下载文档原格式
Vol. 42, No. 8Aug., 2020第42卷第8期2020年8月舰船科学技术SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY捷联惯导系统晃动基座高精度快速自对准技术研究芈小龙I,桂士宏2,尹洪亮彳(1.海军装备部，北京100071; 2.中国船舶集团有限公司，北京100097; 3.中国舰船研究院，北京100192)摘 要：传统自主对准要求捷联惯导系统准确感应地球自转角速度，导致捷联惯导系统对准期间必须处于静止或微幅晃动状态，限制自主对准的适用范围，而且一般的舰载武器系统难以处于绝对静止状态。
为实现舰载武器 在晃动条件下的自主对准，本文研究提出了晃动基座下的自对准方案。
首先，在粗对准阶段，基于重力加速度在惯性空间的投影量，将姿态阵分割为4个矩阵分别求取，减弱晃动对粗对准的影响；其次，利用晃动条件下系统可观 测性提高的特点设计相关滤波器。
通过实验验证了此对准方案的可行性。
关键词：捷联惯导系统；自主对准；晃动基座中图分类号：U666.1文献标识码：A文章编号：1672 - 7649(2020)08 - 0157 - 05 doi ： 10.3404/j.issn.l672 - 7649.2020.0&029Research on high precision and fast self-alignment of strapdown inertialnavigation system with sloshing baseMI Xiao-long 1, GUI Shi-hong 2, YIN Hong-liang 3(1. Naval Equipment Department, Beijing 100071, China; 2. China State Shipbuilding Corporation Limited,Beijing 100097, China; 3. China Ship Research and Development Academy, Beijing 100192, China)Abstract: Traditional autonomous alignment requires the SINS to accurately sense the angular velocity of the earth ro tation, so the SINS must be in a static or slightly wobble state during alignment, which limits the applicable scope of autonomous alignment. Moreover, it is difficult for general shipbome weapon systems to be in an absolute static state.In or der to realize the self-alignment of ship-bome weapons under the shaking condition, a self-alignment scheme under the shak ing base is proposed in this paper.Firstly, in the coarse alignment stage, based on the projection of gravity acceleration in the inertial space, the attitude array is divided into four matrices and calculated respectively to reduce the influence of sloshing on the coarse alignment. Secondly, the correlation filter is designed with the improved observability of the system under thecondition of sloshing.The feasibility of this alignment scheme is verified by experiments.Key words: strapdown inertial navigation system ； autonomous alignment ； sloshing base0引言捷联惯导系统静基座自主对准有外部信息依赖度 低的特点，可直接利用惯导系统陀螺、加表输出和零 速校正条件，完成粗对准和精对准E 。
动基座条件下舰载武器捷联惯导系统初始对准研究随着现代化舰艇的不断发展，其中一项重要的技术就是舰载武器的捷联惯导系统。
这种系统将惯性导航系统和星载导航系统结合起来，能够提高武器的精度和可靠性，确保击中目标。
而在动基座条件下，捷联惯导系统的初始对准是实现高精度打击的重要前提。
动基座条件下的舰载武器捷联惯导系统与传统型号相比，需要额外考虑动基座的姿态确定和补偿问题。
在舰艇运动状态下，动基座将遇到多种力学干扰，如风浪、航行状态变化等。
为了获得准确的姿态信息，需要考虑惯性方程和传感器的实际误差，同时需要运用数学模型来消除干扰对姿态的影响，确保系统能够快速、准确地对准目标。
捷联惯导系统的初始对准是捷联系统实现高精度打击的重要前提。
捷联惯导系统的精度受多种因素影响，其中最关键的因素之一就是惯性传感器的初始对准误差。
初始对准误差会在系统使用过程中积累，导致系统的误差逐渐扩大，影响武器的精度和可靠性，因而需要采取适当的措施来解决。
在捷联惯导系统的初始对准过程中，主要考虑惯性导航系统和星载导航系统之间的配合和对准误差的消除。
一般情况下，捷联惯导系统会先采用星载导航系统进行粗略定位，再用惯性导航系统进行精细定位，以此来提高系统的定位精度。
但由于星载导航系统的精度受限，粗略定位可能会带来不可避免的误差，而大幅度运动也会导致惯性传感器的零偏误差，使得捷联惯导系统无法准确掌握自身姿态和位置信息，从而影响武器的打击结果。
因此，在动基座条件下，需要采取适当的初始对准方法，以提高捷联惯导系统的精度和可靠性。
传统的捷联惯导系统初始对准方法主要包括三种：心理想象矫正，静停地平线矫正和动基座矫正。
其中心理想象矫正是指利用心理想象方法计算偏差角，并根据偏差角通过动态调整惯性器件的参考坐标系来实现对准。
静停地平线矫正是指在静态条件下使用陀螺仪的水平度进行对准。
动基座矫正是指在动态条件下使用动基座姿态信息进行对准。
然而，这些传统的初始对准方法在动基座情况下都存在一定的局限性和缺陷。
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。
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。
动基座条件下舰载武器捷联惯导系统初始对准研究一、动基座条件下的问题分析在海上任何一艘舰船都存在着由于波浪、船体摆动和舰船本身的推进力等因素所导致的运动，而这些运动将直接影响到舰载武器系统的稳定性和精度。
在这种动力基座条件下，捷联惯导系统的初始对准将受到严重干扰，导致其无法准确掌握舰船的运动状态，进而影响到导航和制导的准确性。
动基座条件下的舰载武器捷联惯导系统初始对准问题必须得到解决。
1. 舰船运动状态：舰船在海上运动时受到波浪和风力等自然因素的影响，产生摇摆和滚动等运动状态，这将直接影响到捷联惯导系统的初始对准精度。
2. 推进力对舰船的影响：舰船本身的推进力将会导致舰船产生加速度和角速度的变化，这种加速度和角速度的变化将使得捷联惯导系统对舰船的运动状态无法准确掌握。
3. 舰载武器系统的位置：舰载武器系统的位置对于捷联惯导系统的初始对准精度也有重要影响，因为不同位置的舰载武器系统受到的舰船运动状态影响也各不相同。
在动基座条件下，为了解决舰载武器捷联惯导系统的初始对准问题，可以采取以下几种方法：1. 舰船运动状态补偿：利用传感器和数据融合技术，准确捕捉舰船的运动状态，并将这些状态信息补偿到捷联惯导系统中，以保证其能够准确反映舰船的运动状态。
2. 捷联惯导系统动态校准：通过持续的动态校准，及时修正舰船的运动状态对捷联惯导系统的影响，保证其始终处于准确稳定的状态。
3. 采用惯导系统的组合导航：通过惯导系统的组合导航技术，将GPS/北斗导航系统和惯导系统相结合，降低舰船运动状态对捷联惯导系统的影响。
4. 舰载武器系统位置优化：通过合理设计和布置舰载武器系统的位置，最大限度地减少舰船运动状态对捷联惯导系统的影响。
四、实验验证与效果分析为了对以上提出的动基座条件下的对准方法进行实验验证，我们利用仿真系统进行了一系列的实验验证，并对结果进行了效果分析。
在实验中，通过对不同舰船运动状态的模拟，我们发现采用舰船运动状态补偿和动态校准方法能够有效地提高捷联惯导系统的初始对准精度，较好地解决了舰船运动状态对捷联惯导系统的影响。
动基座条件下舰载武器捷联惯导系统初始对准研究摘要：在舰载武器系统中，捷联惯导系统具有重要的作用。
捷联惯导系统的初始对准是系统正常工作的关键。
本文通过分析捷联惯导系统的工作原理，介绍了动基座条件下捷联惯导系统的初始对准方法，并对其影响因素进行了研究。
1. 引言舰载武器系统中的捷联惯导系统是一种通过惯性测量单元和全局导航卫星系统接收机联合工作，使武器系统能够在没有外界参考的情况下进行精确定位、导航和打击的系统。
捷联惯导系统的初始对准是保证系统有效工作的重要环节。
2. 捷联惯导系统的工作原理捷联惯导系统由惯性导航单元、全球定位系统接收机以及姿态传感器等部件组成。
惯性导航单元通过测量加速度和角速度信息来计算舰艇的位置和姿态。
全球定位系统接收机通过接收卫星信号，确定舰艇的位置。
姿态传感器用于检测舰艇的姿态角。
3. 动基座条件下捷联惯导系统的初始对准方法在动基座条件下，舰载武器系统的捷联惯导系统初始对准可以通过以下步骤完成：步骤一：舰艇静止时，进行GPS和惯性泌言的初始对准。
通过接收全球定位系统的信号，确定舰艇的粗略位置，并使用惯性传感器测量舰艇的加速度和角速度信息。
步骤二：舰艇开始运动后，启动捷联惯导系统，并利用姿态传感器获取舰艇的姿态角。
然后，通过惯性导航单元计算舰艇在初始位置的惯性坐标系中的位置。
步骤三：根据舰艇的惯性坐标系和全球定位系统的坐标系之间的坐标变换关系，可以确定舰艇在全局坐标系中的位置。
然后，将舰艇的位置信息与导航指令进行比较，利用闭环控制算法对舰艇进行修正。
4. 影响因素分析动基座条件下捷联惯导系统的初始对准精度受多个因素影响，主要有以下几点：舰艇运动状态：舰艇运动过程中，加速度和角速度的变化会对捷联惯导系统的初始对准精度产生影响。
舰艇运动越大，精度越低。
姿态传感器精度：姿态传感器用于检测舰艇的姿态角，其精度将直接影响到捷联惯导系统的初始对准精度。
全球定位系统精度：全球定位系统接收机的精度也是影响捷联惯导系统初始对准精度的一个重要因素。
Aug12005 Vol123,No.4航 天 控 制Aer ospace Contr ol微小型捷联惯导系统解析式对准方法研究3陈令刚 刘建业 孙永荣 岳 淼南京航空航天大学自动化学院,南京210016摘 要 对静基座下微小型捷联惯导系统对准技术进行了研究。
给出了6种解析式粗对准的对准方法,通过对这6种方法的理论对准误差进行推导,得出对应的理论对准误差结果,其中2种方法误差较小,同时进行仿真,仿真结果验证了理论对准误差推导的正确性。
因此,在传感器精度相同的条件下,本文为静基座下微小型捷联惯导系统的粗对准的实现确定了效果较好的2种方法。
最后采用了其中的4种方法对实测的微小型I M U数据分别进行了对准验证分析,获得了很好的效果。
主题词 捷联惯导系统 粗对准 参考矢量中图分类号:T N966 文献标识码:A文章编号:100623242(2005)0420009204Study of Ana lyti c Coarse A li gnm en t M ethods to M i cro S I NSChen L inggang L iu J ianye Sun Yongr ong Yue M iaoThe Aut omati on College,Nanjing University of Aer onautics and A str onautics,Nanjing210016Abstract This paper stud ies static base coa rse alignm ent techn ique of strapdo w n inertial naviga tion syste m (SI N S).M isalignm ent angles of six coarse alignm ent m ethods a re got through ana lytic error calcula ting.A t the sam e ti m e,the si m ulations verify the exactness of analytic calculating of m isa lignm ent angles.It isconcluded that t w o coarse alignm ent m ethods have higher accuracy in all coarse alignm en t m ethods of SI N S on stationary base under the sam e sensors precision.F inally,fourm ethods are used to align the real data of m icro I M U respectively,and good effects are achieved.Subject ter m s S trapdo w n inertial navigation syste m s(SI N S) Coarse alignm ent R eference vector 3国防预研基金(514090301)和航空科学基金(04D52030)资助 收稿日期:2004211203作者简介:陈令刚(1980～),男,江苏省南京市人,硕士研究生,主要从事惯导系统初始对准技术研究;刘建业(1957～),男,江苏省桐乡市人,教授(博士研究生导师),从事惯性技术、卫星定位、组合导航系统研究;孙永荣(1969～),男,江苏省南通市人,副教授,从事GPS、惯性导航以及测控技术方面的研究;岳 淼(1981～),女,辽宁省沈阳市人,在读硕士研究生,从事导航、制导与控制专业研究。
1 引 言捷联惯导系统因其独特的优点而在飞机、舰船和陆地车辆的导航定位中得到了广泛的应用。
由捷联惯导算法可知[1],初始对准的误差会直接影响导航的精度,对于捷联惯导系统,初始对准就是获取从载体坐标系到导航坐标系的转移矩阵C nb。
通常初始对准可以分为粗对准和精对准两个阶段。
粗对准就是利用重力矢量G→和地球自转速率矢量ω→ie的测量值C nb,直接估算,为精对准提供初始条件。
算法简单、速度快而且具有一定精度的粗对准方法有其・9・航 天 控 制2005年实际的应用价值,因此对粗对准方法的研究显得尤为重要。
参考文献[6]对3种粗对准方法进行研究比较,并进行了仿真验证,本文选其中的2种粗对准方法及误差推导方法并新增加了4种粗对准方法进行了分析比较,同时进行了仿真验证,最后对实测的微小型I M U 数据进行对准计算。
本文对静基座下微小型捷联惯导系统进行粗对准具有重要的意义。
2 解析粗对准方法2.1 6种矢量组合对准方法的确定采用“北东地”(North 2East 2Down )作为坐标系,当地纬度L 能精确测得,且重力矢量G →ie 和地球自转速率矢量ω→ie 在地理坐标系下的分量是确定的,表达式如下:g n =[0 0 g ]T(1)ωn ie =[Ωcos L 0 -Ωsin L ]T (2)其中Ω为地球自转速率,g 是重力加速度的幅值。
粗对准的方法有多种[2],传统的解析粗对准就是要利用已知的g n ,ωn ie 和对g b ,ωbie 的测量值和传统的辅助矢量为g ×ωie 来估计C n b,然而可以构造另外的2个辅助矢量分别为g ×ωie ×g,ωie ×g ×ωie 。
这5个矢量在子午面中的空间方位关系如图1所示:图1 5个矢量的空间方位关系这些矢量共有6种组合方法构成6种解析式粗对准方法。
6种组合对准方法分别如下:e 1=[g n ωn ie g n ×ωn ie ]Te 2=[g n g n×ωnie (g n×ωnie )×g n]T e 3=[ωnie g n×ωnie ωnie ×(g n×ωnie )]Te 4=[g nωnie×(g n×ωn ie) g n ×ωn ie ]T e 5=[ωnie (g n×ωnie )×g n g n×ωnie ]Te 6=[(g n×ωnie )×g n ωnie ×(g n×ωnie ) g n×ωnie ]T其中组合方法1,2已有文献[3,4]对其进行了具体的误差分析研究,本文将就后4种组合方法进行研究。
根据6种粗对准方法的误差结果来判断各自对准效果的优劣性。
2.2 捷联矩阵C nb 的求取考虑传感器的测量偏差和外界干扰,加速度计和陀螺仪的测量值可以表示如下:a b =g b +δab(3)ωb =ωb ie +δωb (4)其中,δa b表示加速度计的测量误差,δωb表示陀螺仪的测量误差。
根据文献[3,4]的方法可得到求取C nb 估计值的表达式如下:C ^nb =(g n)T (ωnie )T (g n×ωnie )T-1(a b )T (ωb)T (a b×ωb)T(5)由于传感器测量误差的存在,使得C ^nb 不满足正交性要求,按下式进行正交化[5,6]处理。
(C ^n b )o =C ^n b [(C ^n b )T C ^n b ]-1/2(6) 正交化的目的就是消除刻度系数误差、歪斜误差,但是漂移误差无法被消除。
利用其他5种组合方法求取C nb 的方法与e 1的方法类似。
3 误差分析3.1 误差角计算方法介绍根据参考文献[6]中所采用的误差推导方法,捷联惯导系统的误差源包括惯性仪表的安装误差和刻度因子误差及陀螺的漂移和加速度计的零位误差等几种误差源。
正交化前的估计值C ^nb 主要含有刻度系数误差、歪斜误差和漂移误差3项。
初始对准过程完成时,有如下的表达式:(C ^n b )o =(I -Φ)C n b (7)I 为单位阵,Φ为如下形式的反对称阵Φ=0-<D <E<D0-<N-<E<N(8)其中<i (i =N ,E,D )代表“数学平台”的漂移误差角。
将C ^nb 的计算公式写成如下的形式:C ^nb =MQ ^=M (Q +δQ )(9)其中M 是和g n,ωnie 有关的矩阵,Q ^是和测量值a b,ωb 有关的矩阵,δQ ∈R 3×3为加速度计和陀螺仪测量误差构成的矩阵。
按(6)式中的平方根项按级数展开,有近似的正交化公式: (C ^n b )o =[I +12(M δQC n b -C n b δQ T M T )]C nb (10)因此可以得到Φ的另一表达式为:・01・第23卷 第4期陈令刚等:微小型捷联惯导系统解析式对准方法研究Φ=12[C n bδQ T M T -(C n b δQ T M T )T](11)3.2 求解6种矢量组合方法的误差角首先对e 1组合方法进行误差分析,记传感器误差在导航坐标系中的表达式为:δa n =C n b δa b =[δa N δa E δa D ]T (12)δωn =C n b δωb =[δωN δωE δωD ]T (13)由式(5),(9)比较可以得出:M =1gtan L 1ωie cos L 0001gωie cos L 1g(14)δQ =[δa bδωb δ(a b ×ωb )]T (15)忽略二阶小量误差,可得:(C n b δQ T )T =[δa n δωn (δa n ×ωn ie +gn ×δωn )]T (16)将式(14),(16)代入式(11)可得3个漂移误差角为:<N 1=-δa E g ,<E 1=12(δa N g -δa D gtan L +δωD ωie cos L ),<D 1=δa Egtan L -δωE ωie co s L 可见,北向漂移误差角只受东向加速度计误差影响。
东向漂移误差角受到北向加速度计误差、地向加速度计误差和地向陀螺漂移的影响,并且主要取决于地向陀螺漂移的大小。
方位误差角受东向加速度计误差和东向陀螺漂移的影响,并且主要取决于东向陀螺漂移。
同理,运用以上误差分析方法分别对e 2・e 3・e 4・e 5・e 6组合方式进行误差分析,所得到的5组误差角分别如下所示:<N 2=-δa E g , <E 2=δa N g , <D 2=δa Egtan L -δωEωie co s L <N 3=-δa E g ,<E 3=-δωN ωie sin L -δωD ωie cos L,<D 3=δa Egtan L -δωE ωie co s L ,<N 4=-δa E g ,<E 4=δωN ωie sin L ,<D 4=δa Eg tan L -δωE ωie co s L <N 5=-δa E g ,<E 5=δa N g +δa D g tan L ,<D 5=δa Eg tan L -δωE ωie co s L <N 6=-δa E g ,<E 6=12(δa N g -δa D g tan L +δωD ωie co s L ),<D 6=δa E gtan L -δωE ωie co s L 其中<N i ,<E i ,<D i (i =1,2,3,4,5,6)分别代表六种组合方法的漂移误差角。
