捷联式惯导系统初始对准

捷联式惯导系统初始对准
惯性技术是惯导(惯性导航与惯性制导)技术、惯性仪表技术、惯性测量技术以及有关设备和装置技术的统称。

惯性导航与惯性制导是当今非常重要的综合技术之一，它广泛用于航空、航海、航天及陆地各领域。

惯性导航系统是和用陀螺与加速度计通过最初的方向基准和位置信息来确定运载体在一特定坐标系内的姿态、位置、速度和加速度的自主式导航系统。

惯性制导系统是利用运载体内部的陀螺、加速度计测量其运动参数，经过计算机发出控制指令，从而把运载体按照预定的路线准确地引导到目的地的制导系统。

自主性是惯性系统最重要的特点。

确定运动对象导航参数的方法和仪器有许多，例如磁、天文、无线电、水声、全球卫星定位系统等等，然而它们都有一个致命的弱点，即不是自主的，不是要向外界发出信息，就是要依赖对外观测信息，而惯性系统与上述诸方法的基本区别就在于是完全自主的，即导弹、潜艇、飞船等可以在一个完全与外界条件以及电磁波隔绝的假想“封闭”空间内实现精确导航。

因此，惯导系统具有隐蔽性好、抗干扰、不受任何气象条件限制的优点，且数据更新速率高，可以提供连续实时的导航参数。

惯性系统在国防科学技术中占有非常重要的地位，因而是世界各工业强国重点发展的技术领域之一。

随着惯性技术的不断发展，许多国家已将其应用领域扩大到现代化交通运输，海洋开发，大地测量与勘探，石油钻井，矿井、隧道的掘进与贯通，机器人控制，现代化医疗器械，摄影技术以及森林防护，农业播种、施肥等民用领域。

惯性技术的发展表明：从传统的机械转子型陀螺向固态陀螺仪(激光、光纤陀螺仪)转移，并进一步向以半导体硅为基本材料的微机械振动陀螺发展；从框架式平台系统向捷联系统转移，从纯惯性捷联系统向以惯性系统为基础的多体制组合导航系统发展，成为今后惯性技术发展的总趋势。

捷联式惯性导航系统，导航用的加速度计是直接捆绑在运载体上，它测量的是运载体坐标系轴向比力，只要把这个比力转换到惯性坐标系上，则其他计算就和空间稳定的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b
C，有些资料上称姿态矩阵
g
为捷联矩阵或方向余弦矩阵b
C。

一般选择地理坐标系为导航坐标系，那么捷联
g
矩阵也可表示为i
C，其导航原理图如下所示：
g
捷联式惯导系统的工作原理方块图
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。

2、惯性敏感器可以直接给出运载体坐标系轴向的线加速度、线速度、供给载体稳定控制系统。

3、便于将惯性敏感器重复布置，从而易在惯性敏感器的级别上实现冗余技术，这对提高系统的性能和可靠性十分有利。

4、由于去掉了具有常平架的平台，一则消除了稳定平台稳定过程中的各种误差；二则由于不存在机电结合的常平架装置，使整个系统可以做得小而轻，并易于维护。

当然，由于惯性敏感器直接因接于载体上也带来新的问题，即导致惯性敏感器的工作环境恶化了。

由于惯性敏感器直接承受载体的振动、冲击及温度波动等环境条件，惯性敏感器的输出信息将会产生严重的动态误差。

为保证惯性敏感器的参数和性能有很高的稳定性，则要求在系统中必须对惯性敏感器采取误差补偿措施。

对捷联式惯导系统，初始对准就是确定初始时刻的姿态阵。

对准的方法有两类：一类是将外部参考基准通过光学或机电的办法引入平台；另一类是利用惯导系统本身的加速度计和陀螺仪测量重力加速度g和地球自转角速度进行自主式对准。

初始对准原理方框图
对准过程通常分为粗对准和精对准两步。

粗对准一般是直接利用加速度和陀螺仪的信号来控制平台或计算初始姿态阵，在较短的时间内使平台系大致对准导航系嘲；或粗略地计算出初始姿态阵嘲。

在此基础上再进一步进行精对准，达到对准的精度要求。

对航空惯导，水平对准精度在10—20''内，方位对准精度在2—5''，对准时间一般在15min之内。

修正粗对准算法原理方框图
精对准原理方框图
系统初始对准误差是由惯性敏感元件的误差以及初始对准过程中的算法误差等所造成。

一旦出现初始对准误差，它将在系统中传播，因此对初始对准误差应严加限制。

初始对准的要求，一般包括精度和快速性两个方面幽。

为了满足高精度要求，希望惯性敏感器具有尽可能高的精度和稳定性，并希望系统对外界干扰不敏感，即整个系统的鲁棒性要好。

为了提高系统的精度，还希望初始对准时能对陀螺漂移，加速度计零位误差以及它们的标度系数进行测定和补偿。

要使系统具有较好的抗干扰能力，还应采用频谱分析技术、滤波技术、将有用信息和干扰信号从时域和频域上加以分离。

显然上述措施的实现，都需要容量大、速度快的计算机给以保证。

很明显，精度和快速性这两方面的要求是矛盾的，因此需要合理地进行系统设计，尽可能兼顾这两方面的要求，以期求得满意的效果。

一般性的设计原则是在保证初始对准精度的前提下设法缩短对准时间。

捷联系统初始对准的特点是：
1、大的初始不对准角。

捷联系统因直接安装在载体上，其不对准角由载体的姿态和航向决定，一般来说不能将不对准角视为小量，这就带来处理上的麻烦。

事实上捷联系统初始对准的目标只能是测定惯性测量系相对导航坐标系的方向余弦阵，这一点是众所周知的。

2、要测定瞬时方向余弦阵。

捷联系统与平台系统的另一个重要差别是前者在初始对准时，必须求出瞬时方向余弦阵，而不是平均方向余弦阵。

这是由于对于捷联系统来讲，载体的角运动不能被物理上隔离，随之而来的是在捷联系统初始对准过程中还必须对付上述载体运动对误差角速度测量精度的影响，这一点往往比测瞬时方向余弦阵还要困难。

3、有更多的可用信息。

对于平台系统，只有加速度计输出可直接用于初始对准，陀螺输出要提供平台稳定回路，而沿平台轴的输出信息只能从同位器获得，但同位器的分辨率太低，不能满足初始对准的精度要求。

与此相反，捷联陀螺的信息
具有极高的角分辨率，可直接用于初始对准。

这是捷联系统优于平台系统的地方，对方位陀螺的标定尤为有利。

4、有利于在初始对准过程中标定惯性元件的参数，至少可指出以下两点：一是捷联系统能在对准过程中标定更多的惯性元件的误差系数。

以双位置为例，捷联系统能标定三个加速度计零偏和三个陀螺仪的常值漂移。

另外，捷联系统允许有比平台系统高得多的转动速率，因此在进行双位置对准过程中比较节省时间。

在捷联惯导系统初始对准的过程中，由于载体姿态角是变化的，系统的捷联矩阵是变化的，系统矩阵A严格来讲是一个时变矩阵，因此静基座对准时的捷联系统可以认为是一个线性时变系统。

可以利用卡尔曼滤波器进行系统状态变量的最优估计。

动基座对准比较常用的有速度匹配对准方法，和姿态匹配对准方法，除此之外还有角速率匹配对准方法、比力匹配对准方法、位置匹配对准方法等。

角速度匹配传递对准方法将主惯导和子惯导的角速率差值作为卡尔曼滤波器的观测量，观测主惯导与子惯导之间的失准角，从而对子惯导的姿态矩阵进行校正，达到对准的目的：而比力匹配对准方法是针对主、子惯导间比力之差作为观测量设计卡尔曼滤波模型的，其中涉及到杆臂效应的补偿问题；飞机、舰船或战车上可能装备有各种传感器或能提供位置信息的系统，这些信息在惯性导航系统对准时可以利用，以主、子惯导计算的位置差值作为卡尔曼滤波器的观测量，这就是位置匹配对准方法。

单参数匹配方法中，计算参数匹配法精度高而速度低，测量参数匹配法速度快而精度低，组合匹配方法能克服单参数匹配方法对准精度和速度的矛盾，其中被实践证明了的比较好的组合匹配方法有速度加角速率匹配方法，和速度加姿态匹配方法。

他们是以主、子惯导间速度差、姿态角变化差和角速率差的不同组合作为观测量设计滤波模型的。

参考文献：
1、张树侠，孙静．捷联式惯性导航系统．国防工业出版社，1992
2、刘瑞华．基于MEMS．IMU的捷联惯性组合导航系统研究．南京航空航天大学博士论文．2002
3、冯绍军．H一鲁棒滤波在惯导地面自对准中的应用．南京航空航天大学学报．1998，30(4)
4、张静．sINs空中初始对准滤波器的设计．上海航天．2000(6)：34—38页。