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 —。
传递对准惯导系统的初始对准精度试验估计11
Ｆ ｔ （） ｎ 维噪声矩阵。 — ｘ ｐ
基本状态如下式所示
进 评 问 ，二。 小 差 计 。。 行 估的 题中 ｊ ０最 方 估 为分，平 滑 是从ｋ Ｎ Ｉ 始， 二 一 开 计算到ｋ 由分 逐步向 ＝ ， ０ 。 后 递 依 得 反向 推， 次 到岛－ ｝ ， 、 ｉ－ １ 分＿ ， Ｎ１ …， １ Ｎ 二 ３ｉ Ｎ ｉＩ Ｏ。 Ｎ
度噪声可以被看作白噪声。
４ 对准精度的最优平滑试验估计
４１ 参考系统的选取和试验系统构造 ．
为了对子惯导的初始对准精度进行试验评估，
３ 关于载体结构弹性高频振动和挠曲变形
由于动载荷作用引起的载体结构弹性高频振动
和挠曲变形（ 飞机机动飞行或阵风， 海浪冲击等均会 使飞机机翼或舰身产生形变） 将导致弹载子惯导系 统与载体之间的相对运动， 并引发量测误差， 所以
航空兵器 ２０ 年第 ６ ０１ 期
・ 论文与报告 ・
，７
传递对准惯导系统的初始对准精度试验估计
苏 身榜
（ 中国空空导弹研究院 洛阳， ７０９ ４１ ） ０
摘 要： 论了 种 基 条 使用 子 ｝ 统的 讨 一 动 座 件下 的 惯４系 初始对准 精度评 估方法， 提出
利用 ＩＳ Ｎ 或差分ＧＳ Ｐ 等参考系 统与被试系 统组成一个机载导航数据测试系统， 采用卡尔曼
机翼的挠曲变形角速度矢量， 其三阶马尔科夫过程
在频域内可表示为
准误差） 为
。、 ） 二Ｓ （ ＝ ｘ， ｚ ｓ ２ ａ ｙ，
巾 ｔ ＝ Ｔ（ ） Ｎ： ｕ‘ ］ Ｅｔ Ｏ（ ） （ ） ［ ｏ ０（ ） ｏ 。 。
（） ４
： ） （＋ ） ２２Ｎ ＋ ’ （ 二ｓ 凤（ ＋｝， 双） ｓ ｓ ， Ｓ
-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
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。
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。
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。
9-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。
7 状态变量可观测性的分析
7.1 古卓夫柯夫定义的可控性和可观性
考虑定常系统
x& = Ax + Bu
[ ] [ ] 式中， A = aij ∈ Rn×n，B = bij ∈ Rn×m。
设初始条件为零，对上式进行拉氏变换，由克莱姆法则可以得到
xi
(s)
=
∆i ∆
(i = 1,L,n)
式中
(s − a11) − a12 L − a1n
振荡误差有三种：
（1）休拉振荡 周期为 84.4 分。
（2）地球振荡 周期为 24 小时。
（3）傅科振荡 周期为 51 小时，频率为ωe sinϕ 。
傅科振荡周期随纬度而变，纬度越低，周期越长，在赤道上，傅科 振荡频率为零，傅科振荡消失；在两极，傅科振荡退化为地球振荡。
傅科振荡对休拉振荡起调谐作用。
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。
4.1 粗对准
在静基座上，加速度计测得的是重力加速度矢量在飞行器坐标系 b 中的分量，陀螺仪测得的是地球自转角速度矢量在 b 系中分量。而这两 个矢量在导航坐标系——地理坐标系 E 中的分量是已知的
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．
惯导系统的初始对准
z
YP
Yg Xg
ZXP
方位对准原理 2、罗经效应 （1）cos 产生原因
方位对准原理
（1） z cos
产生原因
方位对准原理
（2）zcos 的作用
方位对准原理
对准精度：水平精度达10角秒左右 方位精度2~5角分
对准时间：几至十几分钟以内
对准的基本概念 4、方法及分类：
（1）自主式对准：静基座 （2）传递对准：动基座 （3）空中对准：组合导航
对准的基本概念 5、对准过程：
粗对准：对准时间是主要指标
精对准：对准精度是主要指标
平台锁定
一种快速拉平和定向过程。惯导系统利用自 身设备，将平台用机械的方法，使平台近似趋于 水平和定向，不致使平台环架偏离要求角度过大。
c x
Mc x
x ←平台转动←稳定回路
水平对准的实质是通过加速度计敏感 重力加速度分量。即通过垂直找水平。
水平对准原理
水平对准原理
2、水平对准回路分析
g
▽y(s)
+ Vy +
1/S
1/R -
x + x 1/S -
x0
+
x(s)
闭环传递函数
zcos
1
1
1
A(s) Rs2 R R
1
g Rs2
误差方程及其简化 简化的指北系统误差方程：
Vy
x g
y
Vx y g x
x
Vy
R
z cos
x
y
Vx
R 通道
水平对准原理 1、水平对准基本原理
▽y(s) + + Vy 1/S
g x
惯导惯性导航系统初始对准
E
VE
R
e sin
N
tan
R
VE
e
cos
惯导惯性导航系统初始对准
静基座惯导系统误差方程
对应的方块图为
惯导惯性导航系统初始对准
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
惯导惯性导航系统初始对准
单回路的初始对准
水平对准 方位对准
惯导惯性导航系统初始对准
惯导惯性导航系统初始对准
单回路的初始对准—水平精对准
得到简化后的方块图为
惯导惯性导航系统初始对准
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
惯导惯性导航系统初始对准
单回路的初始对准—水平精对准
惯导惯性导航系统初始对准
陀螺漂移的测定—水平陀螺漂移 的测定
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。
惯导惯性导航系统初始对准
捷联式惯导系统的初始对准
解析粗对准原理
V N R
VN R
e cos
e sin
E
VE R
e sin
e sin
N
tan R
VE
e cos
e cos
若：假定载体 所在地的纬 度是准确知 道的
则： 0
9-初始对准教程
（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。 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。 平台式惯导系统的水平对准精度达到 10”以内，方位对准精度达 2’~5’以内。 为了使初始对准达到精而快的要求，陀螺仪与加速度计必须具有足 够高的精度和稳定性，系统的鲁棒性要好，对外界的干扰不敏感。
4．静基座对准
捷联式惯导系统初始对准的任务就是确定从机体坐标系到导航坐 标系的初始变换矩阵。对准过程分为两个阶段：粗对准和精对准。
4.1 粗对准
在静基座上，加速度计测得的是重力加速度矢量在飞行器坐标系 b 中的分量，陀螺仪测得的是地球自转角速度矢量在 b 系中分量。而这两 个矢量在导航坐标系——地理坐标系 E 中的分量是已知的
（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
卡尔曼滤波与组合导航原理—初始对准
.
27
2.3 惯导系统的误差方程
静基座初始对准时，位置和垂直方向速度可准确知道 惯导系统的误差方程可简化为：
rN 0 siL n L
1
0
0
0
0
0 rN 0
rE
rV D N
sL iL nc0oLsc0oLs
g/R 0
0
0 0 0
1
0
(2)siL n
0
1 L
0
0
0
0
0
fD
0 rE 0
0 fE
rV D N
惯导系统的Ψ角误差方程：
惯导系统的误差模型可由下列3个基本方程表示：
V V f g
r rV
（2.3.1）
• δV、r和Ψ分别为速度、位置和姿态矢量
• Ω为地球自转角速度
• ω为导航坐标系相对惯性坐标系的角速度矢量
• ▽是加速度计常值偏值，ε是陀螺常值漂移
• f是比力，△g是重力矢量计算误差，
静基座条件下速度误差方程：
速度误差定义为计算速度与真实速度之差
V N 2 sL iV E n E g N
V E 2 sL iV n N N g E
静基座条件下位置误差方程：
（2.3.9）
L
1 R
VN
VE secL
R
.
32
2.3 惯导系统的误差方程
最终可得，平台惯导系统的Φ角误差方程： 不考虑δλ平台惯导系统的Φ角误差方程可简化为：
可以证明两种模型是等价的！
.
23
2.3 惯导系统的误差方程
描述惯导系统误差特性的微分方程可分为：
两种
平动误差方程 表示形式
变量取为位置误差 变量取为速度误差
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
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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
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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 )
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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
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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
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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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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
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
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
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。
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
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
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输入 轴和陀螺敏感轴与这些矢量的特殊关系 来实现的。
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。
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
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。
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
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
2
二阶水平对准回路方 块图
R 1 K 2 V E N R
VN e cos E
水平对准结束后，有平衡条件
0
1 K2 0 VN e cos E R 1 K2 0 VE N R
陀螺漂移的测定—水平陀螺漂移 的测定 加速度计的输出值，是可观测的
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
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？
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
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
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
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
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。
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
E e cos E N N
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
单回路的初始对准—方位对准
方位对准回路原理方 块图
K3 K ( s) e cos ( s K 4 )
K ( s) K3 e cos ( s K 4 )
直接影响方位 对准精度
稳态误差
s
e cos
E
(1 K 2 ) K 4 RK3
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
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
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。
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。