海洋重力辅助导航系统的系泊对准算法
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ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ａｍｏｕｎｔ ａｎｄ ｓｈｏｒｔ ｔｉｍ ｅ－ｃｏｎｓｕｍ ｉｎｇ．Ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｈｉｐｂｏａｒｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗ ｅｉｇｈｔｅｄ ｖｅｃｔｏｒ ＴＲＩ ＡＤ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｍ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ａｌｉｇｎｍ ｅｎｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｗ ｉｔｈｏｕｔ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｒａｐｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｅｒｒｏｒ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ４ ，ａｎｄ ｔ ｈｅ ｈｅａｄｉｎｇ ａｎｇｌｅ ｅｒｒｏｒ ｉｓ ａｂｏｕｔ １ ０ ，ｗｈｉｃｈ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍ ｅｎｔｓ ｏｆ ｍ ａｒｉｎｅ ｇｒａｖｉｔｙ ａｉｄｅｄ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ． Ｋ ｅｙ ｗ ｏｒｄｓ：ｓｔｒａｐｄｏｗｎ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；ｇｒａｖｉｔｙ；ｍｏｏｒｉｎｇ ａｌｉｇｎｍ ｅｎｔ；ｔｒｉａｘｉａｌ ａｔｔｉｔｕ ｄｅ ｄｅｔｅｒｍ ｉｎａｔｉｏｎ
ｇｅｎｅｒａｔｅ ａ ｈｉｇｈｅｒ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖｅｃｔｏｒ．Ｔｈｅｒｅｂｙ，ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｍ ｏｏｒｉｎｇ ａｌｉｇｎｍ ｅｎｔ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅ
ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｒｅｑｕｉｒｅｓ ｊｕｓｔ ｏｎｅ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ＴＲＩＡＤ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ＳＯ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｋｅｅｐｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｍａｌｌ
ＺＨＵ Ｙａｎ·ｈｕａ，ＣＡＩ Ｔｉ－ｊｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｌｉ—ｈｕｉ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２ １ ００９６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｌｎｉｔｉａｌ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｏｆ ＳＩＮＳ ｉｎ ｍｏｏｒｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ＩＳ ａ ｋｅｙ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔ ｙ ｏｆ ｍａｒｉｎｅ ｇｒａｖｉｔｙ ａｉｄｅｄ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ａ ｔｈｒｅｅ—ａｘｉｓ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ （ＴＲＩＡＤ） ｐｒｏｂｌｅｍ ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂｕｉｌｔ ｕｐ ａ ｓｈｉｐｂｏａｒｄ ＳＩＮ Ｓ ｍｏｏｒｉｎｇ ａｌｉｇｎｍ ｅｎｔ ｍ ｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｈｙｐｏｔｈｅｓｉｓ，ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｔｗｏ—ｖｅｃｔｏｒ ａｔｔｉｔｕ ｄｅ ｄｅｔｅｒｍ ｉｎａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｕ ｄｙ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｏｎｅ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａｎ ｍ ｏｏｒｉｎｇ ａｌｉｇｎｍ ｅｎｔ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｖｅｃｔｏｒ ａｎｄ ＴＲＩ Ａ Ｄ ．Ｉｎ ｔｈｅ ｎｅｗ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ， ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｗ ｏ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｖｅｃｔｏｒｓ ｉｓ ｕｔｉｌｉｚｅｄ ｔｏ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ｔｈｅ ｗ ｅｉｇｈｔｉｎｇ ｃｏｅｆｉ ｃｉｅｎｔｓ ａｎｄ
惯性导航是海 上运载体最主要 的导航方式之一 ，具 有不依赖外界信息 、隐蔽性好 、抗辐射性强 、全天候等 优点 ，是完全 自主的导航 。由于惯性传感器的精度约束 ， 惯导系统必须借助于其他导航方式 的辅助 才能长时间 使用。重力辅助导航是利用重力特征传感器测量 的重力 异常信息或重力梯度信息 ，与重力场特征图匹配来修正 惯导误差 的方法 ，保证 了导航 的无源性 、抗干扰和长航 时 ，脱离了 ＧＰＳ的限制 ，具有重要的工程应用价值 ｌｌ之］。
捷联惯导 系统在 系泊条件 下的初始对 准是海 洋重
力辅助导航实用化的一个关键 问题 ，本质上属于三轴 姿态确定 （Ｔｒｉａｘｉａｌ ａｔｔｉｔ ｕｄｅ ｄｅｔｅｒ ｍ ｉｎａｔｉｏｎ，ＴＲ ＩＡＤ ｏ ＴＲＩＡＤ 算法是 通过两个 不相交 向量 在两个 坐标系 中 的 已知坐标来确定姿态矩阵 ，即双矢量定姿 。在静基 座条件下 ，通常利用加速度计和陀螺仪测量 的地球重 力加速度和地球 自转角速度作为双矢量 。而 当载体处 于系泊状态时 ，由于摇摆运动 的干扰 ，该方法不 再适 用 。文献 ［３．５】引入惯性凝 固假设 ，提 出了一种基 于重 力加速度 的对 准方法 ，隔离了载体 的摇摆 运动 ，进而
水平姿 态角误差 小于 ４ ，航 向 角误差在 １０ 左右 ，满足 海洋重力辅助导航 系统的应用需求。 关 键 词：捷联惯导 ；重力 ；系泊 对准 ；三轴 姿态确定
中图分 类号：Ｕ６６６．１
文献标志码 ：Ａ
Ｍ ｏｏｒｉｎｇ ａｌｉｇｎｍ ｅｎｔ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｍ ａｒｉｎｅ ｇｒａｖｉｔｙ ａｉｄｅｄ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
（东南大学 仪器科学 与工程学 院 ，南京 ２１００９６）
摘要 ：捷联惯导 系统在 系泊条件 下的初始对 准是海 洋重力辅助导航 实用化 的关键 问题之一 ，本质上属
于三轴姿 态确定 问题 。基 于惯性凝 固假设 ，构建 了船载捷联惯导 系泊对 准模型 ，研究 了传统三轴姿 态
确定双 矢量算法 。对双矢量算法进行改进 ，提 出了一种基 于加权 矢量和三轴姿 态确定 的系泊对 准算 法，
第 ２４卷第 ２期 ２０１６年 ４月
文章编号 ：１００５—６７３４（２０１６）０２．０１６０—０４
中国惯性技 术学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖｌ ０１．２４ Ｎ Ｏ．２ Ａｐｒ．２０１６
海洋重 力辅 助导航系统 的系泊对准算法
祝 燕华 ，蔡体 菁 来自百度文库王立辉
该 算法利用 两个观测 矢量 的误差标 准差构建加权 系数 ，生成 了精度 更高的基 准矢量 ，从 而提 高系泊对
准 的精度 ，并且该 算法只需进行 一次三轴姿 态解 算，保持 了计 算量小、耗 时短 的特 点。数值仿真和船
载试验结果表 明，改进后 的系泊对准算 法在保证初 始对准快速性 的前提 下有效提 高 了对 准精度 ，两个
ｇｅｎｅｒａｔｅ ａ ｈｉｇｈｅｒ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖｅｃｔｏｒ．Ｔｈｅｒｅｂｙ，ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｍ ｏｏｒｉｎｇ ａｌｉｇｎｍ ｅｎｔ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅ
ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｒｅｑｕｉｒｅｓ ｊｕｓｔ ｏｎｅ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ＴＲＩＡＤ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ＳＯ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｋｅｅｐｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｍａｌｌ
ＺＨＵ Ｙａｎ·ｈｕａ，ＣＡＩ Ｔｉ－ｊｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｌｉ—ｈｕｉ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２ １ ００９６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｌｎｉｔｉａｌ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｏｆ ＳＩＮＳ ｉｎ ｍｏｏｒｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ＩＳ ａ ｋｅｙ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔ ｙ ｏｆ ｍａｒｉｎｅ ｇｒａｖｉｔｙ ａｉｄｅｄ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ａ ｔｈｒｅｅ—ａｘｉｓ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ （ＴＲＩＡＤ） ｐｒｏｂｌｅｍ ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂｕｉｌｔ ｕｐ ａ ｓｈｉｐｂｏａｒｄ ＳＩＮ Ｓ ｍｏｏｒｉｎｇ ａｌｉｇｎｍ ｅｎｔ ｍ ｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｈｙｐｏｔｈｅｓｉｓ，ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｔｗｏ—ｖｅｃｔｏｒ ａｔｔｉｔｕ ｄｅ ｄｅｔｅｒｍ ｉｎａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｕ ｄｙ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｏｎｅ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａｎ ｍ ｏｏｒｉｎｇ ａｌｉｇｎｍ ｅｎｔ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｖｅｃｔｏｒ ａｎｄ ＴＲＩ Ａ Ｄ ．Ｉｎ ｔｈｅ ｎｅｗ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ， ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｗ ｏ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｖｅｃｔｏｒｓ ｉｓ ｕｔｉｌｉｚｅｄ ｔｏ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ｔｈｅ ｗ ｅｉｇｈｔｉｎｇ ｃｏｅｆｉ ｃｉｅｎｔｓ ａｎｄ
惯性导航是海 上运载体最主要 的导航方式之一 ，具 有不依赖外界信息 、隐蔽性好 、抗辐射性强 、全天候等 优点 ，是完全 自主的导航 。由于惯性传感器的精度约束 ， 惯导系统必须借助于其他导航方式 的辅助 才能长时间 使用。重力辅助导航是利用重力特征传感器测量 的重力 异常信息或重力梯度信息 ，与重力场特征图匹配来修正 惯导误差 的方法 ，保证 了导航 的无源性 、抗干扰和长航 时 ，脱离了 ＧＰＳ的限制 ，具有重要的工程应用价值 ｌｌ之］。
捷联惯导 系统在 系泊条件 下的初始对 准是海 洋重
力辅助导航实用化的一个关键 问题 ，本质上属于三轴 姿态确定 （Ｔｒｉａｘｉａｌ ａｔｔｉｔ ｕｄｅ ｄｅｔｅｒ ｍ ｉｎａｔｉｏｎ，ＴＲ ＩＡＤ ｏ ＴＲＩＡＤ 算法是 通过两个 不相交 向量 在两个 坐标系 中 的 已知坐标来确定姿态矩阵 ，即双矢量定姿 。在静基 座条件下 ，通常利用加速度计和陀螺仪测量 的地球重 力加速度和地球 自转角速度作为双矢量 。而 当载体处 于系泊状态时 ，由于摇摆运动 的干扰 ，该方法不 再适 用 。文献 ［３．５】引入惯性凝 固假设 ，提 出了一种基 于重 力加速度 的对 准方法 ，隔离了载体 的摇摆 运动 ，进而
水平姿 态角误差 小于 ４ ，航 向 角误差在 １０ 左右 ，满足 海洋重力辅助导航 系统的应用需求。 关 键 词：捷联惯导 ；重力 ；系泊 对准 ；三轴 姿态确定
中图分 类号：Ｕ６６６．１
文献标志码 ：Ａ
Ｍ ｏｏｒｉｎｇ ａｌｉｇｎｍ ｅｎｔ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｍ ａｒｉｎｅ ｇｒａｖｉｔｙ ａｉｄｅｄ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
（东南大学 仪器科学 与工程学 院 ，南京 ２１００９６）
摘要 ：捷联惯导 系统在 系泊条件 下的初始对 准是海 洋重力辅助导航 实用化 的关键 问题之一 ，本质上属
于三轴姿 态确定 问题 。基 于惯性凝 固假设 ，构建 了船载捷联惯导 系泊对 准模型 ，研究 了传统三轴姿 态
确定双 矢量算法 。对双矢量算法进行改进 ，提 出了一种基 于加权 矢量和三轴姿 态确定 的系泊对 准算 法，
第 ２４卷第 ２期 ２０１６年 ４月
文章编号 ：１００５—６７３４（２０１６）０２．０１６０—０４
中国惯性技 术学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖｌ ０１．２４ Ｎ Ｏ．２ Ａｐｒ．２０１６
海洋重 力辅 助导航系统 的系泊对准算法
祝 燕华 ，蔡体 菁 来自百度文库王立辉
该 算法利用 两个观测 矢量 的误差标 准差构建加权 系数 ，生成 了精度 更高的基 准矢量 ，从 而提 高系泊对
准 的精度 ，并且该 算法只需进行 一次三轴姿 态解 算，保持 了计 算量小、耗 时短 的特 点。数值仿真和船
载试验结果表 明，改进后 的系泊对准算 法在保证初 始对准快速性 的前提 下有效提 高 了对 准精度 ，两个