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1、西北工业大学硕士学位论文第二章 捷联惯导系统的初始对准技术第二章 捷联惯导系统的初始对准技术2 . 1 概述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童的比 力和角速率通过计算机实时计算出各种导航参数。 由于“ 平台” 是测盘比力的基 准，因此， “ 平台”的初始对准就非常重要。对于平台惯性导航系统，初始对准的任务就是要将平台调整到给定的导航坐标系的方向上;对于捷联惯性导航系 统， 由于捷联矩阵起到“ 数学平台” 的作用， 因此导航工作一开始就需要获得捷 联矩阵的初始值， 以便完成导航的任务。 显
2、然如何获得捷联矩阵的初值就成了首 先必须解决的问题， 即初始对准问题。 由于初始对准对于惯导系统的精度与启动 时间 ( 或反应时间) 有着直接的关系， 所以一直被看作一项关键技术， 从而成为 近年来惯导界的研究热点之一。初 始 对 准 具 有多 种 形 式 阳 :( 1 )按对准的阶段来分:惯导系统的初始对准一般分为两个阶段:第一阶 段为粗对准， 对平台进行水平与方位粗调， 要求尽快的将平台对准在一定的精度 范围内， 为后续的对准提供基础， 所以要求速度快， 精度可以低一些。 第二阶段 为梢对准，是在粗对准的基础上进行，要求在保证对准精度的前提下尽量快。( z ) 按对准轴系来分:取地理坐标系
3、为导航坐标系的情况下，初始对准可 分为水平对准和方位对准。在平台惯导系统中， 物理平台通常先进行水平对准，然后同时进行平台的水平与方位对准; 在捷联惯导系统中的数学平台， 一般水平对准与方位对准是同时进行的。( 3 )按基座的 运动状态来分:按照安装惯导系统所在基座 ( 室内的测试台或运载体) 的运动状态可分为静基座对准和动基座对准。 动基座对准通常是在运载体运动状态下进行的。( 4 ) 按对外部信息的依赖程度来分: 惯导系统只依靠重力矢量和地球速率 矢盆通过解析方法实现的初始对准称为自 主式对准， 此时不需要其它外部信息， 自 主性强， 但精度不高; 非自 主式对准可通过机电或光学方法将外部
4、参考坐标系引入系统， 使平台对准至导航坐标系。 在捷联式惯导系统的粗对准阶段， 可引入 主惯导系统的航向姿态信息， 迅速将数学平台对准导航坐标系， 减小初始失准角。A 些A t 丝+ * * i 逆 一 - 一 2兰主 垄 夔 旦 些 遨 些 逊 过鱼述 在精对准阶段， 可采用受控对准方法， 利用其它导航设备 ( 如G P S 、里程仪等) 提供的信息 ( 如位里和速度等)作为t测信息，通过卡尔曼滤波实现精确对准。( 5 )根据对准过程中使用的参考信息的不同来分:初始对准又可分为自 对 准、传递对准和空中对准方法。自 对准利用的是天然基准信息: 重力加速度和地 球自 转角速度; 传递对准则是以
5、主惯导为基准， 使子惯导建立的导航坐标系与主 惯导己建立的导航坐标系重合:空中 对准是根据其它导航系统提供的导航参数 ( 如位置、 速度等) 与惯导系统得到的相比 较的偏差来估计惯导系统的失准角， 从 而进行校正。初始对准精度和对准的时间是惯导系统进行初始对准时的两项重要技术指 标。 初始对准精度影响惯导系统的性能， 初始对准时间标志着快速反应能力， 因 此耍求初始对准精度高、 对准时间短， 即精而快。 为了达到这一要求， 陀螺和加 速度计必须具有高的精度和稳定性，系统的 鲁棒性要好，对外界的干扰不敏感。 因此初始对准是惯导系统最重要的关键技术之一， 近年来成为国内外学者研究的热点。设计初始对
6、准方案所采用的方法通常可分为两大类: 一类是荃于经典 控制理 论的对准方法， 称为频域法或经典法; 另一类是基于现代控制理论的状态空间法， 也称最优估计方法或卡尔曼滤波方法. 动基座对准一般都是采用外部信息， 并通 过卡尔曼滤波来实现， 一般来讲， 这些方法对准速度快， 因而适合于机动性要求 高 的 场所。 而 在 静 荃座条 件下， 捷联 惯 导 系 统的 加速 度计的 输 入量为一 扩， 陀 螺 仪 的 输 入 盘 为 地 球自 转角 速 率 6d ie ， 因 此一 扩和碟IN L 成为 初 始 对 准的 基 准。 将陀 螺与加速度计的输出引入计算机， 通过计算机就可以计算出捷联矩阵的初
7、始值。 因此， 陀螺仪和加速度计的误差会导致对准误差: 对准时飞行器的千扰运动也是 产生对准误差的重要因紊。 因此滤波技术对捷联系统尤其重要， 常利用卡尔曼滤 波的方法来完成对准。2 . 2 捷联惯性导航系统的初始对准技术在导航系统进入导航状态时， 希望在计算机中建立一个能够准确的描述机体 坐 标 系b 与当 地地 理坐 标系 ( 即 导 航坐 标系) t 之间的 坐 标变换阵砚， 以 便导 航 参数在正确的基础上计算。 捷联惯导系统初始对准的目 的正是力图在计算机中建 立 这样一个坐标变换阵C b, 。捷 联惯 导系 统初始 对准的 基 础是 数学 平台( 捷联 矩阵C e ) 的 误 差
8、方 程。 对 准的修正信息， 除了加谏度计的输出信息外， 还利用陀螺仪的输出 信息。 水平对些t 兰 述 望 些 丝 丝 3 c 一 一-箩 二 章捷 联 惯 导 系 统 的 初 蜂 x f 准 技 术 准精度取决于加速度计的测量精度，方位对准精度取决于等效东向陀螺仪的漂移。 因此，为了提高捷联惯导系统的初始对准精度， 必须对惯性仪表的误差进行 补偿。 在捷联惯导系统中惯性仪表直接固联在载体上， 以计算数学平台代替物理 平台，其初始对准就是确定初始时刻从机体坐标系到地理坐标系 ( 导航坐标系) 的 初始 捷 联矩阵C 6 ， 初 始对 准过 程分 为 粗对准 和精 对准 两 个阶 段: 首先
9、进行 粗 对准， 其特点是对准速度快， 对准精度较低， 仅为进一步精对准提供一个满足要 求 的 初 始 捷联 矩阵C b ; 在 精 对 准 阶 段， 通 过处 理 惯 性 仪 表 的 输出 信 息 及 外 里 测 信息， 精确的确定计算数学平台与地理坐标系的失准角， 从而建立起准确的初始 捷 联 矩阵暇。 图1 - 1 为 初 始对 准的 原理 方框图 4 1图 1 - 1初始对准原理方框图2 . 2 . 1 粗对准对于粗对准来说， 要求尽快的将平台调整到某一精度范围之内， 缩短对准时间是其主要指标。C 二 只 有通 过计算 机计 算 得出， 计算 得到的 捷 联 矩阵 为。 设计 算 地理
10、 坐标 系 ( i ) 到实际地理坐标系 ( t) 的 夹角为lp ， 并可表示为:试喊诚 r.ee三eera.L工一材向 量7 的反对称矩阵为:西北工业大学硕士学位论文第二章 捷联惯导系统的初始对准技术0 IP 二 一 9 ) 二一 v 二0 -P x y 一 尹fx0r.L1.1几J一矩阵心可以 通 过 加 速 度 计 与 陀 螺的 测 盘 值 来 计 算。 但 是 外 部提 供 的 信 息 毕竟是粗略的， 不能准确的描述机体坐标系与当地地理坐标系之间的真实角度关 系， 也就是初始计算地理坐标系与理想地理坐标系不完全重合， 其间小角度误差 矩阵为ID f 。当 耳求 得以 后 ， 若 能
11、求 得 误 差 角 矩 阵 ( ， 并 根 据 计 算 捷 联 矩 阵 与 实 际 捷 联 矩阵的关系= C ; e b = ( j 一 4V ) 便 可 对瓦修 正 ， 从 而 获 得 更 准 确 的 疏， 即 :二 ( I 一 O f ) 一 ， C n = ( I + (V ) C ,在进行初始对准时，当地的经度久 和纬度L 是已知的，因此重力加速度和地 球自 转角速度在地理坐标系的分量都是确定的，它们可表示为:g 阳110卜一一 tlt，十!一999 尸.1.IeeL=一g0叭c o s L 叭 s i n Lr.eses.胜胜毛1，L一一 十胜1.tJ 叽叽吮一一嗽然 后由9 r 与
12、4 e 构 成 一 个 新向 盈Y ，即Y=9 X W fe根据地理坐标系与机体坐标系之间的转换矩阵可得下列公式:( 2 - 1 )g 二 C h - ff l二 C rb -gb 一 b bwfugyb g6rcxb bieygsg :一 。 b g b 一 。 bc g x 一 。 b g by西北工业大学硕士学位论文第二章 捷联惯导系统的初始对准技术将Y i 、了与武代入 式( 2 - 5 ) 得:0 0二- s e c L 9 O ) ie ? tg L止s e c L g口 k ( 2 - 6 )U1-9一rteses胜1胜飞下.，.胜，刁，L-一弓劣呱就，呱鱿屹til g i 一
13、。 b b。 h b#Y9: (0 iex g : 一b b b bo ie_“$ teY g x 一 。 b 9 biex 9 Y将 测 量 得 到的8 与碟代 入 式( 2 - 6 ) 便 可 得到C的 九 个 元 素 C 产 see L (0 ,g y - ()Yg b )g w ,e，s e c L 叭2 = 9 (0 1e( 。 h L g =b - v “ , bg x ) C 3 see L ( b= - i“Yg w ie - e . g !) q ， 二 星 些 十 左sec Lg 。g 0l t9 L 七2 2 =g C 23 二 K q LO ie O) b .】 ，es
14、7 s CC儿 O姆 e - 召 留 S C C乙 叭，9 七 七 3 2 = g( 2 - 7 ) 。 _9 b 3 3=一一式( 2 - 7 ) 中 的 g x , g bY , g , 可 用 加 速 度 计 的 输 出 对、b f bf xb f y, x 来 近 似 代 替 ， b 、 呱、 bW iex , W ibe1 . W is: 可 由 陀 螺 仪 的 输 出b 、 硫、 bW ibx - W ibW 164 1 W ib x 来 近 似 代 替 ， 式 中 对 准 点 的 纬 度L 和 重 力加 速 度g 的 精确 值 可 作 为已 知 数 输入系 统，W ie 为 常
15、数。 按 式( 2 - 7 ) 计 算 出 的 Cl,为 近 似 值， 可 用C b 表 示 。 进 行 对 准 矩阵 的 计 算 也 就 是 完 成了 粗 对 准。西北工业大学硕士学位论文2 . 2 . 2精对准第二章 捷联惯导系统的初始对准技术精 对 准的目 的 是 在 粗 对 准的 基 础 上 用 捷 联 矩 阵C b 替 换矩阵 ， 对 准 精 度 是 主 要指 标。 心矩阵比 粗 对准 结 束时 的 捷 联 矩阵更 精 确的 描述 机体 坐标系b 与 当 地 地理 坐标 系t 的 位置 关 系， 精 对准的 过 程 就 是t ， 系自 动趋 近t 系的 过 程. 此 外， 在粗对准中
16、没有考虑陀螺和加速度计的测盘误差， 由于陀螺仪漂移和加速度计误 差均为随机误差， 为提高对准精度， 精对准中必须加以 考虑。 一般在精对准过程 中要进行陀螺仪的测漂和定标， 进一步补偿陀螺的漂移率和标定的刻度系数， 以 提高对准精度。 精对准阶段， 通过处理惯性仪表的输出 信息及外量测信息， 精确 估计出计算参考坐标系与真实导航坐标系之间的小失准角， 从而建立起准确的初 始捷联矩阵。精对准结束时的精度就是平台 进入导 航工作状态时的 初始精度。惯导系统经典初始对准方法是墓于经典控制理论的频域分析法， 无论是水平 对准回路实现水平对准， 还是方位对准回路完成方位对准都将飞行器的干扰运动 取为常值， 实际上飞行器的干扰运动是随机的。 在捷联惯导系统初始对
