作原理；③了解捷联惯导静基座对准时的每个系统状态的可观测性；④了解双位置对准时系统状态的可观测性的变化。

二、实验原理选取状态变量为：X = [6匕5匕+E+N乎U v x \ e X£y£J，其中导航坐标系选为东北天坐标系，5V 为东向速度误差，5V 为北向速度误差，乎 为东 向姿态误差角，*, 为北向姿态误差角,乎〃为天向姿态误差角,V ,为北向加速度偏置，£x 为东向陀螺漂移，8,为北向陀螺漂移，£Z为天向陀螺漂移。

则 系统的状态模型为：X = AX + W(1)其中0 2。

sin L0 - g 0 C C 00 0 1112-2。

sin L0 g 0 0 C C 0 021 22 00 0。

sin L -。

cos L 0 0 C C C 1112 13 0 0 -。

sin L 0 00 0 C C C 21 22 230 0 。

cos L 0 0 0 0 C C C A =31 32330 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0_0 _W = [W W W W W 0 0 0 0 0]T ，W ……W 为零均值高斯55* + 45乎白噪声，分别为加速度计误差和陀螺漂移的噪声成分，。

为地球自转角速度，C 为姿态矩阵C 中的元素，L 为当地纬度。

量测量选取两个水平速度误差：Z = [5V 5V ]叽 则量测方程为: E N即 Z = HX +n斯白噪声。

要利用基本卡尔曼滤波方程进行状态估计，需要将状态方程和量测方程进行离散化。

系统转移矩阵为:工 T 2 , T 3 ,① =I + TA + — A 2 + — A 3 + ♦…k / k -1k -1 2! k -13! k -1V x 为东向加速度偏置，5 V ]E5 V0 0 1000 0000 00(2)其中，H 为量测矩阵，“=%丑N 》为量测方程的随机噪声状态矢量，为零均值高« Tn/ =工——A k -1其中，T为采样间隔。

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。

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。

《捷联惯性导航系统关键技术研究》篇一一、引言捷联惯性导航系统（SINS）是一种基于惯性测量单元（IMU）的导航技术，其通过测量物体的加速度和角速度信息，结合数字积分算法，实现对物体运动状态的精确估计和导航。

SINS具有高精度、抗干扰能力强、无需外部辅助等优点，在军事、航空、航天、航海等领域具有广泛的应用前景。

本文将重点研究捷联惯性导航系统的关键技术，包括传感器技术、算法技术以及系统集成技术。

二、传感器技术研究1. 陀螺仪技术陀螺仪是SINS的核心部件之一，其性能直接影响到整个系统的精度和稳定性。

目前，常用的陀螺仪包括机械陀螺、光学陀螺和微机电系统（MEMS）陀螺等。

其中，MEMS陀螺因其体积小、重量轻、成本低等优点，在SINS中得到了广泛应用。

然而，MEMS陀螺的精度和稳定性仍需进一步提高。

因此，研究高性能的MEMS陀螺制造技术和材料，以及优化其工作原理和结构，是提高SINS性能的关键。

2. 加速度计技术加速度计是SINS的另一个重要传感器，其测量精度和稳定性对SINS的导航性能有着重要影响。

目前，常用的加速度计包括压阻式、电容式和压电式等。

为了提高加速度计的测量精度和稳定性，需要研究新型的加速度计制造技术和材料，以及优化其电路设计和信号处理算法。

三、算法技术研究1. 姿态解算算法姿态解算算法是SINS的核心算法之一，其目的是通过陀螺仪和加速度计的测量数据，计算出物体的姿态信息。

目前常用的姿态解算算法包括欧拉角法、四元数法和卡尔曼滤波法等。

为了提高算法的精度和实时性，需要研究新型的姿态解算算法，如基于机器学习的姿态解算方法等。

2. 误差补偿算法由于传感器自身的误差和外部环境的影响，SINS在运行过程中会产生误差。

为了减小误差对系统性能的影响，需要研究误差补偿算法。

目前常用的误差补偿算法包括基于模型的方法和基于数据的自适应补偿方法等。

研究新型的误差补偿算法和技术手段是提高SINS性能的重要方向。

四、系统集成技术研究1. 数据融合技术数据融合技术是将来自不同传感器的数据信息融合起来，以提高导航系统的整体性能。