捷联惯导／天文组合导航

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§3.9捷联式惯导系统介绍

G G dωie G dr 对上式求导，假定地球旋转角速度是常矢量， = 0且 = ve ，可得 dt dt e G K dv e G G d 2r K K G = + ωie × ve + ωie × [ωie × r ] 2 dt i dt i
而
K G G d 2r = f +G dt 2 i
G G G G G dv e K K G = f − ωie × ve − ωie × [ωie × r ] + G dt i
b 标系 Oe X iYi Z i 的角速度 ωib ，上角标 b 表示该角速度在 b 坐标系上的投 b 进行姿态矩阵 Cbi 计算。由于姿态矩阵 Cbi 中的元素是影。利用 ωib
OX bYb Z b 相对 OX iYi Z i 的航向角、横滚角、俯仰角的三角函数构成，
所以当求得了姿态矩阵 Cbi 的即时值，便可进行加速度计信息的坐标变换和提取姿态角的大小。这三项功能实际上就代替了平台式惯性导航系统中的稳定平台的功能，这样计算机中的这三项功能也就是所谓
哥氏校正
fb
比力测量值的分解
fi
∑
∑
速度v e和位置的估计值
i
导航计算
Cbi
固连于载体的陀螺
ω
b ib
速度和位置的初始估计值姿态计算
姿态的初始估值
图捷联式惯导系统——惯性坐标系机械编排
3、当地地理坐标系的机械编排
在这种机械编排中，地理坐标系表示的地速是 vet ，它相对于地理坐标系的变化率可通过其在惯性坐标系下的变化率表示 G G dv e dv e G G G = − [ wie + wet ] × ve dt t dt i G G G G G G dv e dve 用，得 = f − ωie × ve + g1 替代 dt t dt i G G dv e G G G K = f − [2 wie + wet ] × ve + g1 dt t 表示在选定的导航坐标系（地理坐标系）中，有

捷联惯性／星光组合导航车载试验研究

ｉｔｇａｅｎｖｇｔｎｙｔｍａｅｎｅｒｔｄａｉａｉｓｓｅｏｒｄｏｅｓｎｇｘｓｉｎｕｉｅｉｔｎｇｅｕｐｎｓＦｅｓｂｌｔｎｄｅｆｃｉｅｓｆｔｅＳＮＳｑｉｍｅｔ．ａｉｉｙａｆｅｔｎｅｓｏｈＩ／ｉｖｓａｉｔｇａｅｎｖｇｔｏｓｓｅｔｒｎｅｒｔｄａｉａｉｎｙｔｍａｅｄｍｏｓｒｔｄｒｅｎｔａｅ
空间控制技术与应用
・
４・４
ＡｅｏｐｃｎｒｌａｄＡｐｌｃｔｎｒｓａｅＣｏｔｏｎｐｉａｉｏ
第３４卷第６期２００８年１２月
地球的运动规律来测量天体相对于载体的精确坐
捷联惯性／星光组合导航
敏感器由光学探测系统、遮光罩和ＣＤ敏感器等Ｃ组成。系统组成框图如图１示。所
（ｅｉｎｔｕｕｍｔｏｔｌｑｉｍｎ，ＢｉｎＩｉｔｏＡｔａｉＣｎｒｕｅｔｊｇｓｔｅｆｏｃｏＥｐ
Ｂｉｎ００４，ｈｎ）ｅｉ１０７Ｃｉｊｇａ
试验
２捷联惯性／光组合导航系统的组成星
文献标识码：Ａ
中图分类号：４９Ｖ２
文章编号：６４１７（０８０￣０４０１７ —５９２０）６４ —４
组合导航系统从硬件结构上可分成捷联惯导
系统和星敏感器两部分，中捷联惯导系统由光纤其ＩｖｓｉａｉｎＯｎＳＮＳｔｒＩｔｇａｅｎｅｔｇｔｏＩ／Ｓａｎｅｒｔｄ

激光捷联惯性导航系统

HT-LG-H激光捷联惯性导航系统使用说明书1 概述HT-LG-H激光捷联惯性导航系统（以下简称惯导系统）是陕西航天长城测控有限公司研制的高精度自主寻北、惯性组合导航系统。

该惯导系统由高精度激光陀螺、石英挠性加计、加计采集板、导航计算机、二次电源等部件组成，能够满足航空、陆用等设备的高精度定向/定位等功能的需求。

系统采用集成化，数字化、先进的对准导航算法等设计技术，具有高可靠性和环境适应性，可在阵风、发动机工作等严酷环境条件下完成高精度寻北；具备纯惯性导航功能，同时系统自带GPS/GLONASS卫星接收机，具有INS/GNSS组合导航功能；对外通信方式为RS-422总线。

2 主要功能与性能2.1 主要功能2.1.1 自检功能具备上电自检功能，可输出自检结果，可将故障分离到部件级。

2.1.2 初始标定功能接受外部输入的初始标定信息并完成初始标定。

2.1.3 寻北功能接受寻北指令，完成寻北并输出寻北结果。

2.1.4 导航功能完成寻北后自动转入导航状态；具有INS纯惯性导航功能和INS/GNSS组合导航功能。

2.2 主要性能惯导系统的主要性能指标如表1所示。

表1 惯导系统主要性能指标3 接口3.1 机械接口惯导系统采用4个M8-7H螺钉连接到专用过渡板上，过渡板采用4个M8-7H 螺钉安装到用户载体上，载体安装平面其平面度要求优于0.02mm；其详细要求2陕西航天长城测控有限公司见图1惯导系统机械接口图与图2过渡板接口图。

图1 惯导系统机械接口图图2 专用过渡板机械接口图 TAL:029- FAX:029-3图3 惯导系统等轴侧视图图4 惯导系统正视图3.2 电气接口3.2.1 电源接口电源接口用连接器选用的是中航光电（158厂）生产的JY27468T17B08PN圆形插座。

其接口定义如表2所示。

序号管脚号定义名称备注1 C +24V 24V电源2 E +24V 24V电源3 D 24V_GND 电源地4 F 24V_GND 电源地3.2.2 通讯接口通讯接口连接器选用的是中航光电（158厂）生产的JY27468T17B12PN圆形插座。

捷联惯导算法与组合导航原理讲义

捷联惯导算法与组合导航原理讲义一、捷联惯导算法捷联惯导（Inertial Navigation System，INS）是一种通过测量惯性传感器的运动参数实现导航定位的技术。

惯性导航系统中包括了加速度计和陀螺仪等传感器，通过测量物体的加速度和角速度，可以推算出物体的位置、速度和姿态等信息。

1.1加速度计加速度计是一种测量物体加速度的传感器。

常见的加速度计有基于压电效应的传感器和基于微机电系统（Microelectromechanical System，MEMS）的传感器。

加速度计的原理是通过测量物体受到的惯性力，推算出物体的加速度。

由于加速度是速度对时间的导数，因此通过对加速度的积分操作，可以计算出物体的速度和位移。

1.2陀螺仪陀螺仪是一种测量物体角速度的传感器。

常见的陀螺仪有机械陀螺仪和MEMS陀螺仪等。

陀螺仪的原理是基于角动量守恒定律，通过测量转动惯量的变化，推算出物体的角速度。

与加速度计类似，通过对角速度的积分操作，可以计算物体的姿态。

1.3捷联惯导算法离散时间模型中，位置、速度和姿态等状态变量通过积分加速度和角速度来更新。

由于加速度计和陀螺仪测量结果存在噪声，因此在积分操作时需要加入误差补偿算法来消除误差。

常见的误差补偿算法有零偏校正和比例积分修正等。

连续时间模型中，位置、速度和姿态等状态变量通过微分方程来描述，并通过求解微分方程来更新状态。

由于计算量较大，通常需要使用数值积分方法来求解微分方程。

常见的数值积分方法有欧拉法、中点法和四阶龙格-库塔法等。

二、组合导航原理组合导航是一种融合多种导航技术的导航方式。

常见的组合导航方式有捷联惯导与GPS组合导航。

组合导航通过融合多种导航系统的测量结果，可以提高导航定位的精度和可靠性。

2.1捷联惯导与GPS组合导航捷联惯导与GPS组合导航是一种常见的组合导航方式。

在这种方式下，捷联惯导提供了高频率的惯导数据，可以提供较高的定位精度，但是由于其测量结果累积误差较大，会逐渐偏离真实轨迹。

捷联惯导／航位推算组合导航算法研究

孙铭，周琪。，崔潇，秦永元
（１．西北工业大学陕西西安７１０１２９；２．西安飞行自动控制研究所陕西西安７１００６５）摘要：当捷联惯组（ＳＩＭＵ）安装到栽车上存在安装误差时，航位推算误差与安装误差、里程计刻度系数误差、初始对准
第电子设计工程
ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｓｉｇｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１３年８月
Ａｕｇ．２０１３
捷联惯导／航位推算组合导航算法研究
惯导系统以其提供导航信息的全面性和完全的自主性．
特性同单独航位推算定位误差特性相似．即初始对准误差、
安装误差、里程仪的刻度系数误差影响姿态和定位误差。文中在考虑惯组和载车间的安装误差的情况下推导了航位推算的误差方程。并以此构建惯导，航位推算卡尔曼滤波方程，实现对上述误差的估计［４１。
ｗｅｌｌａｓｔｈｅｍｉｓａｌｉｎｍｅｇｎｔｅｌｌ＇ｏｒｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅＳＩＭＵｄｅｆｅｃｔｉｖｅｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ．ＳＩＮＳ／ＤＲｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｃａｎｅｓｔｉｍａｔｅｓｕｃｈｅｒｒｏｒｓｅｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ，ｓｙｓｔｅｍｅｑｕａｔｉｏｎｓｏｆＳＩＮＳ／ＤＲＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍａｒｅｄｅｒｉｖｅｄｗｈｅｎｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｉｓｅｑｕｉｐｐｅｄｗｉｔｈａｎＳＩＭＵ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｌｙａｓｉｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｉｎｔｅｒａｇｔｅｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｃａｎｅｆｅｃｔｉｖｅｌｙｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｉｎｓｔｌｌａａｔｉｏｎｅｌｒｏｒ，ｔｈｅｈｏｉｒｚｏｎｔａｌｇｙｒｏｒａｎｄｏｍｂｉａｓａｎｄａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｒａｎｄｏｍｂｉａｓｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＩＭＵ；ｄｅａｄｅｃｒｋｏｎｉｎｇ；ｉｎｔｅｒａｇｔｅｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｅｌＴｏｒ

捷联惯导算法与组合导航原理讲义

捷联惯导算法与组合导航原理讲义严恭敏，翁浚编著西北工业大学2016-9前言近年来，惯性技术不论在军事上、工业上，还是在民用上，特别是消费电子产品领域,都获得了广泛的应用,大到潜艇、舰船、高铁、客机、导弹和人造卫星，小到医疗器械、电动独轮车、小型四旋翼无人机、空中鼠标和手机，都有惯性技术存在甚至大显身手的身影。

相应地，惯性技术的研究和开发也获得前所未有的蓬勃发展，越来越多的高校学生、爱好者和工程技术人员加入到惯性技术的研发队伍中来。

惯性技术涉及面广，涵盖元器件技术、测试设备和测试方法、系统集成技术和应用开发技术等方面，囿于篇幅和作者知识面限制，本书主要讨论捷联惯导系统算法方面的有关问题，包括姿态算法基本理论、捷联惯导更新算法与误差分析、组合导航卡尔曼滤波原理、捷联惯导系统的初始对准技术、组合导航系统建模以及算法仿真等内容。

希望读者参阅之后能够对捷联惯导算法有个系统而深入的理解，并能快速而有效地将基本算法应用于解决实际问题。

本书在编写和定稿过程中得到以下同行的热心支持，指出了不少错误之处或提出了许多宝贵的修改建议,深表谢意:西北工业大学自动化学院：梅春波、赵彦明、刘洋、沈彦超、肖迅、牟夏、郑江涛、刘士明、金竹、冯理成、赵雪华；航天科工第九总体设计部：王亚军；辽宁工程技术大学：丁伟；北京腾盛科技有限公司：刘兴华；东南大学：童金武；中国农业大学:包建华；南京航空航天大学：赵宣懿；武汉大学：董翠军;网友：Zoro；山东科技大学:王云鹏。

书中缺点和错误在所难免，望读者不吝批评指正.作者2016年9月目录第1章概述 (6)1.1捷联惯导算法简介 (6)1.2 Kalman滤波与组合导航原理简介 (7)第2章捷联惯导姿态解算基础 (10)2。

1反对称阵及其矩阵指数函数 (10)2。

1。

1 反对称阵 (10)2。

1.2 反对称阵的矩阵指数函数 (12)2。

2方向余弦阵与等效旋转矢量 (13)2.2.1 方向余弦阵 (13)2。

捷联惯性导航原理

捷联惯性导航原理捷联惯性导航（Inertial Navigation System，简称INS）是一种基于捷联惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）的导航系统。

该系统通过测量物体在空间中的加速度和角速度，进而推导出它的位置、速度和航向等导航信息。

捷联惯性导航系统由三个主要组件组成：加速度计、陀螺仪和计算机。

加速度计用于测量物体的加速度，陀螺仪用于测量物体的角速度，而计算机则用于整合和处理这些测量数据。

加速度计和陀螺仪通常被组合在一起形成IMU，IMU被安装在导航系统的载体上。

加速度计是用来测量物体的线性加速度的设备。

它的作用类似于测力仪，通过测量物体所受的力，可以计算出物体的加速度。

加速度计一般使用压电传感器或气泡级感应器来测量物体的加速度。

陀螺仪则是用来测量物体的角速度的设备。

它的原理基于陀螺效应，通过测量物体围绕轴线旋转的角速度来推导物体的旋转状态。

陀螺仪分为一体式陀螺仪和光纤陀螺仪两种类型，一体式陀螺仪主要使用电子仪器的原理，而光纤陀螺仪则使用光学原理。

在捷联惯性导航系统中，加速度计和陀螺仪的输出数据会被输入到计算机中进行处理。

计算机通过积分和滤波等算法，对加速度和角速度进行处理，推导出物体的位置和速度等导航信息。

计算机还会结合其他传感器如GPS等，以提高导航系统的精度和稳定性。

然而，捷联惯性导航也存在一些局限性。

首先，由于加速度计和陀螺仪的精度和稳定性有限，导致导航系统随着时间的推移会产生累积误差。

其次，在长时间的运动过程中，加速度计和陀螺仪可能受到震动、振动和温度变化等外界因素的影响，进而导致导航系统的精度下降。

为了解决这些问题，通常将捷联惯性导航系统与其他导航系统如GPS进行组合导航。

通过将两种导航系统的输出数据进行融合，可以克服各自的缺点，提高导航系统的精度和鲁棒性。

总结起来，捷联惯性导航是一种基于物体惯性特性的导航系统，通过测量物体的加速度和角速度，推导出物体的位置、速度和航向等导航信息。

捷联式天文惯性导航融合方法研究及仿真

速度、姿态等导航参数，广泛应用于航海、航空、被航天和武器制导等领域。惯性导航分为平台式和捷
空间方向实现导航。迄今为止，国际协议惯性参考
系（ＩＳＣＲ）是以天体作为实体实际实现的。日月星辰构成的惯性系框架，具有无可比拟的精确性和可
这也是少数拥有卫星导航自主权且惯导技术领先的国家仍致力发展天文导航技术的重要原因。缺点
是在一定程度上受气象条件影响，难以做到连续观
测。
高。虽然平台式和捷联式实现方式不同，但基本原
理一致。而天文导航作为一种可靠性高、自主性强、隐蔽性好、在整个宇宙空间内处处适用的导航技术，
惯性导航是一种自主导航方式，导航过程中不
强以及可同时提供位置和姿态信息等特点，已成为
一
种有效的自主导航方法。天文导航通过测量已知
准确空间位置、不可毁灭的自然天体相对于载体的
依赖于外界信息就能为用户连续提供载体的位置、
文导航是现代高技术战争中的一种重要导航手段，
平台代替平台，完成各种导航计算【。平台式机械１］结构复杂，工艺困难，成本高，但其计算简单可直接输出姿态信息；捷联式结构简单，体积小，成本
低，但是“ 数学平台” 算量大，对计算机性能要求计

捷联式惯性导航系统

1 绪论随着计算机和微电子技术的迅猛发展，利用计算机的强大解算和控制功能代替机电稳定系统成为可能。

于是，一种新型惯导系统--捷联惯导系统从20世纪60年代初开始发展起来，尤其在1969年，捷联惯导系统作为"阿波罗"-13号登月飞船的应急备份装置，在其服务舱发生爆炸时将飞船成功地引导到返回地球的轨道上时起到了决定性作用，成为捷联式惯导系统发展中的一个里程碑。

捷联式惯性导航(strap-down inertial navigation)，捷联（strap-down）的英语原义是“捆绑”的意思。

因此捷联式惯性导航也就是将惯性测量元件（陀螺仪和加速度计）直接装在飞行器、舰艇、导弹等需要诸如姿态、速度、航向等导航信息的主体上，用计算机把测量信号变换为导航参数的一种导航技术。

现代电子计算机技术的迅速发展为捷联式惯性导航系统创造了条件。

惯性导航系统是利用惯性敏感器、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式航位推算导航系统。

在工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰破坏。

它完全是依靠载体自身设备独立自主地进行导航，它与外界不发生任何光、声、磁、电的联系，从而实现了与外界条件隔绝的假想的“封闭”空间内实现精确导航。

所以它具有隐蔽性好，工作不受气象条件和人为的外界干扰等一系列的优点，这些优点使得惯性导航在航天、航空、航海和测量上都得到了广泛的运用[1]1.1 捷联惯导系统工作原理及特点惯导系统主要分为平台式惯导系统和捷联式惯导系统两大类。

惯导系统（INS）是一种不依赖于任何外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统，具有隐蔽性好，可在空中、地面、水下等各种复杂环境下工作的特点。

捷联惯导系统（SINS）是在平台式惯导系统基础上发展而来的，它是一种无框架系统，由三个速率陀螺、三个线加速度计和微型计算机组成。

平台式惯导系统和捷联式惯导系统的主要区别是：前者有实体的物理平台，陀螺和加速度计置于陀螺稳定的平台上，该平台跟踪导航坐标系，以实现速度和位置解算，姿态数据直接取自于平台的环架；后者的陀螺和加速度计直接固连在载体上作为测量基准，它不再采用机电平台，惯性平台的功能由计算机完成，即在计算机内建立一个数学平台取代机电平台的功能，其飞行器姿态数据通过计算机计算得到，故有时也称其为"数学平台"，这是捷联惯导系统区别于平台式惯导系统的根本点。

激光捷联惯性／卫星组合导航系统基本原理及应用情况

激光陀螺加速度计
Ｓ／ＧＮＳＳ
的应用则刚刚起步。本文简要介绍了激光捷联惯性／卫星组合导航系统的基本原理及应用情况。
关键词激光捷联惯性／星组合导航系统卫
ＲａｉａｅａｔｏｎｌｎｄＡｐｐｃｔｏｏｓｒｉｆａｉｎｆＬａｅ
激光喷导系统在结构安排上最大特点是没有机械式陀螺稳定平台。它将三个机械抖动激
光（自由度）单陀螺和三个加速度计直接固连在载体上，组成三维坐标系。其系统工作原理可总结如下：
（１）由惯性测量元件（加速度计和激光陀螺仪）出载体坐标系相对于惯性坐标系的加速度给
２
．
维普资讯
第４期
王庆伟：激光捷联惯性／卫星组合导航系统基本原理及应用情况
２控制电路）
包括伺服回路、信号处理与控制电路，其功能是对传感器提供的信号进行处理，转换为标准数字信息。
３模／转换电路）数将处理好的数据转换为计算机能识别的数字形式。４系统控制／）数据处理模块该部分主要功能如下：
Hale Waihona Puke ＷａｇＱｎｗｉｎｉｇｅ
（ｏｇｕＡｉｉｄｓｙＧｏｐＨｎｄｖａｏＩｕｔｒｕ）ｔｎｎｒ
ＡｂｔａｔＬＩ／ｓｒｃＳＮＧＧＮＳＳ，ａｋｎｆｎｖｇｔｎｅｕｐｎ，ｉｃｍｐｅｅｓｅｙａｐｉｄｏｉｄｏａｉａｉｑｉｍｅｔｓｏｒｈｎｉｌｐｌｎｏｖｅ

SINS CNS组合模式研究

SINS CNS组合模式研究摘要:给出常用天文/惯性组合导航系统的工作方式。

全捷联方式下,探讨SINS/CNS系统的三种组合模式。

介绍各组合模式的原理,基于最优估计的组合模式,无推导给出系统状态方程和量测方程,对各自特点进行分析总结。

关键词:SINS/CNS组合导航最优估计组合模式1 工作模式天文/惯性组合导航系统有多种工作模式,按惯性器件和星敏感器安装方式[1]的不同,分为三种:全平台模式,采用平台式惯导,星敏感器装于惯导平台。

其特点是星敏感器工作在相对静态环境中,测星精度较高。

但因星敏感器安装在平台上,使平台结构设计困难,且信息输入、输出方式及驱动电路亦较复杂。

惯导平台与星敏感器捷联模式,采用惯导平台,星敏感器采用捷联方式装在载体上。

从未来发展趋势看,全捷联工作模式的组合导航系统更有发展前景,以下组合模式主要以全捷联式组合方式分别介绍。

2 天文/捷联惯导组合模式组合导航系统的组合模式主要涉及状态变量与量测变量的选取,捷联惯性导航系统误差模型的推导与状态方程的建立,量测方程的建立。

不同的组合模式,其组合导航系统的敛散性和导航精度也会不同。

2.1 简单组合模式惯导系统独立工作,提供姿态、速度、位置等导航数据;天文导航系统解算天文位置和姿态,对惯导系统的位置和姿态进行校正。

该模式是最简单最成熟的,在国内外己得到广泛应用。

2.2 基于姿态误差最优估计的组合模式该模式采用天文导航系统的量测信息,通过最优估计的方法来精确补偿陀螺漂移。

原理是精确提供航行载体坐标系相对惯性系的高精度姿态信息。

因此星敏感器就相当于没有漂移的陀螺,可以用天文量测信息修正惯性器件误差。

3 结语文中探讨了几种常用的SINS/CNS组合模式。

简单组合模式下,两个子系统相对独立,构建容易。

在已装备惯导的条件下,当需要利用天导信息来短期提高惯导精度时,可以考虑采用此组合模式。

模式2直接利用天导输出的惯性姿态与惯导输出的姿态之间的差值作为量测,来估计陀螺仪漂移,并对惯导陀螺仪进行修正;将天导输出的水平姿态与惯导输出的水平姿态之间差值作为水平姿态失准角,利用加速度计和水平姿态失准角之间的线性关系,直接获得加速度计的常值偏置,并对其补偿。

捷联惯导与组合导航

法和旋转矢量法在姿态矩阵计算中的应用。
5、导航计算，导航计算就是把加速度计、陀螺的输出信息变换到导航坐标系，然后计算飞行器速度、位置等导航信息，该内容将在5.2节中详细介绍。
6、制导和控制信息的提取，飞行器的姿态信息既用来
显示也是控制系统最基本的控制信息。此外，飞行器的角速度和线加速度信息也都是控制飞行器所需要的信息。这些信息可以从姿态矩阵的元素和陀螺加速度计的输出中提取出来。
泛。
• 1.2 捷联式惯导的基本算法
• 1.2.1 捷联式惯导算法概述
– 捷联惯性导航系统是一个信息处理系统，就是机体安装的惯性仪表所测量的飞行器运动信息，
经过计算机处理成所需要的导航和控制信息。
所谓“捷联式惯导的算法”就是指从惯性仪表
的输出到给出需要的导航和控制信息所必须进
行的全部计算问题的计算方法。
Q (q0 , q1 , q2 , q3 ) q0 q1i q2 j q3k q0 q
• 我们知道，在平面问题中，一个复数 Z z1 jz 2可以表示二维空间中的一个矢量：
Z z1 jz2 | z | e z cos j z sin
j
• 如果把虚数j= 1 推广为空间中的一个单位矢量u,则： u u x i u y j u z k
• MICRON系统定位精度为1海里/小时，速度精度5
英尺/秒，姿态精度4角分，平均故障间隔时间
2000小时。LINS系统，定位精度1海里/小时，速
度精度3英尺/秒，姿态精度2.5角分，平均故障间
隔时间为2500小时，两种系统性能大致一样， LINS系统略高。
• 据有关资料报道，美国军用惯性导航系统1984年

捷联惯导与组合导航技术

• 在实际应用时，可根据式由k-1时刻的四元数q(k-1)递推出t时刻的四元数q(k)的，递推关系如下：
Hale Waihona Puke • 式中• T为捷联矩阵的即时解算周期
• 在即时解算捷联矩阵之前先要计算出
•
为车体坐标系相对于惯性坐标系的转动角速度在车体坐标系中的矢量，即捷联式陀螺仪的测量输出 • 为地球坐标系相对于惯性坐标系的转动角速度在指北导航坐标系中的矢量，其表达式为，L为自主车辆所在地的纬度 • 为指北导航坐标系相对地球坐标系的转动角速度在指北导航坐标系上的矢量，其表达式为 • h为自主车辆所在位置的高度；分别为车辆的东向和北向速度，为所在地参考椭球子午线曲率半径，为所在地与子午线垂直的法线平面上的曲率半径。
我们研究的组合导航
• SlNS／DGPS／视觉／数字地图组合导航技术 • GPS与SINS形成的位置与姿态观测信息，机器视觉／数字地图／SINS形成的横向偏信息
• 3.平台惯性导航系统的陀螺仪安装在平台上，可以相对重力加速度和地球自转角速度任意定向来进行测试，便于误差标定。而捷联陀螺仪不具备这个条件，因为装机标定比较困难，从而要求捷联陀螺有更高的参数稳定性。
• 1.2 捷联式惯导的姿态解算方法
• 关于姿态解算最为常用的方法有欧拉角法、四元数法、等效旋转矢量法、罗德里格参数法、方向余弦矩阵法。从本质上看，罗德里格参数法和四元数法是一种方法，欧拉角法和方向余弦矩阵是一种方法。所以，本质上解算姿态的方法就3种：方向余弦矩阵、等效旋转矢量、四元数。
• 对上式实时提取姿态角
2
组合导航
• 组合导航的出现，至少有3方面因素： • 1）单一的导航系统的在一定的时间段内是有上限的； • 2）单一导航系统的精度的提高必然伴随着成本的增大； • 3）多种信息的有机融合比单一信息的简单汇总更具实用价值

捷联惯导与星跟踪器组合导航算法研究

ＡＳＩＮＳ／ＳｔａｒＴｒａｃｋｅｒＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＮａｖｉｇａｔｉｏｎＡｌｇｏｒｉｔｈｍ
ＺＨＡＮＧＪｉｎ — ｌｉａｎｇ，ＱＩＮＹｏｎｇ — ｙｕａｎ，ＣＨＥＮＧＹａｎ
第３４卷第８期
２０１３年８月
宇
航
学
报
Ｖｏ１．３４Ｎｏ８
．
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ
Ａｕｇｕｓｔ２０１３
捷联惯导与星跟踪器组合导航算法研究
张金亮，秦永元，成研
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捷联惯导算法及车载组合导航系统研究

2、GPS和捷联惯导组合导航系统具有互补性，可以实现优势互补，提高导航系统的性能。
然而，本研究仍存在一些不足之处。首先，对于GPS和捷联惯导组合导航系统的具体实现方法，尚未进行详细探讨。未来研究可以进一步深入研究系统的硬件实现方法、软件算法等具体技术细节。其次，虽然本次演示对GPS和捷联惯导组合导航系统的应用
参考内容
引言
随着科技的不断发展，导航系统在军事、民用等领域的应用越来越广泛。其中，全球定位系统（GPS）和捷联惯导组合导航系统受到了高度重视。本次演示旨在分析GPS和捷联惯导组合导航系统的研究现状、方法、结果和展望，以期为相关领域的研究和实践提供参考。
研究方法
本次演示采用文献综述和理论分析相结合的方法，对GPS和捷联惯导组合导航系统进行深入研究。首先，收集并阅读相关文献，了解GPS和捷联惯导组合导航系统的发展历程、研究现状和应用场景。其次，从系统组成、工作原理、性能特点等方面，对GPS和捷联惯导组合导航系统进行理论分析。
结论
本次演示对捷联惯导算法和车载组合导航系统进行了详细的研究和介绍。捷联惯导算法作为一种重要的惯性导航算法，具有广泛的应用前景。车载组合导航系统则是智能驾驶领域的一种重要技术，可以提高导航精度和可靠性。随着科技的不断进步，
对于捷联惯导算法和车载组合导航系统的研究将会不断深入，出现更多的研究成果和应用实例。未来的研究方向可以包括进一步优化捷联惯导算法以提高其精度和稳定性，以及研究更为复杂的车载组合导航系统以适应更加复杂的道路环境和驾驶任务。
捷联惯导算法及车载组合导航系统研究
01 引言
目录
02 捷联惯导算法研究
03
车载组合导航系统研究
04 结论
05 参考内容

捷联惯导系统

（3）无框架锁定系统，允许全方位（全姿态）工作。
（4）除能提供平台式系统所能提供的所有参数外，还可以提供沿弹体三个轴的速度和加速度信息。
缺点：

但是，由于在捷联惯导系统中，惯性元件与载体直接固连，其工作环境恶劣，对惯性元件及机（弹）载计算机等部件也提出了较高的要求。

（1）要求加速度表在宽动态范围内具有高性能、高可靠性，且能数字输出。
1.4捷联惯导系统的精度

惯性导航和制导系统对陀螺仪和加速度计的精度要求极高，如加速度计分辨率通常为0.0001g～0.00001g，陀螺随机漂移率为0.01°/小时甚至更低，并且要求其有大的测量范围，如军用飞机所要求的测速范围应达10的9次方（0.01°/小时～400°/秒）。因此，陀螺仪和加速度计属于精密仪表范畴。

“数学解析平台”的原理简图
捷联惯导优点：

捷联惯导系统和平台式惯导系统一样，能精确提供载体的姿态、地速、经纬度等导航参数。但平台式惯导系统结构较复杂、可靠性较低、故障间隔时间较短、造价较高，为可靠起见，通常在一个运载体上要配用两套惯导装臵，这就增加了维修和购臵费用。在捷联惯导系统中，由于计算机中存储的方向余弦解析参考系取代了平台系统以物理形式实现的参考系，因此，捷联惯导系统有以下独特优点。（1）去掉了复杂的平台机械系统，系统结构极为简单，减小了系统的体积和重量，同时降低了成本，简化了维修，提高了可靠性。（2）无常用的机械平台，缩短了整个系统的启动准备时间，也消除了与平台系统有关的误差。

为测量基准，它不再采用机电平台，惯性平台的功能由计算机完成，即在计算机内建立一个数学平台取代机电平台的功能，其飞行器姿态数据通过计算机计算得到，故有时也称其为"数学平台"，这是捷联惯导系统区别于平台式惯导系统的根本点。由于惯性元器件有固定漂移率，会造成导航误差，因此，远程导弹、飞机等武器平台通常采用指令、GPS或其组合等方式对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位臵参数。如采用指令+捷联式惯导、GPS+惯导（GPS/INS）。美国的战斧巡航导弹采用了GPS+INS +地形匹配组合导航。

捷联式惯性导航原理

捷联式惯性导航原理捷联式惯性导航（Inertial Navigation System，简称INS）是一种基于惯性测量装置的导航系统。

它通过测量线性加速度和角速度来得出加速度、速度和位置信息，从而实现航海、航空和航天等领域的精确导航和定位。

捷联式惯性导航系统由多个惯性传感器组成，包括加速度计和陀螺仪。

加速度计用于测量线性加速度，而陀螺仪则用于测量角速度。

这些传感器安装在导航系统的载体上，并与导航系统的计算单元相连。

捷联式惯性导航系统的原理可分为两个主要步骤：传感器测量和姿态解算。

传感器测量是指测量加速度计和陀螺仪输出的信号。

加速度计通过测量导航系统相对于载体的线性加速度来估计速度和位移。

陀螺仪则通过测量导航系统相对于载体的角速度来估计转角和航向。

这些测量值由传感器输出，并发送给导航系统的计算单元进一步处理。

姿态解算是指根据传感器测量值计算导航系统相对于载体的三维方向。

这个过程基于四元数算法和方向余弦矩阵等数学模型。

根据加速度计的测量值，可以得到系统的重力矢量，从而计算出系统相对于地球的姿态。

陀螺仪的测量值则用于校正角速度误差和姿态的漂移。

通过不断地积分和更新测量值，导航系统可以保持准确的姿态信息。

捷联式惯性导航系统的优势在于其自主性和抗干扰能力。

由于不依赖于外部信号源，如卫星或地面控制点，INS可以在任何环境中进行导航。

同时，由于惯性传感器对外部扰动的响应速度很快，导航系统可以及时纠正估计误差，从而实现高精度的导航和定位。

然而，捷联式惯性导航系统也存在一些缺点。

由于惯性传感器存在漂移和积分误差，INS的导航信息随着时间的推移会变得不准确。

此外，惯性传感器的准确性和稳定性也会受到温度、振动和电磁干扰等因素的影响。

为了解决这些问题，通常需要与其他导航系统，如全球定位系统（GPS）或地面测量系统（如激光测距仪），进行组合导航。

总的来说，捷联式惯性导航系统是一种基于惯性传感器测量的导航系统。

它通过测量线性加速度和角速度，计算出加速度、速度和位置信息。

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$快变漂移 ! 这种漂移分量可抽象化为白 U 噪声过程 AC 即" /% $ )"_ N( AC $ AC $#-$ / " &% ! -$ %# ! ’% /# /# / C 式中%# $#-$为狄拉克% 函数 ! 综上所述 % 陀螺漂移模型可化为 " $"* $ $ $ $ $ $ $ (* ( AC * /# L /# ( /# /# "> "! 加速度计误差模型与陀螺漂移误差模型的分析类似 % 加速度计但在组合导航设计误差模型可分为三种分量 % 中% 一般只考虑随机常值误差% 即偏置误差
/
在组合导航系统中将 > 作为系统姿态误差的观测值建立系统的量测模型 % 采用 e * + N * )滤波反馈校正的方式对捷联惯导系统和星敏感器输出的姿态转换矩阵信息进行数据融合 % 估计出系统的各个误差状态量 % 然后用系统误差估计值去校正捷联惯导系统算法编排中的相应导航参数! 其工作原理图如图 > 所示 !
隐蔽性好! 不但能够提供位置信为导航信息源 !
B! 引言
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文中选取地理坐标系作为导航坐标系 ! 设地球为旋转椭球体 % 建立惯性 & 天文组合导航系统的状态方程和量测方程 % 其中涉及到惯性坐标系 # 角标为2 $ ’ 地理坐标系# 角标为1 $ ’ 数学平台坐标系 # 角标为 = $ ’ 弹体坐标系# 角标为 $等多个坐标系及其相互转换 ! L "> C! 陀螺误差模型陀螺是运载体角运动的测量元件 % 对惯性导陀螺的误差主要航的姿态误差产生直接的影响 ! 体现为漂移和刻度系数误差 % 这两类误差都是随机误差 ! 刻度系数误差一般用随机常数来描述 "
! # # VW# TW! $ " 收稿日期 ! 作者简介 ! 王明昊 " ! 男! 山东滕州人 ! 硕士研究生 ! 研究方向 ) 导航 & 制导与控制 % > " V $W #
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弹箭与制导学报
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息! 而且能够提供高精度的姿态信息 ! 但其缺点是输出信息不连续 % 将捷联惯性导航系统与天文导航系统组合 ! 构成了扬长避短的组合制导系统 ! 利用星光信息去修正主动段捷联惯导系统的姿态误差 & 陀螺常值漂移 & 初始失准角引起的误差和发射点误差 ! 可以大大提高导航系统的精度 %
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