捷联惯导静基座初始对准技术仿真

采用小波神经网络的捷联惯导系统静基座快速初始对准

盛景泉;付梦印;刘永信

【期刊名称】《内蒙古大学学报：自然科学版》

【年(卷),期】2003(34)4

【摘要】利用多输入多输出小波神经网络具有结构简单、计算量少的优点,将其应用于静基座捷联惯导系统的初始对准.并利用北向、东向失准角快速估计地向陀螺的失准角,得到小波神经网络的训练样本.对小波神经网络采用随机梯度法进行训练.仿真结果表明该方法收敛速度快,能满足惯导系统实时性的要求.

【总页数】4页(P468-471)

【关键词】小波神经网络;初始对准;捷联;静基座

【作者】盛景泉;付梦印;刘永信

【作者单位】北京理工大学自动控制系;内蒙古大学理工学院

【正文语种】中文

【中图分类】V249.322

【相关文献】

1.捷联惯导系统静基座的高精度初始对准方法 [J], 王雪瑞;周岩

2.Unscented粒子滤波在静基座捷联惯导系统大方位失准角初始对准中的应用研究 [J], 丁杨斌;申功勋

3.静基座速率偏频激光陀螺捷联惯导系统快速高精度初始对准算法 [J], 张岩;吴文启;张晓强;曹聚亮 4.捷联惯导系统的静基座快速初始对准方法 [J], 房建成;万德钧

5.捷联式惯导系统静基座快速初始对准方法的研究 [J], 宋金来;杨雨;韩京清;黄一;许可康

因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买

纬度未知条件下捷联惯导摇摆基座自对准方法

第40卷第1期2023年1月控制理论与应用

ControlTheory&ApplicationsVol.40No.1Jan.2023

纬度未知条件下捷联惯导摇摆基座自对准方法

李敬春1†,张亚2,段海滨3

(1.鹏城实验室,广东深圳518055;2.哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150001;

3.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100083)

摘要:针对纬度未知条件下捷联惯导摇摆基座自对准问题,本文将其看作基于特征值分解的优化问题处理,提出一种基于地球系重力矢量的摇摆基座自对准方法.首先,构建基于速度增量形式的目标函数,建立不依赖外部纬度信息的地球系下重力矢量模型,以提高地球系下重力矢量的估计精度;然后,将摇摆基座自对准看作Wahba姿态确定问题,基于地球系下重力矢量建立关于惯性系转换四元数的速度增量式目标函数,增强对噪声及振荡干扰的抑制,利用基于特征值分解的多矢量优化方法完成摇摆基座自对准,以提高对准精度;最后,通过设置捷联惯导摇摆基座初始对准仿真及船舶系泊实验,验证了所提方法的有效性.关键词:捷联惯导系统;摇摆基座;自对准;纬度未知;特征值分解;重力表观运动引用格式:李敬春,张亚,段海滨.纬度未知条件下捷联惯导摇摆基座自对准方法.控制理论与应用,2023,40(1):39–46DOI:10.7641/CTA.2021.10580

Self-alignmentalgorithmforswayingSINS

undergeographiclatitudeuncertainty

LIJing-chun1†,ZHANGYa2,DUANHai-bin3

(1.PengChengLaboratory,ShenzhenGuangdong518055,China;2.SchoolofInstrumentationScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,HarbinHeilongjiang150001,China;3.SchoolofAutomationScienceandElectricalEngineering,BeihangUniversity,Beijing100083,China)

卡尔曼滤波快速初始对准技术

3.5.3 捷联惯导系统快速初始对准方法(可能删除)

（1）由系统的可观测性分析结果可知，在静基座对准过程中，两个水平失准角收敛速度较快，方位失准角收敛速度很慢，由于系统的可观测性无法提高，因此不能从方位失准角的可观测度上改进加快方位失准角的收敛速度，而直接利用两个水平失准角的快速收敛结果对方位失准角进行估计是一种加快方位角收敛速度的方法，进而提高系统的静基座对准的速度。根据误差方程式可得捷联惯导系统静基座初始对准误差模型的方程式：

2sinEieNNELVgV

2sinNieEENLVgV

sincossincosENUNieUieEEieNEieULLLL

利用卡尔曼滤波器对准过程的状态估计，可得E、N、U的稳态误差为

ENg

NEg

coscostanEEEDLLgL

根据稳态误差方程可知，影响水平失准角误差的主要因素为加速度计的精度，影响方位角误差的主要因素为陀螺的精度，由于目前加速度计器件相较于陀螺发展较快，所以，在初始对准过程中，水平失准角要比方位失准角精度高。

假如用E、N的稳态估计值直接估计D，当E、N收敛时，D一定也会收敛，E不可观测，cosEL为稳态误差，由误差第三个式子可得快速初始对准时的方位角误差方程为1()DDNEN，初始对准过程首先应用卡尔曼滤波器进行系统状态变量的最优估计，由于E、N收敛较快会迅速进入稳态，将E转换到低通数字滤波器后用1()DDNEN方程对方位角D进行估计。

（2）快速对准仿真实验分析

设置IMU的相关参数为：加速度计零偏为100ug ，随机游走为10/ugh，陀螺零偏为0.01/h，随机游走为0.01/h，假设经过粗对准后提供的姿态初始失准角为[1° 1° 1°]，所处地理纬度为北纬34°，仿真开始后对东向失准角进行低通滤波处理，在70s后用快速精对准公式对方位角进行估计，此时水平失准角已经趋于稳定，仿真实验结果如下图所示，由图可知方位对准精度为30秒左右。

捷联惯导动基座对准新方法及导航误差抑制技术研究

一、本文概述

随着导航技术的不断发展，捷联惯导系统（Strapdown Inertial

Navigation System, SINS）在动基座对准和导航误差抑制方面展现出越来越高的应用价值。本文旨在探讨一种新型的捷联惯导动基座对准方法，并对导航误差抑制技术进行深入研究。通过对比分析传统对准方法的不足，本文提出了一种基于多传感器融合的新型对准算法，旨在提高对准精度和效率。针对导航过程中的误差积累问题，本文还研究了有效的误差抑制策略，以期提高捷联惯导系统的导航精度和可靠性。

本文首先介绍了捷联惯导系统的基本原理和应用背景，阐述了动基座对准和导航误差抑制在惯性导航中的重要性和挑战。随后，详细介绍了新型对准方法的基本原理和实现过程，包括多传感器数据融合、对准算法设计以及实验验证等方面。在误差抑制技术研究方面，本文重点探讨了误差来源、误差传播特性和抑制策略，提出了一种基于卡尔曼滤波的误差估计与补偿方法。

本文的研究成果对于提高捷联惯导系统的性能具有重要意义，不仅有助于提升动基座对准的精度和效率，还能有效抑制导航过程中的误差积累，从而提高整个导航系统的可靠性和稳定性。本文的研究方法和结论也为相关领域的研究人员提供了有益的参考和借鉴。

二、捷联惯导系统概述

捷联惯导系统（Strapdown Inertial Navigation System，简称SINS）是一种不依赖外部信息、完全自主式的导航系统。其核心部件包括陀螺仪和加速度计，分别用于测量载体相对于惯性空间的角速度和线加速度。通过积分这些测量值，系统能够推算出载体的速度、位置和姿态信息。捷联惯导系统的最大特点在于它将传统的平台式惯导系统中的实体平台用数学平台来替代，从而大大简化了系统结构，提高了可靠性，并降低了成本。

捷联惯导系统的基本原理是通过载体上安装的陀螺仪和加速度计实时测量载体的角运动和线运动参数，再结合初始对准得到的姿态矩阵，将加速度计测量的比力转换到导航坐标系下，进行积分运算得到速度和位置信息。同时，通过对陀螺仪的测量值进行积分，可以更新载体的姿态信息。由于捷联惯导系统不依赖于外部信息，因此具有高度的隐蔽性和抗干扰能力，广泛应用于航空、航天、航海、陆地车辆等领域。

捷联惯导大方位失准角快速初始对准

第２９卷第３期　计算机仿真　２０１２年３月　

文章编号：１００６—９３４８（２０１２）０３—０１４５—０４　

捷联惯导大方位失准角快速初始对准　

刘小军，周　军，卢晓东　

（西北工业大学精确制导与控制研究所，陕西西安７１００７２）　

摘要：捷联惯导方位角快速性能优化问题，传统大方位失准角初始对准方位角收敛速度较慢，直接影响惯导系统的性能。为　

此提出一种无重置联邦滤波器的以速度误差和比力输出作为观测量的快速初始对准新算法。给出了捷联惯导系统非线性　

误差模型．并分析了两种观测量，建立了速度观测子滤波器和比力观测子滤波器，同时采用了相应的状态方程和观测方程。　

用三种方法进行了大方位失准角初始对准的数字仿真。仿真结果对比表明，新方法不仅使方位失准角收敛速度快，而且在　

加速度计噪声增大１０倍的情况下，仍然具有极高的对准精度。　关键词：捷联惯导：大方位失准角；初始对准；联邦滤波　

中图分类号：Ｕ６６６．１　文献标识码：Ａ　

Ｉｎｉｔｉａｌ　Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｌａｒｇｅ　Ａｚｉｍｕｔｈ　Ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ　ｉｎ　ＳＩＮＳ　

ＬＩＵ　Ｘｉａｏ—ｊｕｎ，ＺＨＯＵ　Ｊｕｎ，ＬＵ　Ｘｉａｏ—ｄｏｎｇ　

（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｇｕｉｄａｎｃｅ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　Ｓｈａｎｘｉ　７　１００７２，Ｃｈｉｎａ）　

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅ　ｔｉｌｔ　ａｎｇｌｅ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ａｚｉｍｕｔｈ　ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ　ｉｎ　ＳＩＮＳ　ｉｓ　ｓｌｏｗ，ａｎｄ　ａ　ｎｅｗ　ｉｎｉｔｉａｌ　ａｌｉｇｎｍｅｎｔ　

ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｕｓｅｄ　ｂｏｔｈ　ｔｈｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｅｒｒｏｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｏｒｃｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ａｓ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｖａｌｕｅｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｆｅｄｅｒ—　

捷联惯导系统全姿态初始对准方法

2013年第6期

导弹与航天运载技术

No.6 2013 总第329期

MISSILES AND SPACE VEHICLES

Sum No.329

收稿日期：2012-10-21；修回日期：2013-08-12

基金项目：民用航天专业技术预先研究项目（D010101）

作者简介：刘生炳（1986-），男，工程师，主要从事导航、制导与控制专业研究文章编号：1004-7182(2013)06-0060-04 DOI：10.7654/j.issn.1004-7182.20130614

捷联惯导系统全姿态初始对准方法

刘生炳，魏宗康，陈东生，吴涛

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

摘要：捷联惯导系统开始导航解算时需要初始对准，工程中常用的静基座初始对准方法有基于克雷洛夫角的静基座初始

对准、基于克雷洛夫角的四元数初始对准。前者由于需要首先求解克雷洛夫角，因此存在与旋转顺序相关和不能全姿态工作

的问题；后者需要首先求解克雷洛夫角，然后求解四元数，因此同样存在不能全姿态工作的问题。针对上述问题，提出了一

种避免求解克雷洛夫角，直接通过四元数姿态变换矩阵求得姿态四元数的初始对准方法。仿真验证结果表明：四元数直接求

解初始对准方法可以完成捷联系统静基座初始对准，克服与旋转顺序相关的问题，并且可以实现全姿态初始对准。

关键词：捷联惯导系统；静基座初始对准；克雷洛夫角；四元数

中图分类号：V448.22 文献标识码：A

All Attitude Initial Alignment of Strapdown Inertial Navigation System

Liu Shengbing, Wei Zongkang, Chen Dongsheng, Wu Tao

(Beijing Institute of Aerospace Control Devices, Beijing, 100039)

动基座条件下舰载武器捷联惯导系统初始对准研究

摘要：在舰载武器系统中，捷联惯导系统具有重要的作用。捷联惯导系统的初始对准是系统正常工作的关键。本文通过分析捷联惯导系统的工作原理，介绍了动基座条件下捷联惯导系统的初始对准方法，并对其影响因素进行了研究。

1. 引言

舰载武器系统中的捷联惯导系统是一种通过惯性测量单元和全局导航卫星系统接收机联合工作，使武器系统能够在没有外界参考的情况下进行精确定位、导航和打击的系统。捷联惯导系统的初始对准是保证系统有效工作的重要环节。

2. 捷联惯导系统的工作原理

捷联惯导系统由惯性导航单元、全球定位系统接收机以及姿态传感器等部件组成。惯性导航单元通过测量加速度和角速度信息来计算舰艇的位置和姿态。全球定位系统接收机通过接收卫星信号，确定舰艇的位置。姿态传感器用于检测舰艇的姿态角。

3. 动基座条件下捷联惯导系统的初始对准方法

在动基座条件下，舰载武器系统的捷联惯导系统初始对准可以通过以下步骤完成：

步骤一：舰艇静止时，进行GPS和惯性泌言的初始对准。通过接收全球定位系统的信号，确定舰艇的粗略位置，并使用惯性传感器测量舰艇的加速度和角速度信息。

步骤二：舰艇开始运动后，启动捷联惯导系统，并利用姿态传感器获取舰艇的姿态角。然后，通过惯性导航单元计算舰艇在初始位置的惯性坐标系中的位置。

步骤三：根据舰艇的惯性坐标系和全球定位系统的坐标系之间的坐标变换关系，可以确定舰艇在全局坐标系中的位置。然后，将舰艇的位置信息与导航指令进行比较，利用闭环控制算法对舰艇进行修正。

4. 影响因素分析

动基座条件下捷联惯导系统的初始对准精度受多个因素影响，主要有以下几点：

舰艇运动状态：舰艇运动过程中，加速度和角速度的变化会对捷联惯导系统的初始对准精度产生影响。舰艇运动越大，精度越低。

姿态传感器精度：姿态传感器用于检测舰艇的姿态角，其精度将直接影响到捷联惯导系统的初始对准精度。全球定位系统精度：全球定位系统接收机的精度也是影响捷联惯导系统初始对准精度的一个重要因素。

静基座捷联罗经初始对准方法

2018年10月第5期现代导航 ·335·

静基座捷联罗经初始对准方法

张伟1

，付泳2

（1 中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068；2 火箭军驻燕山电子设备厂军代室，北京 100192）

摘要：本文从分析平台罗经初始对准的原理出发，提出了静基座捷联罗经初始对准的原理

并推导了便于软件编程的具体算法，通过对大方位误差角SINS非线性误差方程的简化，推导了

粗略方位自对准的算法公式。

关键词：捷联惯导；静基座；罗经；初始对准

中图分类号：U666 文献标识码：A 文章编号：1674-7976-(2018)05-335-05

Initial Alignment Method of Strapdown Compass on Stationary Base

ZHANG Wei，

FU Yong

Abstract：

In this paper, starting from the principle of initial alignment analysis platform compass，put forward the principle of

initial alignment of strapdown compass on stationary base and facilitate specific software programming algorithm was deduced，

based on the azimuth error Angle of SINS nonlinear error equation is simplified，self aligned roughly azimuth algorithm formula was

deduced.

Key words：

Strapdown Inertial Navigation；Stationary Base Compass；Initial Alignment

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bgC，有些资料上称姿态矩阵为捷联矩阵或方向余弦矩阵bgC。一般选择地理坐标系为导航坐标系，那么捷联矩阵也可表示为igC，其导航原理图如下所示：

捷联式惯导系统静基座快速初始对准方法的研究

第ｌ４卷第ｌ０期　２００２年１０月　系统仿真学报　

ＪｏＩ　ＮＡＬ　ｏＦ　ＳＹＳＴＥＭ　ＳＩＩⅥｒＩⅡ．ＡＴＩｏＮ　Ｖ０ｌ－ｌ４　Ｎｏ．１０　

Ｏｃｔ．　２００２　

文章编号：１００４－７３１Ｘ（２００２）１０・１３５２－０３　

捷联式惯导系统静基座快速初始对准方法的研究　

＿　宋金来　，杨雨　，韩京清　黄一　许可康　（　中科院数学与系统科学研究院系统科学所，北京１０８０；　航天时代仪器公司，北京１０８５４）　摘要：初精度直接关系到惯导系统的工作精度，其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。本文提出并设计了把扩张状态观测器用于捷联惯导系统静基座下的初始对准。结果表明，对准过程间大大缩短，具有精度高、算法简单等特点。是一种应用在实际惯导统中的理想初始准方案。　

关键词：扩张状态观测器；卡尔曼滤波：捷联惯导；初始对准　

中图分类号：ＴＰ２７３　文献标识码：Ａ　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ａ　Ｆａｓｔ　Ｉｎｉｔｉａｌ　Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｓｔｒａｐｄｏｗｎ　Ｉｎｅｒｔｉａｌ　

Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　Ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ　Ｂａｓｅ　

ＳＯＮＧ　Ｊｉｎ—ｌａｉ　，ＹＡＮＧ　Ｙｕ　，ＨＡＮＪｉｎｇ－ｑｉｎｇ　，ＨＵＡＮＧ】，７　，ＸＷＫｅ－ｋａｎｇＩ　（ｑｎｓｔｉｔｎｔｅ　ｏｆＳｙｓｔｅｍｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８０，Ｃｈｉｎａ；　２ＡｅｒｏｓｐａｃｅＴｉｍｅｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＣｏｍｐａｎｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００８５４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｅｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｆｏｃｕｓｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒａｐｄｏｗｎ　ｉｎｅｒｔｉａｌ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ａ　ｆａｓｔ　ｉｎｉｔｉａｌ　ａｌｉｇｎｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｂｙ　Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　Ｓｔａｔｅｓ　Ｏｂｓｅｒｖｅｒｓ　Ｏ￣ｓｏ）．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｍａｋｅｓ　ｉｎｉｔｉａｌ　ａｌｉｇｎｉｎｇ　ｍｏｒｅ　ｑｕｉｃｋｌｙ　ｔｈａｎ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ｐｏｓｓｅｓｓｅｓ　ｓｕｃｈ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ　ａｓ　ｈｉｇｈ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ａｎｄ　ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ　ｓｉｍｐｌｅ，ｅｔｃ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ　ｔｈａｔ　ｉｔ　ｉｓ　ａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｉｎｉｔｉａｌ　ａｌｉｇｎｍｅｎｔ　ｓｃｈｅｍｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｎｅｒｔｉａｌ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｘｔｅｎｄｅｄ　ｓｔａｔｅｓ　ｏｂｓｅｒｖｅｒｓ；ｋａｌｍａｎ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ；ｓｔｒａｐｄｏｗｎ　ｉｎｅｒｔｉａｌ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ；ｉｎｉｔｉａｌ　ｃｏｕｒｓｅ　ａｌｉｇｎｍｅｎｔ　