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1、SINS初始对准算法综述惯性导航的本质是一个积分航位推算过程,而初始对准的目的就是确定积分初值的过程，包含姿态初值、速度初值和位置初值。根据对准环境，可将初始对准分为静基座对准、摇摆基座对准和动基座对准。根据转位方式,又可将静基座对准分为单位置对准、双位置对准和多位置对准，多位置对准可以通过IMU旋转来改善系统的可观测性，从而提高对准和测漂精度。一、静基座对准载体在静止或微幅晃动条件下,速度初值为零，位置初值通常由外界输入,所以静基座对准的主要任务在于确走载体姿态。用于姿态描述的数学方法包括方向余弦矩阵(DirectionCosineMatrix,DCM欧拉角(EulerAngles姿态四元数
2、(QuaternionSymmetricParameters)、旋转矢量(RotationVectorX罗德里格参数(RodriguesParameters)或吉布斯向量(GibbsVector修正罗德里格参数(ModifiedRodriguesParameters,MRPs)、凯菜克菜参数(Cayley-KleinParameters)等。1964年，Stuelpnagel从数学上证明仅采用三维参数表示姿态不可能是全局非奇异的，所以姿态矩阵和四zk元q数表20示16方02法2使2用较为普遍,而欧拉角由于物理意义明确也经常使用。地球表面可供参考的物理矢量为地球自转角速率ie和重力加速度g,只要
3、ie和g不共线(非极区)，就可以通过矢量观测确定最优姿态。一般认为最优姿态估计算法沿着两条技术路线发展:确走性算法，即Wahba问题求解53；状态估计法,如卡尔曼滤波方法。(一)确定性算法1965年Wahba将姿态确定问题描述为带约束的最小二乘估计问题，即Wahba问题。对于双矢量观测的情况,TRIAD(ThRee-axIsAttitudeDetermination)方法可以通过直观方式获得闭环解。但Shuster55指出,利用TRIAD法求解时第二个观测矢量的部分信息将被丢失；Bar-ltzhack也证明由简单TRIAD算法得到的姿态矩阵不是Wahba问题的最优解。Jiang分析表明静基座T
4、RIAD对准精度受向量构造方式的影响”指出采用向量组乳炉严护创时可获得与物理罗经相同的对准精度。直到Davenport提出了q-method，多矢量观测的Wahba问题求解才取得了重大突破。q-method算法的核是用四元数参量化姿态矩阵,将四元数确走问题转化为K矩阵特征值求解问题。在此基础上zShuster提出了非常著名的QUEST(QUaternionESTimator)方法；Bar-ltzhack对批处理QUEST方法进行了改进提出了可以递推处理的REQUEST(RecursiveQUEST)方法；Mortari提出了ESOQ(EstimatoroftheOptimalQuaternio
5、n)方法和ESOQ2(secondEstimatoroftheOptimalQuaternion)方法。另外,Markley还提出了SVD(SingularValueDecomposition)算法和FOAM(FastOptimalAttitudeMatrix)算法,通过奇异值分解直接求解Wahba问题的最优姿态矩阵。针对小干扰情况/Schimelevich63讨论了两种静基座对准算法,一种方法直接通过陀螺和加速度计输出求解最小二乘意义下的正交约束姿态矩阵，称为直接法对准，另一种方法通过陀螺跟踪姿态变化,采用加速度计量测估计姿态修正量,称为罗经对准方法。(二)状态估计法状态估计法通常依赖确走性
6、算法获得姿态初值，并根据动力学模型建立误差方程，从而对姿态失准角和相关误差源进行估计。参数辨识法根据SINS的误差方程，利用载体静基座真实速度为零这一观测值,对失准角误差和惯性器件误差进行估计,本质是一种递推最小二乘估计估计指标为使量测估计误差最小。在此基础上”文献提出了一种确走性递推初值设置方法，使估计结果与批处理最小二乘算法完全一致,且不必知道待估状态和量测值的任何统计信息。卡尔曼滤波的估计指标为使状态估计均方差最小,经提出便在组合导航和初始对准中获得广泛应用。在此基础上，应用于SINS对准的最优估计算法还包括鲁棒滤波算法、自抗扰滤波算法、自适应滤波算法、多模型自适应估计器等。采用非线性模
7、型进行对准时还涉及到非zk线q性滤20波1算60法22,2包括UKF(UnscentedKalmanFilter)算法和粒子滤波算法76-80,这也是近年来的硏究热点。二、摇摆基座对准传统的直接解析粗对准方式需要载体静止，但这样的条件在军事车辆上往往无法保证。在走位定向系统进行初始对准期间，载车往往存在整车调平,人员上下，弹药装填,发送机启动和发射架作动,再加上阵风或附近重型车辆经过等情况,构成了具有强角晃动和强线振动干扰的复杂环境。由于干扰角速率可能比地球自转角速率高几个数量级,地球自转信息湮没在干扰信号中,常规解析粗对准方法难以取得理想效果。如何在强晃动干扰的恶劣环境中快速完成初始对准,对
8、提高载车的机动性具有重要的意义。捷联罗经法借鉴平台罗经初始对准的经典控制理论,建立虚拟数学平台隔离干扰影响,为捷联惯导的摇摆基座自对准提供了一种解决方案，但捷联罗经对准收敛速度慢，完成初始对准需要较长时间。法国iXSea公司率先采用了一种惯性系对准方法,并在该公司生产的Phins光纤捷联惯导系统和Octans光纤捷联罗经系统中使用82,83。据Octans使用手册83介绍,其对准原理为：选用惯性坐标系作为初始对准的参考基准,通过陀螺测量运载体相对于惯性系的姿态角,并将加速度计输出在惯性系中投影，当滤除载体线运动影响后，可观测到重力矢量g随地球自转形成一圆锥面，最终可从g的运动图中确走载体姿态。
9、Gaiffe和Napolitano也先后介绍过相关方法,但由于技术保密并未透露算法细节。秦永元教授受其启发,采用惯性空间凝固假设，将摇摆基座对准转换为惯性系双矢量定姿的TRIAD算法z可以有效隔离角运动干扰。算法一经提出便成为国内摇摆基座对准的硏究热点,Gu87、赵长山88等通过转台实验验证了算法的有效性。针对摇摆基座中存在的线运动干扰,赵长山提出了时域拟合的解决方案,练军想9091提出了频域FIR数字低通滤波的解决方案。由于地球自转具有极低的频率，而载体晃动通常引入高频干扰,所以众多研究集中在量测信息的频域低通预滤波处理上92-94o此外,Wu95硏究了基于最优理论的对准算法,并推导了静基座
10、条件下的对准误差，其实质是惯性系下的q-method对准算法；孙枫教授96将加速度计比力和陀螺角速率均转换至惯性参考系，从而可以借用静基座对准的基本方法完成对准；吴枫等97给出了惯性系TRIAD算法的对准误差；朱新颖98、杨鹏翔99等在惯性系建立了状态空间模型进行卡尔曼滤波精对准；周琪100提出了一种惯性系四元数卡尔曼滤波对准算法。三、动基座对准SINS的初始对准过程一般需要5-10min时间,是影响载车机动性能的主要因素。在紧急情况下,如遭受敌方炮火攻击时,载车需要快速转移阵地”无法为惯导系统初始对准预留足够的静止时间。为了增强武器系统的机动性,提高生存力,载车在转移过程中不能丢失位置信息，
11、所以走位走向系统应当具备动基座对准能力。根据辅助信息的不同,动基座对zk准q般20分16为0传22递2对准和行进间对准两类。传递对准利用主惯导信息建立姿态、速度和位置初值，然后采用速度匹配、速度+姿态匹配、速度+角速度匹配等方法进行卡尔曼滤波精对准10M06。而在车载导航系统中,没有主惯导提供姿态信息，所以通常采用里程仪或GPS信息辅助完成行进间对准。GPS可以提供地理系的速度和位置信息”以GPS作为辅助信息源的行进间对准主要任务仍是确走载体姿态。国内外许多学者对GPS辅助行进间对准算法进行了硏究,并取得了众多研究成果07109。相关算法大体分为两类,一类是利用GPS航迹角获得初始航向,利用加
12、速度计测量水平姿态,后续采用SINS/GPS组合导航进行精对准；另一类采用GPS信息辅助进行惯性系粗对准，后续采用卡尔曼滤波精对准，或全程采用惯性系对准方法8匕空2口3，赵长山89通过分步积分法避免了惯性系对准中需对GPS速度求导的问题。国外许多车载导航系统都具备里程仪辅助的行进间对准模式，但未见算法细节的公开报道。国内现有的行进间对准算法大多假设车辆出发前已完成粗对准,至少已完成了水平调平,后续采用SINS/OD组合导航进行精对准口4小5。严恭敏提出了捷联罗经行进间对准算法81,该算法不需要初始静止时间,在车辆运动过程中完成水平调平和方位对准,但存在收敛速度慢的缺陷。练军想空6提出通过在出发
13、点和中途两次技术性停车的惯性系对准算法，其它文117,118也提出了里程仪辅助的惯性系对准方案，但这类方法的位置均通过简单航位推算获得，由于初始对准阶段方位误差大，导致位置推算精度不高,且位置误差会反过来影响方位对准精度。在此基础上，铁俊波空9通过回溯导航来提高姿态和位置对准精度，但需要存储过程数据，通常适合离线解算；严恭敏老师经过多年研究,指出在行进间对准中可将里程信息在惯性系积分120,采用递推方法提高位置和姿态的对准精度。四、多位置对准多位置对准是在静基座对准的基础上，通过IMU旋转来改善初始对准的可观测性”主要目的是提高方位对准精度。绕方位轴旋转构成双位置是一种最常用的对准方法,国内外
14、许多学者走量分析了方位转角大小与对准效果之间的关系。硏究结果表明121-123,绕方位轴转动180。的双位置对准方法能在相同时间内得到最高的对准精度,所以是最优双位置对准。文献124研究了一种解析双位置对准方案，算法简单,但受载体晃动干扰的影响严重。文献提出了基本的最小二乘双位置参数辨识法,计算量小，物理概念清晰，但绕方位轴转动90。构成第二位置,不是最优双位置对准方案。在此基础上,赵长山125硏究了基于参数辨识的最优双位置对准算法，但由于引入了回溯导航过程，存储空间和计算量大大增加,适用于离线处理而不利于实时解算。此外的大多数双位置对准方法都是基于卡尔曼滤波器进行设计的。此外，Lee121指出，若要进一步增加方位陀螺漂移的可观测性，应使俯仰角或横滚角改变90。构成第三位置,文献*26对此进行了仿真验证。
