惯导 惯性导航系统的初始对准
惯导初始对准原理
惯导初始对准原理
为了满足载体在运动过程中保持相对静止的要求，惯性导航系统必须提供精确的初始位置和姿态信息，初始对准就是将载体运动过程中产生的姿态信息和导航系统输出的方位信息进行匹配，以得到载体运动方向。
初始对准在惯性导航系统中占有重要地位，是保证惯性导航系统精度的关键环节之一。
初始对准是指将惯性导航系统输出的速度、位置、姿态信息进行匹配，使载体运动过程中产生的姿态和速度信息在惯性器件中具有一一对应的关系。
初始对准的过程也就是进行载体运动误差补偿的过程。
载体运动误差补偿的方法有很多种，最常用也是最直接的方法是采用基于运动学理论的算法进行补偿，通常采用矢量滤波技术和线性化技术进行误差补偿。
惯性导航系统初始对准时，首先需要对载体上安装的各种陀螺仪和加速度计进行校准。
校准工作完成后，就可以根据系统输出的初始速度、初始位置信息以及各轴上安装位置误差情况对惯性导航系统进行初始对准了。
—— 1 —1 —。
-初始对准
捷联惯导系统的 静基座初始对准1．初始对准惯性导航系统是根据测得的运载体的加速度，经过积分运算求得速度与位置的，因此，必须知道初始速度和初始位置。
此外，在以地理坐标系为导航坐标系的惯导系统中（包括平台式和捷联式），物理平台和数学平台都是测量加速度的基准，而且平台必须准确地跟踪地理坐标系，以避免由平台误差引起加速度测量误差。
在惯性系统加电启动后，平台的三轴指向是任意的，平台一般不在水平面内，又没有确定的方位，因此在系统进入导航工作状态前，必须将平台的指向对准，此过程便称为惯性系统的初始对准。
初始对准的精度直接关系到惯导系统的工作精度，初始对准的时间是惯导系统的重要战术技术指标。
因此，初始对准是惯导系统最重要的关键技术之一。
2．初始对准的分类（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，要求尽快地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。
第二阶段为精对准：它是在粗对准的基础上进行的，要求在保证对准精度的前提下尽量快。
（2）按对准的轴系来分在以地理坐标系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。
在平台式惯导系统中，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。
在捷联式惯导系统中，对数学平台进行对准时，一般情况下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处于运动状态下进行的。
（4）按对准时对外信息的需求来分惯导系统只依靠重力矢量和地球速率矢量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。
非自主对准可通过机电、光学或其它方法将外部参考坐标系引入系统，使平台对准至导航坐标系。
3．初始对准的要求惯导系统不论用于运载体导航还是武器弹药中的制导，都要求初始对准保证必需的准确性与快速性。
第2讲：初始对准
E
=
gr E
× ωr E
则
r V
b
=
CEbVrE
上述三个矢量关系可写成
⎡ grb ⎤
⎡ gr E ⎤
⎢⎢⎢⎣Vωrrbb
⎥ ⎥ ⎥⎦
=
CEb
⎣⎢⎢⎢Vωrr
E E
⎥ ⎥ ⎥⎦
可得
8
⎡(gr E )T ⎤−1⎡(grb )T ⎤
CbE
=
⎢⎢⎢⎣((Vωrr
E E
)T )T
⎥ ⎥ ⎥⎦
⎣⎢⎢⎢((Vωrrbb
ANα
+ ∆Aζ
15
[ ] 式中： AE = AE AN Aζ T 是定义在地理坐标系中的 SINS 的绝对运动加速度矢量； [ ] δAE = ∆ AE ∆AN ∆Aζ T 是定义在地理坐标系中的加速度计输出误差矢量。
（3）位置误差方程 位置误差指的是纬度误差与经度误差，因在 SINS 中经度误差方程的 动态方程具有开环特性，一般对经度误差方程不予考虑。
gωe
cosϕ
0
0]
（⎡ gr E）T
（（⎢⎢⎢⎣ Vωrr
E）T E）T
⎤ −1 ⎥ ⎥ ⎥⎦
=
⎡ ⎢ ⎢ ⎢− ⎢ ⎢ ⎢
0
1 tgϕ
g −1
⎣g
0
1
ωe cosϕ
0
−1 ⎤
gωe
cos
ϕ
⎥ ⎥
0
⎥ ⎥
⎥
0⎥
⎦
显然，只要ϕ 不等于90o，上式的逆就存在，变换矩阵CbE 是通过计算
机可以计算的。
10
4.2 精对准
实际上，由于受到干扰角振动和干扰加速度的影响，以及加速度计和 陀螺仪测量误差的存在，加速度计测得并不是重力加速度矢量 gr ，而是 gr + ∇r a + ar f（其中∇r a为加速度计的测量误差，ar f 为干扰加速度），陀螺仪
惯导 惯性导航系统的初始对准资料
R
静基座惯导系统误差方程
对应的方块图为
主要内容
概述 静基座惯导系统误差方程 单回路的初始对准 陀螺漂移的测定 捷联式惯导系统的初始对准
若：假定载体 所在地的纬 度是准确知 道的
0 则：
静基座惯导系统误差方程
假定载体处于地面静止状态， 于是惯性导航系统误差方程式可简化为
2 sin V g A V E e N E 2 sin V g A V N e E N V N
惯性导航篇——惯性导航系 统的初始对准
主要内容
概述 静基座惯导系统误差方程 单回路的初始对准 陀螺漂移的测定 捷联式惯导系统的初始对准
主要内容
概述 静基座惯导系统误差方程 单回路的初始对准 陀螺漂移的测定 捷联式惯导系统的初始对准
概述
什么是初始对准？ 初始对准有任务？ 初始对准的类型？
什么是初始对准？
北向和东向 加速度计的 零位误差
R V N e cos e sin E R VE sin sin e e N R tan VE e cos e cos R
静基座惯导系统误差方程
假定载体处于地面静止状态， 于是惯性导航系统误差方程式可简化为
2 sin V g A V E e N E 2 sin V g A V N e E N V N
Байду номын сангаас
R V N e cos e sin E R VE sin sin e e N R tan VE e cos e cos R
为计算值与真 实值的之差
第六章光学捷联惯导系统初始对准要点
对准结果
零速
6.2 自对准技术
对准精度分析
N1 g(V& E2DVNE)
E1g(V& N2DVEN)
D g 1 N (V N 3 D V & E 2 2 D V N D E ) E N
6.2 自对准技术
N
E
E g
N
g
D
E
E
tgL
N g
光学惯性测量与导航系统
Optic Inertial Measurement & Navigation System
主 讲： 杨功流 教授 晁代宏 讲师 张小跃 讲师
电 话： 9664，6542-823
第六章 光学捷联惯导系统初始对准
6.1 捷联惯导系统初始对准基本原理 6.2 自对准技术 6.3 传递对准技术
6.2 自对准技术
解析式粗对准
粗对准阶段的首要要求是快速性，对精度的要求较低。在进 行解析式粗对准时，要求载车静止，同时要求当地的经度、纬 度为已知量。 这样，重力加速度g和地球自转角速率在导航坐 标系中的分量是确定的常值，在载体坐标系中的分量也可以通 过惯性器件测得。通过惯性器件的测量值可以直接计算出初始 捷联矩阵。
6.1 捷联惯导系统初始对准基本原理
惯性导航系统是一种积分推算系统，这就需要预先给定积 分初始值（包括位置、速度和姿态）。 载体的位置与速度初值较易得到，如在静止状态下开始导 航时，初始速度为零，也可利用外部数据直接装订。 初始姿态值相对而言较难得到，这时需依赖惯导系统的初 始对准过程来实现。 初始对准的精度、对准时间直接影响导航系统精度和准备 时间，所以初始对准技术一直是惯导系统的关键技术之一。
6.2 自对准技术
动基座条件下舰载武器捷联惯导系统初始对准研究
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。
捷联惯性导航系统初始对准原理
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。
车载捷联惯导初始对准技术研究
摘要捷联惯性导航系统（Strapdown Inertial Navigation System,SINS）已经在军事、民用等领域得到了广泛应用。
初始对准作为整个捷联惯导系统工作前的关键步骤，其精度决定了整个导航系统的精度。
车载捷联惯导初始对准分为静基座初始对准和动基座初始对准，其技术指标主要包括对准精度和对准时间。
本课题针对车载捷联惯导系统实际工作环境中出现的惯性器件启动漂移、静基座初始对准过程中人为噪声干扰以及动基座初始对准过程中全球定位系统（Global Positioning System,GPS）速度误差和噪声失配等问题，提出相应的解决办法，具体研究内容如下：首先，针对车载捷联惯导系统初始对准情况下光纤陀螺和加速度计出现启动漂移的问题，通过采集分析光纤陀螺和加速度计在不同温度下启动的实测数据，研究了光纤陀螺和加速度计漂移与温度及温度变化率之间的关系，通过对目前光纤陀螺和加速度计漂移补偿模型进行简化，减小了计算量，实测数据验证了简化的模型能够有效补偿惯性器件启动漂移并缩短系统初始对准时间。
其次，针对车载捷联惯导系统静基座初始对准过程中人为噪声干扰的问题，通过采集车载捷联惯导静基座下人员上下车、驻车发动机启动等情况的惯性器件数据输出，分析了其噪声特性，提出了改进的基于小波阈值策略的经验模态分解降噪算法，实测数据验证了该方法的降噪效果以及对提高静基座下初始对准算法稳定性的有效性。
然后，针对动基座初始对准过程中GPS速度误差导致量测矢量误差增大的问题，提出了基于鲁棒反馈策略的惯性系初始对准算法，该方法基于前一个时刻估计的姿态预测当前时刻的量测矢量，并根据当前时刻的量测矢量求得当前时刻的方差，对前一个时刻的方差和当前时刻的方差进行比较并基于鲁棒控制的策略对当前量测矢量进行调整和反馈，仿真和实测数据验证了该方法能够有效提高动基座对准精度。
最后，针对动基座初始对准过程中噪声失配的问题，通过对姿态误差进行分析建立系统状态空间模型，并引入无偏有限冲击响应（Unbiased Finite Impulse Response,UFIR）滤波的思想，提出了基于UFIR的惯性系初始对准算法，UFIR滤波器不需要像卡尔曼滤波器（Kalman Filter,KF）一样设置Q阵和R阵，其利用观测窗长内的有限测量数据进行无偏状态估计，降低了系统噪声和量测噪声特性未知或者改变时对姿态估计的影响，仿真和实测数据验证了该方法的有效性。
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1）从北向加矩信号可以直接看出 北向陀螺的漂移角速度值 2）在东向加矩信号中，不能区分 出东向陀螺漂移角速度值不 如何测试东向陀螺漂移角速度值？
陀螺漂移的测定—水平陀螺漂移 的测定
在完成北向陀螺漂移角速度的测试后， 将平台旋转90°，使原来的东向陀螺敏 感轴处于北向位置。 开始第二个位置的测漂工作，这时的测 试平衡方程式为
静基座惯导系统误差方程
进一步简化得
g A V E E g A V N N VN e cos e sin E
VE e sin N R tan VE e cos R
二阶水平对准回路(K3=0)
(s) s K1s (1 K2 )
2 2 s
根据精度和对准时间的要求，确定相应 的 K值
单回路的初始对准—方位对准
系统误差 方块图
单回路的初始对准—方位对准
结论：北向加速度计与与东向陀螺组成 的水平对准回路与方位回路有较大的交 叉影响，称为罗经效应。 即当平台正确取向时，东向陀螺将不敏 感地球自转角速度分量。 利用这个加速度计输出信号，使其通过 一个适当的补偿环节再加给方位陀螺仪 的力矩器，从而使平台在方位上进动， 一直到地球自转角速度分量不再被东向 陀螺所敏感，这样就消除了方位误差角。
惯性导航系统在正式工作之前的准备工 作 使惯性导航系统所描述的坐标系与导航 坐标系相重合，使导航计算机正式工作 时有正确的初始条件，如给定初始速度， 初始位置等，这些工作统称为初始对准。 如给定初始速度为零
初始对准有任务？
研究如何使平台坐标系(含捷联惯导 的数学平台)按导航坐标系定向，为 加速度计提供一个高精度的测量基 准，并为载体运动提供精确的姿态 信息。
e cos N E N E
陀螺漂移的测定—方位陀螺漂移 的测定
方位陀螺漂移的测定的控制回路
计算方 位角
指北方 位角
当系统处于稳态时，有
c (e sin c e sin ) 0
初始对准的类型——自对准技术
自对准技术是一种自主式对准技术，它 是通过惯导系统自身功能来实现的。 地球上的重力加速度矢量和地球自转角 速度矢量是两个特殊的矢量 自对准的基本原理是基于加速度计初始对准的类型——自对准技术
半解析式惯性导航系统 在理想情况下，①它的东向和北向加速 度计就不敏感当地重力加速度g ， 此时 可认为平台位于当地水平面内，②而东 向陀螺则不敏感地球自转角速度分量， 在满足上述两种约束的条件下，则可说 平台坐标系和地理坐标系重合。
惯性导航篇—惯性导航系统 的初始对准
主要内容
概述 静基座惯导系统误差方程 单回路的初始对准 陀螺漂移的测定 捷联式惯导系统的初始对准
主要内容
概述 静基座惯导系统误差方程 单回路的初始对准 陀螺漂移的测定 捷联式惯导系统的初始对准
概述
什么是初始对准？ 初始对准有任务？ 初始对准的类型？
什么是初始对准？
陀螺漂移的测定
本节所讲述的陀螺漂移的测定，是指系 统在使用前完成的。即在通电后和导弹 发射前这段时间内完成的。 惯性导航系统中的平台，实质上可看做 一个多轴陀螺漂移测试伺服转台或位置 台，因此可以借用常规的实验室陀螺漂 移测试方法。 本节只讲述在初始对准时的测漂基本原 理。
陀螺漂移的测定—水平陀螺漂移 的测定
单回路的初始对准—水平精对准
等效方块图为
得到平台偏差角和上述干扰量之间的传递 三阶水平对准回路的特征方程：
(s) s K1s (1 K2 ) s K3 R g 2 s R
3 2 2 s
2 s
单回路的初始对准—水平精对准
(s) s3 K1s 2 (1 K2 )s2 s K3 Rs2 稳态误差（三阶） AN s g
为计算值与真 实值的之差
静基座惯导系统误差方程
假定载体处于地面静止状态， 于是惯性导航系统误差方程式可简化为
2 sin V g A V E e N E 2 sin V g A V N e E N V N
AN，AE
1 E (s) KAN (s) ( s) s Kg
稳定误差（加速度计零位误差 和陀螺漂移角 速度为常值时 ） E AN s
Kg g
单回路的初始对准—水平精对准
水平精对准是在水平和方位粗对准的基础上进 行 由于水平对准时，水平对准过程中
使方位陀螺自锁（平台在方位上不转动），即方位 陀螺不参与工作所以仍将水平对准和方位对准分开 讨论，不考虑交叉耦合的影响。 方位误差角是常值 水平回路的两水平误差之间的耦合项比其他误差源 的影响小，而且在对准过程中随着水平误差的减小， 耦合项也是在减小的，故忽略二者之间的耦合
初始对准的类型
利用外部提供的参考信息进行对准
光学的自动准直技术 其方法是在惯导平台上附加光学多面体，使 光学反射面与被调整的轴线垂直，这样可以 通过自动准直光管的观测，发现偏差角，人 为地给相应轴陀螺加矩，使平台转到给定方 位，或者也可以借光电自动准直光管的观测， 自动地给相应轴的陀螺加矩，使平台转到给 定位置，实现平台初始对准的自动化。
两位置法测量水平陀螺漂移 第一个位置就是惯导平台正常的导航位置
其初始对准回路主要是东向陀螺敏感东向角速 度，北向陀螺敏感北向角速度。 东向加速度计的输出信号经过校正环节馈人北 向陀螺的输入端，而北向加速度计的输出信号 经过校正环节馈人东向陀螺的输入端。
陀螺漂移的测定—水平陀螺漂移 的测定 1 K
1 K2 0 VN e cos E R 东向陀螺和北向陀 1 K2 螺的加矩信号为 0 VE N R 1 K2 E VN R 1 K2 N VE R E e cos E
N N
陀螺漂移的测定—水平陀螺漂移 的测定
若：假定载体 所在地的纬 度是准确知 道的
0 则：
静基座惯导系统误差方程
假定载体处于地面静止状态， 于是惯性导航系统误差方程式可简化为
2 sin V g A V E e N E 2 sin V g A V N e E N V N
单回路的初始对准—水平对准
水平粗对准
单回路的初始对准—水平对准
水平粗对准——单通道水平自对 准方块图
系统的特征方程式为等于什么？
自对准角度α 和加速度计零位误差 以及陀螺漂移角速度 之间的有什么关系？
单回路的初始对准—水平对准
系统的特征方程式为
s Kg 0
自对准角度α 和加速度计零位误差 以及陀螺 漂移角速度 之间的关系
静基座惯导系统误差方程
假定载体处于地面静止状态， 于是惯性导航系统误差方程式可简化为
2 sin V g A V E e N E 2 sin V g A V N e E N V N
R V N e cos e sin E R VE sin sin e e N R tan VE e cos e cos R
R V N e cos e sin E R VE sin sin e e N R tan VE e cos e cos R
略去有害加速 度引入的交 叉耦合项
R
静基座惯导系统误差方程
对应的方块图为
主要内容
概述 静基座惯导系统误差方程 单回路的初始对准 陀螺漂移的测定 捷联式惯导系统的初始对准
单回路的初始对准
水平对准
方位对准
单回路的初始对准—水平对准
初始对准过程： 首先是水平粗对准，而后是方位 粗对准。 在粗对准之后再进行精对，首先 是水平精对准，而后进行方位精 对准。
陀螺漂移的测定
从使用角度考虑，希望陀螺漂移角速度是常值， 但因陀螺漂移具有不稳定性，因而在不同的时 间，每次通电后所测得的陀螺常值漂移角速度 的数值并不一样，标定时给定的陀螺常值漂移 角速度值也是一个统计数据。用标定时给定的 陀螺常值漂移角速度值去补偿，补偿效果并不 理想。但是，对于大多数陀螺，在-次通电启 动运行下，其漂移的主要分量常值特性很好， 工程上用此测量值对陀螺漂移进行补偿。
北向和东向 加速度计的 零位误差
R V N e cos e sin E R VE sin sin e e N R tan VE e cos e cos R
单回路的初始对准—水平精对准
得到简化后的方块图为
单回路的初始对准—水平精对准
水平精对准的控制思想，就是在上述回 路的基础上，增加必要的阻尼，在给定 的时间内，使平台偏差角α 和小于给 定值。 方案：三阶水准水平对准
单回路的初始对准—水平精对准
方案：三阶水准水平对准（北向为例） 一阶阻尼 二阶阻尼 三阶阻尼
主要内容
概述 静基座惯导系统误差方程 单回路的初始对准 陀螺漂移的测定 捷联式惯导系统的初始对准
静基座惯导系统误差方程
假定载体处于地面静止状态， 于是惯性导航系统误差方程式可简化为
2 sin V g A V E e N E 2 sin V g A V N e E N V N
平台漂移角 速度（陀螺 漂移）
静基座惯导系统误差方程
假定载体处于地面静止状态， 于是惯性导航系统误差方程式可简化为
2 sin V g A V E e N E 2 sin V g A V N e E N V N
R V N e cos e sin E R VE sin sin e e N R tan VE e cos e cos R