分光再利用型激光多普勒测速仪及其与捷联惯导组合导航
激光陀螺捷联惯性导航系统的误差参数标定
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｄｅｖｉｃｅｓ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ，ｉｎ ｇｅｎｅｒａｌ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｍｕｓｔ ｐｅｒｆｏｒｍ ｎｏｒｔｈ—ｓｅｅｋｉｎｇ ａｎｄ
ｌｅｖｅｌ－ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｔｏ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒａｖｉｔｙ，ｂｕｔ ｔｈｉｓ ｉｓ ｎｏｔ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｓｈｏｏｔｉｎｇ ｒａｎｇｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｆｉｅｌｄｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｇｙｒｏ ｓｔｒａｐｄｏｗｎ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｕｓｉｎｇ １２－ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｃｏｕｎｔｅｒａｃｔ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ
文章编号：１００５－６７３４（２００８）０３－０３０６－０４
中国惯性技术学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｖ０１．１６ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２００８
激光陀螺捷联惯性导航系统的误差参数标定
杨孟兴，徐兵华
（中国航天时代电子公司第十六研究所，西安７１０１００）
摘要：惯性器件标定一般都必须对北和调平，以消除地速及重力加速度的影响，但是不适合在靶场及其它野战
中国惯性技术学报 表１组件误差参数标定位置顺序
Ｔａｂ．１ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｅｒｒｏｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，
激光捷联惯性导航系统
HT-LG-H激光捷联惯性导航系统使用说明书1 概述HT-LG-H激光捷联惯性导航系统（以下简称惯导系统）是陕西航天长城测控有限公司研制的高精度自主寻北、惯性组合导航系统。
该惯导系统由高精度激光陀螺、石英挠性加计、加计采集板、导航计算机、二次电源等部件组成，能够满足航空、陆用等设备的高精度定向/定位等功能的需求。
系统采用集成化，数字化、先进的对准导航算法等设计技术，具有高可靠性和环境适应性，可在阵风、发动机工作等严酷环境条件下完成高精度寻北；具备纯惯性导航功能，同时系统自带GPS/GLONASS卫星接收机，具有INS/GNSS组合导航功能；对外通信方式为RS-422总线。
2 主要功能与性能2.1 主要功能2.1.1 自检功能具备上电自检功能，可输出自检结果，可将故障分离到部件级。
2.1.2 初始标定功能接受外部输入的初始标定信息并完成初始标定。
2.1.3 寻北功能接受寻北指令，完成寻北并输出寻北结果。
2.1.4 导航功能完成寻北后自动转入导航状态；具有INS纯惯性导航功能和INS/GNSS组合导航功能。
2.2 主要性能惯导系统的主要性能指标如表1所示。
表1 惯导系统主要性能指标3 接口3.1 机械接口惯导系统采用4个M8-7H螺钉连接到专用过渡板上，过渡板采用4个M8-7H 螺钉安装到用户载体上，载体安装平面其平面度要求优于0.02mm；其详细要求2陕西航天长城测控有限公司见图1惯导系统机械接口图与图2过渡板接口图。
图1 惯导系统机械接口图图2 专用过渡板机械接口图 TAL:029- FAX:029-3图3 惯导系统等轴侧视图图4 惯导系统正视图3.2 电气接口3.2.1 电源接口电源接口用连接器选用的是中航光电（158厂）生产的JY27468T17B08PN圆形插座。
其接口定义如表2所示。
序号管脚号定义名称备注1 C +24V 24V电源2 E +24V 24V电源3 D 24V_GND 电源地4 F 24V_GND 电源地3.2.2 通讯接口通讯接口连接器选用的是中航光电（158厂）生产的JY27468T17B12PN圆形插座。
捷联惯导算法与组合导航原理讲义
捷联惯导算法与组合导航原理讲义一、捷联惯导算法捷联惯导（Inertial Navigation System，INS）是一种通过测量惯性传感器的运动参数实现导航定位的技术。
惯性导航系统中包括了加速度计和陀螺仪等传感器，通过测量物体的加速度和角速度，可以推算出物体的位置、速度和姿态等信息。
1.1加速度计加速度计是一种测量物体加速度的传感器。
常见的加速度计有基于压电效应的传感器和基于微机电系统（Microelectromechanical System，MEMS）的传感器。
加速度计的原理是通过测量物体受到的惯性力，推算出物体的加速度。
由于加速度是速度对时间的导数，因此通过对加速度的积分操作，可以计算出物体的速度和位移。
1.2陀螺仪陀螺仪是一种测量物体角速度的传感器。
常见的陀螺仪有机械陀螺仪和MEMS陀螺仪等。
陀螺仪的原理是基于角动量守恒定律，通过测量转动惯量的变化，推算出物体的角速度。
与加速度计类似，通过对角速度的积分操作，可以计算物体的姿态。
1.3捷联惯导算法离散时间模型中，位置、速度和姿态等状态变量通过积分加速度和角速度来更新。
由于加速度计和陀螺仪测量结果存在噪声，因此在积分操作时需要加入误差补偿算法来消除误差。
常见的误差补偿算法有零偏校正和比例积分修正等。
连续时间模型中，位置、速度和姿态等状态变量通过微分方程来描述，并通过求解微分方程来更新状态。
由于计算量较大，通常需要使用数值积分方法来求解微分方程。
常见的数值积分方法有欧拉法、中点法和四阶龙格-库塔法等。
二、组合导航原理组合导航是一种融合多种导航技术的导航方式。
常见的组合导航方式有捷联惯导与GPS组合导航。
组合导航通过融合多种导航系统的测量结果，可以提高导航定位的精度和可靠性。
2.1捷联惯导与GPS组合导航捷联惯导与GPS组合导航是一种常见的组合导航方式。
在这种方式下，捷联惯导提供了高频率的惯导数据，可以提供较高的定位精度，但是由于其测量结果累积误差较大，会逐渐偏离真实轨迹。
多普勒测速仪_捷联惯导组合导航技术研究
[作者简介] 秦瑞,助理工程师.[收稿日期] 2005210220[文章编号] 100921300(2006)0620068205多普勒测速仪/捷联惯导组合导航技术研究秦 瑞1, 王顺伟2, 袁晓峰2, 季德成2(1.海军驻中国航天科工集团第三研究院军事代表室,北京 100074;2.北京自动化控制设备研究所,北京 100074)[摘 要] 提出了利用多普勒测速仪辅助捷联惯导系统动基座对准以及基于卡尔曼滤波的组合导航方案,并对该导航方案水上实验的结果进行了分析.实验结果表明,多普勒测速仪能够有效地抑制惯导误差随时间积累的缺点,提高了导航定位的精度.[关键词] 多普勒测速仪; 捷联惯导系统; 对准; 组合导航; 卡尔曼滤波[中图分类号] TJ765.2+2 [文献标识码] AStudy of I n tegra ted Nav i ga ti on of Strap 2down I nerti a lNav i ga ti on A i ded by D VLQ in Rui 1, W ang Shun wei 2, Yuan Xiaofeng 2, J i Decheng2(1.Naval Rep resentative Bureau I n The Third Research Acade my,C ASI C,Beijing 100074,China;2.The I nstitute of Aut omatic Contr ol Equi pment of Beijing,Beijing 100074,China )Abstract:A revising method is p r oposed,in which the vel ocity of Dopp ler vel ocity l og (DVL )is used t o aid the align ment of strap 2do wn inertial navigati on syste m with DVL and the integrated navigati on based Kal m an filter .The result of surface water experi m ent de monstrates that DVL can eli m inate the accu mula 2ted err ors of inertial navigati on syste m and i m p r ove navigati on accuracy .Keywords:Dopp ler vel ocity l og; strap 2down inertial navigati on syste m; align ment; integrated navi 2gati on; Kal m an filter1 引言惯性导航是完全自主导航设备,自主完成导航任务,与外界不发生任何光、电联系,自主性好,工作不受气象条件的限制.这一独特的优点,对航行器的使用非常重要.所以,惯性导航系统作为主要的传感器在舰船、飞机、宇宙航行器上得到了广泛的应用.但是,它的误差随时间积累,难以长时间准确提供导航信息.多普勒计程仪利用反射回声波的多普勒频移能够测量水面或者是水下航行器相对水底的绝对速度或者是水流的相对速度,具有一定的实时性和自主性.利用多普勒计程仪的速度误差不随时间积累的特性,与惯导系统构成组合导航系统,是提高导航系统精度的有效途径.尤其对于水下或水面航行体无法接受卫星导航信号的情况下进行组合导航,具有一定的工程应用价值.・86・战术导弹技术 TacticalM issile Technol ogy Nove mber,2006,(6):68～72图1 DVL 辅助对准原理框图图2 DVL 辅助惯导导航系统原理框图2 多普勒测速仪的工作原理多普勒测速仪(Dopp ler vel ocity l og,DVL )是利用波的多普勒效应以及测流原理制成的声学设备,能够用来测量水流速度与方向、航行体相对地面的绝对速度以及水的深度.2.1 多普勒效应以及测流原理多普勒效应是指当机械波或电磁波的发射源与接收点间沿两者连线方向存在相对速度时,接收频率与发射频率并不相同,这一频率差称为多普勒频移.多普勒频移与载体相对速度成正比,因此,根据发射频率和多普勒频移能得出这一相对速度.这是DVL 测水速和地速的基本原理.由于水存在流动性,测流的基本原理是:声学多普勒信号发生器向水中发射固定频率的超声波短脉冲,这些超声波短脉冲碰到水中的散射体(浮游生物、泥沙等)将发生散射.从散射体返回的信号在频率上有变化(频移).从每个波速上得到的回波信号可得到水流的东向、北向以及垂向速度分量.2.2 多普勒测速仪功能及工作原理多普勒测速仪是根据声波在水中的多普勒效应制造的一种精密测速仪器.它采用三个独立的活塞型换能器产生三个向下与铅垂线成一定角度的笔形波速测量出航行体的三维速度.根据测流原理能够得到航行体相对水流的速度,该功能叫做水跟踪.同理,利用多普勒效应能够测量其相对水底的速度,叫做底跟踪.值得注意的是,底跟踪的速度不同于水层测量,因为其发射的波束必须完整地到达水底,所以DVL 要根据其对水深的初略估计自动调节发射的脉冲长度,并且当水深超过30m 时,一般不再适宜使用底跟踪.水跟踪测量的速度是底跟踪测量的速度加真实的水流速.在使用过程中,由于DVL 存在安装误差,所以在使用之前必须利用其他导航系统对其进行校准,测量出安装误差角,以便在运行时把DVL 测量出的速度转化到载体坐标系上.3 D V L 辅助惯导组合导航技术原理3.1 D V L 辅助惯导动基座对准原理多普勒计程仪有测速精度高的优点,所以可以用它测出的速度信息进行辅助动基座对准.首先,惯导系统利用地球自转角速率和重力加速度进行自主式粗对准.然后把DVL 测量的速度与惯导的速度匹配,利用卡尔曼滤波器对状态进行估计,并根据状态估计值对惯导系统进行修正,完成惯导系统的初始对准.其原理框图如图1所示.3.2 D V L 与惯导组合导航原理通过卡尔曼滤波器进行信息融合,并利用其输出的参数误差估计值直接校正系统输出的导航参数,能够将惯性导航系统和多普勒测速仪进行组合,构成具有高精度、高可靠性、高自主性的功能完善的水下组合导航系统.在校正方式的选择上,采取输出校正与反馈校正相结合的办法.估计过程中首先采用输出校正,等滤波器稳定(即估计误差稳定)后进行反馈校正,并以校正后的导航参数作为导航参数输出.如果只采用输出校正,由于惯导系统导航误差随时间积累,误差越来越大,与状态方程线性化相矛盾,可能导致滤波发散.而反馈校正是将估计的状态引入系统内部进行校正,由于卡尔曼滤波存在动态收敛・96・战术导弹技术 TacticalM issile Technol ogy Nove mber,2006,(6)过程,在过渡过程中估计精度不高,用不精确的估计值进行反馈校正效果不好,可能引起系统振荡.图2是组合导航系统的原理框图.3.2.1 D V L 测量模型用DVL 测速是基于声速的传播,声速在水中传播要受到水密度等诸多因素的影响,所以必须建立测速仪的测量模型.精确的声速测量模型需要精确的水温、水压和盐度等信息.由于盐度受水表面的蒸发、降雨量、水深度等的影响,所以某个区域的水流断面特性还和气候密切相关.在组合导航的过程中,需合理地选用DVL 的工作模式.在水深大于30m 的时候由于声速在水中传播受到衰减,测速精度受到很大影响,一般使用水跟踪模式.而在水较浅的时候,由于水流受风浪的影响,作为散射源的水流流动方向不一致,而且还存在着水流速误差,从而产生较大的测速误差.所以,在建立DVL 测速模型时,要充分考虑到诸多影响因素,并根据不同的环境选用不同的工作模式.3.2.2 系统状态方程与量测方程惯导系统的误差方程在不同坐标系下不尽相同,在本文研究中,采用的是北天东地理坐标系.取状态向量为X =(φN ,φU ,φE ,ΔV N ,ΔV E ,Δλ,ΔL,εx ,εy ,εz ,δV d ,δΔ,δC )T.其中,φN ,φU 和φE 为姿态失准角;ΔV N 和ΔV E 为北向、东向速度误差;Δλ和ΔL 为经度、纬度误差;εx ,εy 和εz 为纵向、垂向和侧向陀螺的漂移;δV d 为速度偏移误差;δΔ为偏流角误差;δC 为刻度系数误差.系统状态方程如下:φ・N=-V N RφU -(ωie sin L +V E Rtan L )φE+ΔV ER-ωie sin L ΔL +C nb (1,1)εx +C nb (1,2)εy +C nb (1,3)εz .φ・U=V N RφN +(ωie cos L +V E R)φE ++ΔV ERtan L +(ωie co s L +V E Rsec 2L )ΔL +C n b (2,1)εx +C n b (2,2)εy +C nb (2,3)εz .φ・E =(ωie sin L +V E Rtan L )φN -(ωie cos L +V ER )φU +ΔV N R+C nb (3,1)εx +C nb (3,2)εy +C nb (3,3)εz .ΔV ・N =f E ・φu -f U ・φE -2(ωie sin L +V E Rtan L )ΔV E -(2ωie V E co s L +V E V NRsec 2L )ΔL + N .ΔV ・N =f U ・φE -f N ・φU +(2ωie sin L +V E Rtan L )ΔV N +V ER tan L ΔV E +(2ωie V N co s L +V E V NRsec 2L )ΔL + E .Δλ・=ΔV ERsec L +V ER sec L tan L ΔL.ΔL ・=ΔV NR .ε・x =-1T g εx +ωx .ε・y =-1T g εy +ωy .ε・z =-1T gεz +ωx .其中,f N ,f U 和f E 分别为三个加速度计测得的比力在导航坐标系上的分量;V N ,V E ,L 和λ为惯导系统导航参数输出; N 和 E 为加速度计随机噪声,服从零均值正态分布.根据多普勒计程仪工作原理,它测量载体相对海底的速度和偏流角,测量误差主要有速度偏移误差δV d ,偏流角误差δΔ,刻度系数误差δC.δV d 和δΔ用一阶马尔可夫过程表示,δC 为随机常数.相应误差状态方程为δV d =-1T gδV d +w d ,δΔ=-1T gδΔ+w Δ,δC =0.(1)其中,w d 和w Δ为激励白噪声.取SI N S 解算速度和DVL 测量速度之差作为观・07・战术导弹技术 TacticalM issile Technol ogy Nove mber,2006,(6)图4 纯惯导导航纬度误差测量,得系统观测向量为Z k=δV N -δV dNδV E -δV dE.(2)3.2.3 卡尔曼滤波器上述的状态方程和观测方程可以表示成:X ・=A (t )X +G W.Z k =H k X k +V k .(3)式中,量测噪声为v =[v kN v kE ],系统观测矩阵H 为H =00-V N 1000000-sin k d -V N -V E00 V E 0100000-cos k d V E -V N.其中,k d 表示考虑偏流角的航迹方向.系统的状态方程是连续线性的,观测方程是离散线性的.将状态方程离散化为X k =<k,k -1X k -1+Γk,k -1W k -1,Z k =H k X k +V k .(4)式中,<k,k -1为状态转移矩阵,Γk,k -1为模型噪声转移矩阵,W k 为模型噪声,H k 为观测矩阵,V k 为观测噪声.离散卡尔曼滤波方程如下:状态一步预测:X ^k /k -1=<k,k -1X ^k -1.(5) 状态估计:X ^k =X ^k /k -1+K k (Z k -H k X ^k /k -1).(6) 滤波增益:K k =P k /k -1H Tk (H k P k /k -1H Tk +R k )-1.(7) 一步预测均方误差:P k /k -1=<k,k -1P k -1<k,k -1T +Q k -1.(8) 估计均方误差:P k =(I -K k H k )P k /k -1(I -K k H k )T+K k R k K Tk .(9)4 实验验证为了检验上述组合导航系统方案的可行性,在某地进行了摸底实验.利用GPS 的速度和位置作为测量基准,分别进行了以下三种实验:(1)DVL测速实验,测试测速效果;(2)DVL 辅助惯导系统对准实验并测试了纯惯导导航精度,以检验DVL 辅助惯导水上动基座对准的效果;(3)DVL 辅助惯导系统对准及组合导航实验,测试了组合导航精度,以检验惯导/DVL 组合导航的效果.4.1 D V L 测速实验取水上实验的一组测速数据分析,误差曲线如图3所示.从图中可以看出,DVL 测速精度较高,为与惯导系统组合提供了基准条件.多普勒测速仪在通电开始阶段,测速误差较大,这和DVL 的安装失准角相关.经过校准后,其测速精度明显得到了提高.图3 DVL 测速误差4.2 D V L 辅助惯导系统水上动基座对准及纯惯导导航实验利用DVL 提供的测速信息辅助惯导系统进行了对准实验,实现了水上动基座对准,对准后惯导系统在纯惯性工作状态下工作.导航1h 的经纬度(位置)误差曲线见图4和图5,导航综合误差达到1.6n m ,表明水上动基座对准效果良好.・17・战术导弹技术 TacticalM issile Technol ogy Nove mber,2006,(6)图5 纯惯导导航经度误差图6 DVL 与惯导组合导航纬度误差图7 DVL 与惯导组合导航经度误差4.3 D V L 与惯导组合导航实验精度测试惯导系统对准后,导航1h,纯惯导误差已经达到3470.5m ,而用DVL 辅助惯导进行组合导航,导航误差只有几米,见图6和图7,实验数据见表1.多普勒测速仪与惯导系统组合,惯导误差随时间发散的问题得到了很好的抑制.表1 纯惯导与组合导航定位误差统计结果t /m in0102030405060纯惯导导航纬度误差/m 31510924347018503090组合导航纬度误差/m 252-21-8-3纯惯导导航经度误差/m -12-57-179-354-1057-1308-1580组合导航纬度误差/m-1-4-2-9-5-6-15 结 论利用DVL 辅助惯导系统的技术方案可以实现水上动基座对准及组合导航,可以有效地克服惯导导航误差随时间发散的缺点,提高了导航系统的精度.[参 考 文 献][1] M ikael B liksted Larsen .H igh Perfor mance Dopp ler 2I ner 2tial Navigati on Experi m ent Result [C ].I EEE,2000.[2] Steve Beiter,B ill San Fili po .Precisi on Hybird Navigati onSyste m f or Varied M arine App licati ons[C ].I EEE,1998.[3] 曹洁,刘繁明.AUV 中SI N S/DVL 组合导航技术研究[J ].中国航海,2004,(2).[4] 秦永元,等著.卡尔曼滤波与组合导航原理[M ].西安:西北工业大学出版社,1998.・27・战术导弹技术 TacticalM issile Technol ogy Nove mber,2006,(6)。
无人机导航定位技术简介与分析
无人机导航定位技术简介与分析无人机导航定位工作主要由组合定位定向导航系统完成，组合导航系统实时闭环输出位置和姿态信息，为飞机提供精确的方向基准和位置坐标，同时实时根据姿态信息对飞机飞行状态进行预测。
组合导航系统由激光陀螺捷联惯性导航、卫星定位系统接收机、组合导航计算机、里程计、高度表和基站雷达系统等组成。
结合了SAR 图像导航的定位精度、自主性和星敏感器的星光导航系统的姿态测定精度，从而保证了无人飞机的自主飞行。
无人机导航是按照要求的精度，沿着预定的航线在指定的时间内正确地引导无人机至目的地。
要使无人机成功完成预定的航行任务，除了起始点和目标的位置之外，还必须知道无人机的实时位置、航行速度、航向等导航参数。
目前在无人机上采用的导航技术主要包括惯性导航、卫星导航、多普勒导航、地形辅助导航以及地磁导航等。
这些导航技术都有各自的优缺点，因此，在无人机导航中，要根据无人机担负的不同任务来选择合适的导航定位技术至关重要。
一、单一导航技术1 惯性导航惯性导航是以牛顿力学定律为基础，依靠安装在载体(飞机、舰船、火箭等)内部的加速度计测量载体在三个轴向运动加速度，经积分运算得出载体的瞬时速度和位置，以及测量载体姿态的一种导航方式。
惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。
惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪。
三自由度陀螺仪用来测量飞行器的三个转动运动;三个加速度计用来测量飞行器的三个平移运动的加速度。
计算机根据测得的加速度信号计算出飞行器的速度和位置数据。
控制显示器显示各种导航参数。
惯性导航完全依靠机载设备自主完成导航任务，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，不受气象条件限制，是一种自主式的导航系统，具有完全自主、抗干扰、隐蔽性好、全天候工作、输出导航信息多、数据更新率高等优点。
实际的惯性导航可以完成空间的三维导航或地面上的二维导航。
2 定位卫星导航定位卫星导航是通过不断对目标物体进行定位从而实现导航功能的。
11惯性导航与组合导航作业(无水印)
惯导作业一、填空题1.惯性导航系统是一种不依赖任何外部信息、也不向外部辐射能量的______导航系统。
答案：自主式2.不依赖外界信息，只靠对载体本身的______、来完成导航任务的技术称做惯性导航，也称为自主式导航答案：惯性测量3. 加速度计其输出一般是______、，但在积分加速度计的情况下则输出为______、。
答案：速度、加速度4. 惯性器件就是测量载体______、和______、参数的传感器。
答案：线运动、角运动5. 加速度经过一次积分可以得到______，经过二次积分得到______。
答案：运动速度、运动距离6. 描述角运动的参数有______、______。
答案：姿态角、姿态角速度7. 描述线运动的参数有______、______、______。
答案：位移、速度、加速度8. 高速旋转的自由陀螺仪，当不受外力矩作用时，其主轴将保持它在空间的______方向不变。
答案：初始9. 由表观运动所引起的陀螺______偏离当地地垂线的误差，称之为陀螺仪的“表观误差”。
答案：自转轴二、单选题1．陀螺自转轴方向相对惯性空间保持不变，以地球作为参考基础，陀螺自转轴相对地球表面的转动，为（）。
A．表观运动B．自转运动C．定轴运动D．进动运动答案：A三、多选题（每题1分）1．惯性导航系统的核心有（）A．加速度计、B．陀螺仪C．导航计算机D．GPS答案：ABC2．惯性导航系统的基本组成（）A．加速度计B．模拟某一坐标系的惯性平台C．导航计算机D．控制显示器答案：ABCD3．激光陀螺特点有哪些（）。
A．抗干扰能力弱B．启动快C．动态特性较宽D．稳定性好答案：BCD4.关于组合导航系统，下列说法正确的是（）。
A．提高导航系统的精度B．提高导航系统的可靠性C．提高导航系统的安全性D．启动快答案：ABC四、判断题1. 一个沿直线运动的载体，只要借助于加速度计测出它的加速度，那么，载体在任何时刻的速度和相对出发点的距离就可以实时地计算出来。
捷联式惯性导航系统
1 绪论随着计算机和微电子技术的迅猛发展，利用计算机的强大解算和控制功能代替机电稳定系统成为可能。
于是，一种新型惯导系统--捷联惯导系统从20世纪60年代初开始发展起来，尤其在1969年，捷联惯导系统作为"阿波罗"-13号登月飞船的应急备份装置，在其服务舱发生爆炸时将飞船成功地引导到返回地球的轨道上时起到了决定性作用，成为捷联式惯导系统发展中的一个里程碑。
捷联式惯性导航(strap-down inertial navigation)，捷联（strap-down）的英语原义是“捆绑”的意思。
因此捷联式惯性导航也就是将惯性测量元件（陀螺仪和加速度计）直接装在飞行器、舰艇、导弹等需要诸如姿态、速度、航向等导航信息的主体上，用计算机把测量信号变换为导航参数的一种导航技术。
现代电子计算机技术的迅速发展为捷联式惯性导航系统创造了条件。
惯性导航系统是利用惯性敏感器、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式航位推算导航系统。
在工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰破坏。
它完全是依靠载体自身设备独立自主地进行导航，它与外界不发生任何光、声、磁、电的联系，从而实现了与外界条件隔绝的假想的“封闭”空间内实现精确导航。
所以它具有隐蔽性好，工作不受气象条件和人为的外界干扰等一系列的优点，这些优点使得惯性导航在航天、航空、航海和测量上都得到了广泛的运用[1]1.1 捷联惯导系统工作原理及特点惯导系统主要分为平台式惯导系统和捷联式惯导系统两大类。
惯导系统（INS）是一种不依赖于任何外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统，具有隐蔽性好，可在空中、地面、水下等各种复杂环境下工作的特点。
捷联惯导系统（SINS）是在平台式惯导系统基础上发展而来的，它是一种无框架系统，由三个速率陀螺、三个线加速度计和微型计算机组成。
平台式惯导系统和捷联式惯导系统的主要区别是：前者有实体的物理平台，陀螺和加速度计置于陀螺稳定的平台上，该平台跟踪导航坐标系，以实现速度和位置解算，姿态数据直接取自于平台的环架；后者的陀螺和加速度计直接固连在载体上作为测量基准，它不再采用机电平台，惯性平台的功能由计算机完成，即在计算机内建立一个数学平台取代机电平台的功能，其飞行器姿态数据通过计算机计算得到，故有时也称其为"数学平台"，这是捷联惯导系统区别于平台式惯导系统的根本点。
激光捷联惯性／卫星组合导航系统基本原理及应用情况
Ｓ ／ＧＮＳ Ｓ
的应用则刚刚起步 。本文简要介绍 了激光捷联惯性／ 卫星组合导航系统 的基本原理及应 用情况 。
关 键 词 激光 捷 联 惯 性／ 星 组 合 导航 系统 卫
Ｒａ ｉ ａ ｅ ａ ｔｏｎ ｌ ｎｄ Ａｐｐ ｃ ｔｏ ｏ ｓ ｒ ｉ ｆ ａ ｉ ｎ ｆＬａ ｅ
激 光 喷导 系统在 结构 安排上 最大 特 点是 没 有机 械 式 陀螺 稳 定平 台。它 将 三个 机 械 抖动 激
光 （ 自由度） 单 陀螺和三个加速度计直接固连在载体上 ， 组成三维坐标系。其系统工作原理可总 结 如下 ：
（ １ ）由惯 性测量 元件 （ 加速 度计 和激 光 陀螺 仪 ） 出载 体 坐标 系相对 于 惯性 坐标 系 的加 速度 给
２
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维普资讯
第 ４期
王庆伟 ： 激光捷联惯性／ 卫星组合导航系统基本原理及 应用情 况
２ 控制 电路 ）
包括伺服回路、 信号处理与控制电路 ， 其功能是对传感器提供的信号进行处理 ， 转换为标准 数字 信息 。
３ 模／ 转换 电路 ） 数 将处 理好 的数据转 换为 计算机 能识别 的数字 形式 。 ４ 系统 控制／ ） 数据处 理模块 该 部分 主要 功能如 下 ：
Hale Waihona Puke ＷａｇＱｎ ｗ ｉ ｎ ｉｇ ｅ
（ ｏ ｇｕＡ ｉ ｉ ｄ ｓ ｙＧ ｏ ｐ Ｈ ｎ ｄ ｖａ ｏ Ｉ ｕｔ ｒｕ ） ｔｎ ｎ ｒ
Ａｂ ｔａ ｔ Ｌ Ｉ ／ ｓｒ ｃ ＳＮＧ ＧＮＳ Ｓ，ａ ｋｎ ｆｎ ｖｇ ｔ ｎ ｅ ｕｐ ｎ ，ｉ ｃ ｍｐ ｅ ｅ ｓ ｅｙ ａ ｐ ｉｄ ｏ ｉｄ ｏ ａ ｉａｉ ｑ ｉｍｅ ｔ ｓ ｏ ｒｈ ｎ ｉ ｌ ｐ ｌ ｎ ｏ ｖ ｅ
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速度/(km/h)
台，转速稳定性高达 10-5。通过软件控制转台在某一
(a) (a)
相对误差/%
三种设备所得速度曲线
Velocity curves of the three devices,
时间/s
图4
LDV 速度误差曲线
时间/h
Fig.4 Velocity error of LDV
图2
分光再利用型激光多普勒测速仪的光路布置
fD
2v cos
(1)
Fig.2 Optical arrangement of split-reuse type LDV
式中, f D 是多普勒频率，v 是待测物体的运动速度，
是测速系统的发射倾角， 是激光束的波长。通过探 测多普勒频率即可解算出物体的运动速度
(College of Optoelectronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China) Abstract: In order to suppress the error accumulative effect of INS(inertial navigation system), an idea of building an integrated navigation system using laser Doppler velocimeter(LDV) together with strapdown inertial navigation is proposed. A novel LDV with advanced optical structure is designed based on split-reuse technique. And the process of dead-reckoning using LDV and strapdown inertial navigation is discussed. The results of theory and experiment show that the accuracy, data validity and stability of the split-reuse type LDV are excellent, which can significantly improve the positioning accuracy of the vehicle navigation system. The position error of 2 h 1166 m with the pure strapdown inertial navigation is decreased to 2 h 20 m by using the integrated system. Key words: laser Doppler velocimeter; strapdown inertial navigation; split-reuse type; dead reckoning 随着惯性技术的飞速发展，导航系统越来越广泛 地引起人们的重视，已成功应用于军用与民用的众多 技术领域中，如宇宙飞船、火箭、导弹、飞机、坦克、 舰船等各种运载器上。作为最有发展前途的一种导航 系统，惯性导航系统(inertial navigation system，INS) 具有完全自主、隐蔽性好、不依赖环境条件、抗干扰 能力强等诸多优点。但是 INS 的误差随时间积累，这 就导致它的定位误差随工作时间而发散 。 为了提高导航精度， 对于车载惯性导航系统而言，
[1]
零速修正技术[2-4]已经得到了广泛的应用，但是它需要 车式载体周期性地停止， 这大大影响了载体的灵活性和 机动性。另外，里程计、多普勒计程仪和白光测速仪也 常常被用来与捷联惯导系统进行组合导航[5-7]，但是它 们都存在固有的缺陷。 里程计受地面环境影响较大， 车 轮跳动、 打滑及变形都会给测量带来误差。 多普勒计程 仪通常以声波或微波为媒介，而声波或微波的方向性 差，从而导致其测量精度不高。白光测速仪是基于空 间滤波技术，它的测量景深非常小，信号丢失非常严
图1 Fig.1
传统参考光模式激光多普勒测速仪光路结构
Optical structure of conventional reference-beam LDV
为了解决传统参考光束型激光多普勒测速仪中光 能利用率低的问题，文章基于分光再利用的思想，设 计了新型光路结构的 LDV，如图 2 所示。新型结构的 LDV 将传统参考光模式中本振光路中的衰减片换成 一个 45°放置的高反射率镜片 BS2，这样一方面既保 持了原结构中参考波与回波强度匹配的优点；另一方 面，通过增加高反镜 M3 和中心带孔的高反镜 M4 使 得原结构中被衰减片衰减掉的那部分光又重新被利用 起来，大大增强了探测光的光强，从而提高了回波信 号的强度，也进一步提高了测量准确性。
图 7 为航迹推算的结果， 其中图 7(a)是 IMU 航迹 推算的位置误差曲线，图 7(b)是 LDV 与 IMU 组合系 统航迹推算的位置误差曲线。
纬度/(°)
纬度/(°)
经度/(°)
图3 Fig.3
LDV 与捷联惯导组合系统的结构框图
经度/(°)
Hale Waihona Puke Structure of the integrated system using LDV together with strapdown inertial navigation
图 5 车式载体运行路线 Fig.5 Running path of the vehicle
v
fD 2 cos
(2)
由光路结构分析可知，为了与微弱的散射回波匹 配而获得较高的外差效率，参考光的主要能量被衰减
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中国惯性技术学报
第 22 卷
运行直线，根据运行距离来标定 LDV 的比例因子， 最后利用捷联惯导的航向信息和 LDV 的速度信息进 行航迹推算。
其中图 6(a)是三种设备所得的速度曲线， 图 6(b)是以 GPS 测得的速度值为参考，IMU 及 LDV 的速度误差曲线。
第4期
聂晓明等：基于外推和级联积分梳状滤波器的多普勒插值方法
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重， 常用的软件补偿方式使得其测量精度得不到保证。 自从 1964 年 Yeh 等人证实了可利用激光多普勒 频移技术来确定流体速度[8]，激光多普勒测速仪(laser Doppler velocimeter, LDV)就以其测量精度高、线性度 好、动态响应快、测量范围大及非接触测量等特点在 航空、航天、机械、能源等领域得到快速的发展[9-11]。 然而，针对实际应用环境，LDV 在信号丢失、测量景 深与精度不足、稳定性差等方面的困难，导致其在惯 性导航系统中迟迟得不到应用。为了对车载惯性导航 系统进行速度校准与修正，本文设计分光再利用型激 光多普勒测速仪并将其与捷联惯导组合导航，在不影 响载体灵活性、机动性的基础上大大提高导航精度。
1.2 LDV 与捷联惯导组合进行航迹推算 新型结构的 LDV 测量精度高，数据有效性好， 所以可以用其与捷联惯导组合进行航迹推算， 组合系 统的结构框图如图 3 所示。 首先捷联惯导需要在静态 条件下依靠 GPS 的位置信息进行快速对准；其次由 于 LDV 在安装过程中存在安装误差角，这就导致 LDV 的比例因子存在安装误差，需要借助车式载体
Split-reuse type laser Doppler velocimeter and its integrated navigation with strapdown inertial navigation
NIE Xiao-ming, ZHOU Jian, WEI Guo, LONG Xing-wu
第 22 卷第 4 期 2014 年 8 月 文章编号： 1005-6734(2014)04-0510-04
中国惯性技术学报 Journal of Chinese Inertial Technology
Vol.22 No.4 Aug. 2014 doi: 10.13695/ki.12-1222/o3.2014.04.016
收稿日期：2014-01-30；修回日期：2014-06-16 基金项目：国防自然科学基金项目（61308060） 作者简介：聂晓明（1986—） ，男，在读博士生，主要从事光学检测技术方面的研究。E-mail：thudpim@ 联 系 人：龙兴武（1958—） ，教授，博士生导师。E-mail：xwlong110@
Fig.6
速度差/(km/h)
(b) IMU、LDV 速度误差曲线 (b) Velocity error curves of IMU and LDV compared with GPS 图6 GPS、IMU 和 LDV 速度测量结果.;
Velocity measurement results of GPS, IMU and LDV.
了，激光束的能量没有得到充分利用，这会大大影响 多普勒信号的强度。由于信号光两次经过分束器，依 次是透射和反射，所以并不能通过改变分束器分束比 的方式来提高光能利用率。
1 LDV 基本原理及其与捷联惯导组合进行航迹推算
1.1 分光再利用型激光多普勒测速仪的基本原理 激光多普勒测速技术是基于光学多普勒效应，利 用运动物体散射光的多普勒频移与其运动速度之间的 线性关系，通过探测多普勒频率检测出被测物体的运 动速度。激光多普勒常见的测量模式有三种：双光束 差动模式、参考光模式和自混合模式，其中参考光模 式适合测量车式载体自身的速度。这是因为，双光束 差动模式不能进行离焦测量( 待测体必须始终位于两 束光的相交区)，而车式载体在运行过程的颠簸摇摆， 会改变探头到地面的距离；自混合模式，由于它是通 过检测激光器后端输出光强的波动频率进行测量的， 所以当工作电流和外界温度发生改变时，光强也会相 应地改变，这将严重影响多普勒频率测量精度。 传统参考光模式激光多普勒测速仪的光路结构如 图 1 所示， 激光器出射的激光束被分成等光强的两束， 一束作为参考光被全反镜返回入射到探测器；另一束 作为信号光经被测物体散射沿原路返回，最终与参考 光在探测器的光敏面上进行混频。根据多普勒效应可 知，信号光与参考光的频率差即多普勒频率与物体运 动速度成正比，两者之间的关系为