捷联惯性导航系统初始对准原理
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 —。
2.捷联惯导系统初始对准——【惯性导航系统】
古典控制理论设计法、参数辨识法、卡尔曼滤波法 等。
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精对准思路
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精对准误差方程简化
x
Vg epy
R
z cos
ysin
g x
y
Vegpx
R
sin
x sin
g y
x
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g x
wdx
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z
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R
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x cos
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0
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gp
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另：
gb T g p T
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1 T
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g
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w p ibx
cos
f
p x
g
tg
dt
粗对准精度一般在数角分至数十角分，视基座晃动大小。 方位对准精度受基座运动干扰更大，且高纬度地区误差大。
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四、精对准
目的：
在基座存在晃动干扰时，精确修正姿态矩阵。
思路：
在粗对准基础上，通过对惯性器件的输出和重力加 速度、地球自转角速度信息进行滤波，精确地确定姿 态矩阵。
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
第2讲：初始对准
用于舰船与飞机的惯导系统，对准时间可略长些，如装备民航飞机用 的惯导系统的对准时间容许为 15~20min。
用于舰炮武器系统的捷联式航姿系统，基于对其快速反应的要求，静 基座对准时间要求在 10min 左右，动基座对准时间要求在 20min 左右。 对于战术导弹的空中对准，初始对准则要求在数十秒或数秒内完成。
δV&E = 2ωe sin ϕ ⋅δVN − βg + ∆AE δV&N = −2ωe sin ϕ ⋅δVE + αg + ∆AN α& = ωe sin ϕ ⋅ β − ωe cosϕ ⋅γ + ∆ωE β& = −ωe sin ϕ ⋅α + ∆ωN γ& = ωe cosϕ ⋅α + ∆ωζ
19
)T )T
⎥ ⎥ ⎥⎦
因此，如果上式中的逆矩阵存在，则对准矩阵CbE 便可以唯一地确定 了。CbE 表示了从飞行器坐标系到地理坐标系的变换矩阵。将以下三个式 子代入上式
( )gvE T = [0 0 − g]
(ωv E )T = [0 ωe cosϕ ωe sin ϕ]
9
求逆，有
[ ]r
V
E
T
= [−
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。
考虑加速度计和陀螺的等效误差中包含随机常数与白噪声两部分，即
捷联惯导系统初始对准技术的研究
捷联惯导系统初始对准技术的研究摘要:初始对准是捷联惯导系统关键技术之一。
初始对准精度直接影响捷联惯导系统的工作精度，初始对准时间也是反映武器系统快速反应能力的重要战术指标。
捷联惯性导航系统是将惯性器件陀螺仪、加速度计构成的惯性测量单元直接与载体固联，测量得到的载体角速度与线运动参数是沿载体固联的坐标轴上的分量。
导航计算机通过计算“姿态矩阵”可以将加速度信息转换到惯性坐标系或当地地理坐标系，从而实现“数学平台”，然后再进行速度及位置计算。
图1即为捷联式惯性导航系统原理框图。
捷联惯导系统的关键技术包括初始对准问题、有害加速度的消除及引力修正、惯性元件误差模型的建立和实时补偿、捷联矩阵的更新等。
捷联惯性导航系统初始对准的目的是建立捷联矩阵的初始值。
1、捷联惯导系统初始对准基本概念按对准阶段来分，初始对准一般分为两个阶段:第一阶段为粗对准，第二阶段为精对准。
捷联系统粗对准的任务是得到粗略的捷联矩阵，为后续的精对准提供基础，此阶段精度可以低一些，但要求速度快。
精对准是在粗对准的基础上进行的，通过处理惯性敏感元件的输出信息，精确校正真实导航坐标系与计算的导航坐标系之间的失准角，使之趋于零，从而得到精确的捷联矩阵。
按照捷联惯性导航系统初始对准时载体的运行状态来分，可分为静基座对准和动基座对准。
按照初始对准时是否取得外部信息，可分为自对准和非自对准.惯性导航系统的自对准是利用重力矢量和地球自转角速率矢量通过解析的方法实现的初始对准，这种对准方法的优点是自主性强，缺点是所需的对准时间长。
非自主式对准可以通过机电或光学方法将外部参考坐标系引入系统，实现惯性系统的初始对准.在捷联惯性导航系统的粗对准阶段，可以通过引入主惯导系统的航向姿态信息，通过传递对准，迅速将数学平台对准导航坐标系，减小初始失准角.在精对准阶段，可以通过组合导航的方法，利用其它导航设备(如GPS，计程仪)等提供的信息(如速度和位置)作为观测信息，通过卡尔曼滤波实现精确对准。
捷联惯性导航系统初始对准技术研究的开题报告
捷联惯性导航系统初始对准技术研究的开题报告一、选题背景惯性导航系统是一种基于惯性定理的导航系统，具有不受环境干扰、高精度、连续性好等优点。
而捷联惯性导航系统是一种应用较为广泛的惯性导航系统之一。
在使用捷联惯性导航系统进行导航时，必须先进行系统的初始对准，以确保后续导航的精度。
传统的捷联惯性导航系统初始对准方法采用自校验技术，需要在开车前经过两次自检，这样耗费时间长、工作量大，且可能存在准确度不高等问题。
随着对导航精度的要求提高，需要提高对准精度，以满足实际应用需求。
因此，本文拟就捷联惯性导航系统初始对准技术进行深入研究，以改善传统的初始对准方法，提高对准精度和效率。
二、研究目标本文的主要目标是研究一种新的捷联惯性导航系统初始对准技术，并与传统的自校验技术进行对比，评估新技术的可行性和优劣势，从而为实际应用提供科学、高效、精确的初始对准方法。
三、研究内容与方案1. 捷联惯性导航系统初始对准原理及传统方法研究通过对捷联惯性导航系统的原理进行分析，了解传统的自校验技术对系统的结构、性能和使用要求，并对传统技术进行分析和讨论。
2. 新技术研究及方案制定针对传统技术的缺点，提出一种新的初始对准技术，结合系统结构、性能和使用要求，制定相应的初始对准方案。
3. 实验设计与数据处理针对新技术，设计实验方案，收集导航数据，并进行数据处理和分析，评估新技术的效果和可行性。
四、研究意义本文的研究有以下几个方面的意义：1. 可为捷联惯性导航系统的实际应用提供更为高效、精确、可靠的初始对准方案。
2. 为导航领域相关技术的发展提供新思路和新方法。
3. 具有一定科研价值和实践应用价值。
五、进度安排1. 研究背景和目标阶段（1周，完成时间：第1周）2. 传统技术研究阶段（2周，完成时间：第3周）3. 新技术研究及方案制定阶段（3周，完成时间：第6周）4. 实验设计及数据处理阶段（2周，完成时间：第8周）5. 论文撰写阶段（3周，完成时间：第11周）六、参考资料1. 张利、李铭基. 惯性导航系统[M]. 中国水利水电出版社, 2006.2. 李玉荣. 惯性传感器及其应用[M]. 国防科技大学出版社, 2001.3. 刘斌. 初始对准算法在捷联惯性导航中的应用研究[D]. 西安电子科技大学, 2014.4. 邢晓晶、廖高富. 捷联惯性导航系统初始对准方法研究[D]. 洛阳理工学院, 2015.5. 杨大勇. 惯性导航技术理论与实践[M]. 北京航空航天大学出版社, 2006.。
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摘要：随着现代海上作战环境的不断发展，舰载武器系统的精准对准能力成为了海军武器装备发展的重点。
本文以动基座条件下的舰载武器捷联惯导系统初始对准为研究对象，通过对其工作原理、现有技术和发展趋势进行分析，探讨了在动基座条件下提高舰载武器捷联惯导系统初始对准精度的关键技术和途径，旨在为进一步提升舰载武器系统的战斗效能提供科学参考。
关键词：动基座；舰载武器；捷联惯导系统；对准精度一、引言舰载武器系统是海军舰艇上的重要作战装备，其对准精度直接关系到武器的打击效果和舰艇的战斗力。
在传统的静止基座条件下，舰载武器捷联惯导系统的初始对准通常采用地面测向台或者卫星导航系统进行辅助，可以较为准确地实现对准。
在动基座条件下（如舰艇航行状态），这种方法存在一定的局限性，对准精度往往无法满足实际作战需求。
如何在动基座条件下提高舰载武器捷联惯导系统的初始对准精度成为了当前研究的热点问题。
二、舰载武器捷联惯导系统工作原理舰载武器捷联惯导系统是一种集惯性导航、全球定位、地图显示和武器控制于一体的综合导航系统。
其工作原理主要包括惯导对准、系统对准和姿态跟踪等过程。
惯导对准是指利用惯性测量单元测量相对运动状态，实现导航系统的零位对准。
系统对准是指将导航系统的零位对准与舰艇姿态对准进行融合，实现对准误差的校正，使得导航系统可以准确跟踪舰艇的运动状态。
姿态跟踪是指导航系统实时监测舰艇的姿态变化，及时校正导航信息，保持系统的稳定性和准确性。
三、现有技术分析目前，针对动基座条件下的舰载武器捷联惯导系统初始对准问题，国内外学者和研究机构已经开展了大量的研究工作，提出了一系列解决方案和技术手段。
主要包括以下几个方面的技术：1. 惯导精度改进：通过优化惯导测量单元的结构和算法，提高惯导测量的精度和稳定性，从而改善惯导对准的精度。
2. 系统融合技术：利用多源信息融合技术，将惯导数据与其他导航信息（如卫星导航、地面测向等）进行融合，实现对准误差的校正，提高系统对准精度。
捷联惯性导航系统初始对准原理
机体坐标系是固连在机体上的坐标系。机体坐标系的坐标原点 位于飞行器的重心处， 沿机体横轴指向右， 沿机体纵轴指向前， 垂直于 ，并沿飞行器的数轴指向上。
2.3
对于捷联惯导系统，加速度计时沿机体坐标系 安装的，它只能测量沿机体坐标系的比力分量 ， ， ，因此需要将 ， ， 转换为 ， ， 。实现由机体坐标系到平台坐标系的坐标转换的方向余弦矩阵 又叫做捷联矩阵，本章用 来表示；由于根据捷联矩阵的元素可以单值地确定飞行器的姿态角，因此又可以叫做飞行器状态矩阵；由于捷联矩阵起到了平台的作用（借助于它可以获得 ， ， ），所以又可以叫做“数学平台”。
2.3
2.3.1
惯性导航中常用的坐标系有以下几种:
1.地心惯性坐标系（下标为i）——
惯性坐标系是符合牛顿力学定律的坐标系，即是绝对静止或只做匀速直线运动的坐标系。由于宇宙空间中的万物都处于运动之中，因此想寻找绝对的惯性坐标系是不可能的，我们只能根据导航的需要来选取惯性坐标系。对于在地球附近运动的飞行器选取地心惯性坐标系是合适的。地心惯性坐标系不考虑地球绕太阳的公转运动，当然更略去了太阳相对于宇宙空间的运动。地心惯性坐标系的原点 选在地球的中心，它不参与地球的自转。惯性坐标系是惯性敏感元件测量的基准。由于在进行导航计算时无需再这个坐标系中分解任何向量，因此惯性坐标系的坐标轴的定向本无关紧要，但习惯上我们可以将 轴选在沿地轴指向北极的方向上，而 、 轴则在地球的赤道平面内，并指向空间的两颗恒星。
（6）
其中, 的获取按照下式进行
（7）
式中， 是捷联陀螺的输出； 由姿态更新的最新值确定； 和 分别是未知速率和地球自转速率，对于导航坐标系取地理坐标系的情况有
上述分析说明，如果表征n系到b系的旋转四元数Q已经确定，那么就可以确定出运载体的航向角、俯仰角和横滚角，因此，四元数Q包含了所有的姿态信息，捷联惯导中的姿态更新实质上是如何计算四元数Q。
捷联式惯导系统初始对准方法研究
捷联式惯导系统初始对准方法研究一、本文概述随着导航技术的不断发展，捷联式惯导系统（StrapdownInertial Navigation System, SINS）已成为现代导航领域的重要分支。
由于其具有自主性强、隐蔽性好、不受外界电磁干扰等优点，被广泛应用于军事、航空、航天、航海等领域。
然而，捷联式惯导系统的初始对准问题是其实际应用中的一大难题。
初始对准精度的高低直接影响到系统的导航精度和稳定性。
因此，研究捷联式惯导系统的初始对准方法具有重要意义。
本文旨在深入研究和探讨捷联式惯导系统的初始对准方法。
对捷联式惯导系统的基本原理和组成进行简要介绍，为后续研究奠定基础。
对初始对准的定义、目的和重要性进行阐述，明确研究的重要性和方向。
接着，重点分析现有初始对准方法的优缺点，包括传统的静基座对准、动基座对准以及近年来兴起的智能对准方法等。
在此基础上，提出一种新型的初始对准方法，并对其进行详细的理论分析和仿真验证。
通过实验验证所提方法的有效性和优越性，为捷联式惯导系统的实际应用提供有力支持。
本文的研究内容对于提高捷联式惯导系统的初始对准精度、增强其导航性能和稳定性具有重要意义。
所提出的新型初始对准方法有望为相关领域的研究提供新的思路和方向。
二、捷联式惯导系统初始对准理论基础捷联式惯导系统（Strapdown Inertial Navigation System，SINS）的初始对准是其正常工作的前提，对于提高导航精度和长期稳定性具有重要意义。
初始对准的主要目的是确定惯导系统载体在导航坐标系中的初始姿态，以便为后续的导航计算提供准确的基准。
捷联式惯导系统的初始对准过程涉及多个理论基础知识，包括载体运动学、动力学模型、误差分析以及滤波算法等。
载体运动学模型描述了载体在三维空间中的姿态、速度和位置变化，是初始对准过程中姿态解算的基础。
动力学模型则用于描述载体在受到外力作用下的动态行为，为误差分析提供了依据。
在初始对准过程中，误差分析是至关重要的。
水下航行器捷联导航系统初始对准原理仿真研究
■ 【术发 ｌ 技研 ｌ
水下 航 行 器 捷联 导航 系 统初 始 对 准 原理 仿 真 研 究
贺新耀
（ １ ３部 队三 中队 三分队 ９６０
杨文杰
广东 广州 ５００） １５ ０
中图分类号：Ｕ ６ ． ２ 文献标识码：Ａ 文章编号 ：１ ７ －７ ９ ２ １ ）１ １ ０ ８ ０ ６ ６１ ６ １ ５ ７（ ０ Ｏ ０ ０ ８ － １
３仿 真豢件 曩结 果
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一
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一
３ １仿真 条件 ． 在仿 真 软件 ｍ ｔａ ７０ 境 下，程 序 设置 的 仿真 条件 如 下： 仿真 时问 ａ ｌｂ ．环
为１０秒：真实姿态角航向角、纵摇角和横摇角分别为 【 ｅ 纠 ＝ ｏ ｏ ００ ％ 『
方便 的解算 出航行器 的位 置信息 。 Ｉ２系统 电气构 成 ．
图ｌ （） 捷 联惯 导系 统北 向通 道水 平对准 原理 图 ｂ
捷联惯性导航系统分为惯性测量单元模块、信号接口模块与信息转换
模 块 、导航 计算 机系统 以及 电源模块 。 惯性 测 量单 元 由分别 三个 陀螺 和 三个 加速 度 计组 成 ，通过 Ｒ４ ２ Ｓ ２ 串行 总 线接 口。将 角速度 和 加速度 信 息传送 到 导航计 算机 系统 中 ，经过 数据 解 算 实时得 出航 向姿 态信息 ，再经 由Ｒ２ ２ 口传输 到系 统外部 。 Ｓ３接 ２擅联惯 导系统 罗经 法对准 曩理 捷联惯 导系统 用通 过构造 数学 平 台代 替 了平 台惯导 系统 的真实平 台， 因此 可 以将 平 台惯导 系统 的罗 经对 准方 法移 植到 捷联 惯导 系统 中， 也就 是 说将 平 台系 统罗 经对 准 中用于控 制 平 台的实 体运动 的 信号 。使用 数学 的方
捷联惯导的初始对准
目前有关初始对准问题的研究 主要集中在误差模型的建立、模 型求解方法和误差模型的可观性 分析三个方面。
1.初始对准误差模型：
捷联惯导系统初始对准的误差模型及常用 算法研究的基础模型有Ψ角误差模型和Φ角误 差模型。
2.求解误差模型的方法： (1)古典方法 (2) Kalman滤波 (3) H∞鲁棒控制理论 (4)神经网络
图２中，常规方法约２００ｓ的 时间δΦＵ才能收敛理论精度εＥ／ ΩＮ附近，而快速算法用约５０ｓ 的时间δΦＵ就能收敛到εＥ／ΩＮ。 由于εＥ具有很小的可观测度，使 得δΦＵ随着时间推移会逐渐下降， 但是对对准精度影响不明显。仿真 实验结果说明该快速算法与常规算 法的精度相当，而ΦＵ估计速度大 大优于常规算法，有效提法的精度相当，而对准时间 大大优于常规算法。
1、捷联惯导系统初始对准技术综述（ 作者：洪慧慧 李杰 马幸 曲芸 ） 2、一种新的捷联惯导快速对准方法 黄湘远，汤霞清，郭理彬 （装甲兵工程学院，北京 １０００７２） 3、 万德钧，房建成．惯性导航初始对准［Ｍ］．南京：东南大 学出版社，１９９８． ［２］ 徐晓苏，孙学慧，扶文树．弹载捷联惯导系统快速两位置 自对准［Ｊ］．中国惯性技术学报，２００７，１５（２）：１３９ －１４２． 4、 ＺＨＡＮＧ Ｔｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｂｏ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｏｂｓｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＳＩＮＳ／ＧＰＳ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ５ｔｈ Ｗ ｏｒｌｄ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏ ｎ，ＩＥＥＥ，２００４：１５８４ －１５８７．
5、 秦永元．惯性导航［Ｍ］．北京：科学出版社，２００６． 6、 高伟熙，缪玲娟，倪茂林．一种引入陀螺角速度信息的快 速对准方法［Ｊ］．宇航学报，２０１０，３１（６）：１５９７ －１６０１． 7、 熊剑，刘建业，赖际舟，等．一种陀螺量测信息辅助的快 速初始对准方法［Ｊ］．宇航学报，２００９，３０ （４）：１４ ５５－１４５９． 8、 汪滔，吴文启，曹聚亮，等．基于转动的光纤陀螺捷联系 统初始对准研究［Ｊ］．压电与声光，２００７，２９（５）：５ １９－５２２．
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bC，有些资料上称姿态矩阵g为捷联矩阵或方向余弦矩阵bC。
捷联惯性系统初始对准研究
研究生签名：
导师签名：歪望塾日期：至ＱＱ鱼生圣县
东南大学硕士学位论文
第一章绪论
１．１课题背景
由于捷联惯性系统具有较高的精度、良好的可靠性、轻巧的体积、低廉的价格等特点，因此， 很多舰载武器系统，如舰炮、雷达、导弹等均在其附近安装了捷联系统为其提供姿态基准信息。但 是另一方面，为适应现代战争的需要，越来越多的武器系统被研发出来，并且陆续装备到现代舰船
ａｔｅ
ｄｅｆｉｎｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｕｐｄａｔｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｏｆ ＳＩＳ ａ糟ｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｄｙｎａｍｉｃｓ
ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｂａｓｅｄ Ｏｎ ｇｅｏｇｒａｐｈｙ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ａｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｅ ｅｎ＇ｏｒ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ＳＩＳ ａ∞ ｄｅｒｉｖｅｄ． ２．Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｉｎｉｔｉａｌ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ａｔ ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ
船体速度在导航坐标系上分别沿东、北、天方向的投影 纬度、经度 子午线曲率半径、与子午线垂直的法线平面的曲率半径
东向速度误差 北向速度误差 东向失准角 北向失准角 天向失准角
Ｒ砖Ｑ罐砧《《厶％厶
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彤
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以磊丸凹 监
纵摇角误差 横摇角误差 航向角误差 ｚ向加速度计偏置 Ｙ向加速度计偏置
脯
Ｌ．彤＆
Ｘ向陀螺漂移 Ｙ向陀螺漂移
不需要其它外部信息，自主性强。非自主对准可通过机电或光学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。在捷联式惯性系统的粗对准阶段，可引入主惯性系统的航向姿态信息，
光学捷联惯导系统初始对准教程课件
基于滤波理论的初始对准方法
概述
基于滤波理论的初始对准方法主要利用滤波 算法对系统状态进行估计，通过最优估计来 达到初始对准的目的。
优点
滤波算法相对简单，易于实现，且具有一定的鲁棒 性。
缺点
对于非线性系统，滤波算法的精度和稳定性 可能受到影响。
基于机器学习的初始对准方法
概述
基于机器学习的初始对准方法主要利用机器学习算 法对系统状态进行预测和估计，通过学习来达到初 始对准的目的。
优点
机器学习算法可以处理大规模数据，且具有较强的 自适应能力。
缺点机器学习算法的训练和优化过程较复杂，且需要 大量的数据支持。
04
光学捷联惯导系统初始对准实验
实验设备与环境
实验设备
光学捷联惯导系统、计算机、数据采 集卡、电源等。
实验环境
室内、室外均可，需要保证环境光线 的充足，避免强光直射。
实验步骤与操作流程
02 精1. 度分和析稳系定统性输；出的姿态角、速度等数据的
03
2. 比较不同初始条件下系统输出的差异；
04
3. 分析系统误差来源，提出改进措施。
05
常见问题与解决方案
初始对准精度问题
总结词
初始对准精度问题通常表现为对准结 束后系统输出的姿态、位置与真实值 存在较大偏差。
详细描述
解决方案
采取一系列措施来提高初始对准精度， 包括使用高性能的陀螺仪和加速度计、 优化算法以减小误差、实施抗干扰设 计等。
提高初始对准精度的研究重点
优化算法
研究更高效、稳定的算法，提高初始对准的精度 和速度。
硬件优化
改进和优化硬件设备，提高其稳定性和精度，为 初始对准提供更好的基础。
第六章 惯性导航系统的对准
初始对准的目标：精度高，时间短。在尽可能短的 时间内达到最高的对准精度，是捷联惯导初始对准 技术所追求的目标。捷联惯导的初始对准就是确定 初始时刻的姿态矩阵，即数学平台。
6.1 基本原理
捷联惯性导航系统的初始对准分类：
按照对准阶段来分，初始对准一般分为:
第一阶段为粗对准;捷联系统粗对准的任务是得到粗略的捷
联矩阵，为后续的精对准提供基础，此阶段精度可以低一些， 但要求速度快; 第二阶段为精对准。精对准是在粗对准的基础上进行的， 通过处理惯性敏感元件的输出信息，精确校正计算的导航坐 标系与理想导航坐标系之间的失准角，使之趋于零，从而得 到精确的捷联矩分，可以分为静基 座对准和动基座对准。静基座对准时运载体是不动的， 而动基座对准是在运载体运动状态下完成的。 按照初始对准时是否取得外部信息，可以分为自对 准和非自对准。自对准是利用重力矢量和地球自转角 速率矢量通过解析的方法实现的初始对准，这种对准 方法的优是自主性强，缺点是所需的对准时间长。非 自主式对准可以通过机电或光学方法将外部参考信息 引入系统，实现惯性系统的初始对准。
第六章 惯性导航系统的对准
6.1 6.2 6.3 6.4 基本原理 地面对准 空中对准 海上的对准
6.1 基本原理
对准：确定惯性导航系统中各坐标轴相对于参考坐 标系指向的过程。 对准过程的类型：利用陀螺罗经的自对准 子系统相对基准的对准
对准过程主要是确定由加速度计轴定义的直角坐标 系相对于给定的参考坐标的指向角
6.1 基本原理
捷联系统初始对准首先是利用外部信息或由惯性测量组件提供 的信息粗略地确定出捷联矩阵。由于没有考虑到惯性测量元件 的测量误差等的影响，这时给出的捷联矩阵与真实的捷联矩阵 之间存在误差，相应于实际的地理系与理想的地理系之间存在 失准角，造成加速度计测量的比力经过捷联矩阵转换后在地理 坐标系的水平方向有分量。初始对准就是应用这个信息来不断 地估计水平失准角 的。 当数学解析平台有方位失准角 时，则地球自转角速率分 量。 . 就藕合到解析平台的东轴上，就使数学解析 平台绕东西轴旋转，从而产生水平倾角 。为了使解析平台 保持水平，必须在东西轴上加一个控制信号，从而使数学解析 平台稳定在地理坐标系上。
光学捷联惯导系统初始对准详解
VN
VU
E N
U
b b b Bx By Bz
Cbn
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
6.2 自对准技术
把上式改写成矩阵形式：
g b T g n T n b T n T ie ie Cb b n b T n T g ie g ie
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
6.2 自对准技术
对准中仅将陀螺漂移和加速度零偏的 随机常数部分列入状态：
b Bi 0,(i x, y, z )
b i 0,(i x, y, z )
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
6.2 自对准技术
取状态变量为：
X VE
按基座运动状态的不同:
静基座对准
动基座对准
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
6.1 捷联惯导系统初始对准基本原理
初始对准的分类及要求
按对外信息需求的不同：
自主式对准
非自主式对准
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
6.1 捷联惯导系统初始对准基本原理
初始对准的分类及要求
自主式对准指惯导系统依靠重力矢量和地球自
b 的测量值 b 由于在载体系中只能得到 g b 和 ie g
b 和 ie ，按照上式只能计算出 Cbn 的估计值 Cbn 。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
6.2 自对准技术
精对准
经过粗对准后，得到的初始捷联矩阵还不准确，即存在姿 态误差，精对准阶段就是要对姿态角误差做出估计并进行修正， 从而获得准确的捷联矩阵。可以基于第四章和第五章述及的误 差方程和卡尔曼滤波进行姿态误差估计和修正。
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5.平台坐标系（下标为p）——
平台坐标系是用惯导系统来复现导航坐标系时所获得的坐标系。平台坐标系的坐标原点 位于飞行器的重心处。当惯导系统不存在误差时，平台坐标系与导航坐标系相重合；当惯导系统出现误差时，平台坐标系就要相对导航坐标系出现误差角。对于平台惯导系统，平台坐标系是通过平台台体来实现的；对于捷联惯导系统，平台坐标系则是通过存储在计算机中的方向余弦矩阵来实现的，因此又叫做“数学平台”。对于平台惯导系统，平台坐标系与导航坐标系之间的误差是由平台的加工、装配工艺不完善、敏感元件误差以及初始对准误差等因素造成的；而对于捷联惯导系统，该误差则是由算法误差、敏感元件误差以及初始对准误差造成的。
2.3
2.3.1
惯性导航中常用的坐标系有以下几种:
1.地心惯性坐标系（下标为i）——
惯性坐标系是符合牛顿力学定律的坐标系，即是绝对静止或只做匀速直线运动的坐标系。由于宇宙空间中的万物都处于运动之中，因此想寻找绝对的惯性坐标系是不可能的，我们只能根据导航的需要来选取惯性坐标系。对于在地球附近运动的飞行器选取地心惯性坐标系是合适的。地心惯性坐标系不考虑地球绕太阳的公转运动，当然更略去了太阳相对于宇宙空间的运动。地心惯性坐标系的原点 选在地球的中心，它不参与地球的自转。惯性坐标系是惯性敏感元件测量的基准。由于在进行导航计算时无需再这个坐标系中分解任何向量，因此惯性坐标系的坐标轴的定向本无关紧要，但习惯上我们可以将 轴选在沿地轴指向北极的方向上，而 、 轴则在地球的赤道平面内，并指向空间的两颗恒星。
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 ，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 也可表示为 ， 其导航原理图如图2.1所示。
第二
2
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 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 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--- ，陀螺的输入量为地球自转角速率 。因此 与 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 的初始值。
4.导航坐标系（下标为n）——
导航坐标系是在导航时根据导航系统工作的需要而选取的作为导航基准的坐标系。当把导航坐标系选得与地理坐标系相重合时，可将这种导航坐标系称为指北方位系统；为了适应在极区附近导航的需要往往将导航坐标系的 轴仍选得与 重合，而使 与 及 与 之间相差一个自由方位角或游动方位角 ，这种导航坐标系可称为自由方位系统或游动自由方位系统。
2.地球坐标系（下标为e）——
地球坐标系是固连在在地球上的坐标系，它相对于惯性坐标系以地球自转角速率 旋转， 。地球坐标系的原点在地球中心 ， 轴与 轴重合， 在赤道平面内， 轴指向格林威治经线， 轴指向东经 方向。
3.地理坐标系（下标为t）——
地理坐标系是在飞行器上用来表示飞行器所在位置的东向、北向和垂线方向的坐标系。地理坐标系的原点 选在飞行器的重心处， 指向东， 指向北， 沿垂线方向指向天（东北天）。对于地理坐标系，在不同的惯导文献中往往有不同的取法。所不同之处仅在于坐标轴的正向的指向不同，如还有北西天、北东地等取法。坐标轴指向不同于仅使向量在坐标系中取投影分量时的正负号有所不同，并不影响导航基本原理的阐述及导航参数计算结果的正确性。
6.机体坐标系（下标为b）——
机体坐标系是固连在机体上的坐标系。机体坐标系的坐标原点 位于飞行器的重心处， 沿机体横轴指向右， 沿机体纵轴指向前， 垂直于 ，并沿飞行器的数轴机体坐标系 安装的，它只能测量沿机体坐标系的比力分量 ， ， ，因此需要将 ， ， 转换为 ， ， 。实现由机体坐标系到平台坐标系的坐标转换的方向余弦矩阵 又叫做捷联矩阵，本章用 来表示；由于根据捷联矩阵的元素可以单值地确定飞行器的姿态角，因此又可以叫做飞行器状态矩阵；由于捷联矩阵起到了平台的作用（借助于它可以获得 ， ， ），所以又可以叫做“数学平台”。