捷联惯导与组合导航.

2 、系统的初始化。系统的初始化包括三项任务：
1）给定系统的初始位置和初始速度等初始信息。 2）导航平台的初始对准，在平台式惯导中，平台的初始 对准就是使平台坐标系和导航坐标系相一致，是用物
理的方法来实现的。在捷联式惯导系统中，初始对准
则是确定姿态矩阵的初始值，是在计算机中用对准程 序来完成的。在物理概念上也可以说是把“数学平台” 的平台坐标系和导航坐标系的轴向对准。
方面，西德利铁夫公司早在1985年就已经推出捷
联式平台罗经。
• 捷联式惯性导航系统由于省掉了机电式的导航平
台，所以体积、重量和成本都大大降低，国外有
人把捷联式惯导列为低成本惯导。由于捷联式系 统提供的信息全部是数字信息，所以，特别适合 在采用数字飞行控制系统的飞行器上，随着计算 机的飞速发展，捷联式系统的应用必将越来越广
• 1.3 四元数法及其在捷联式惯导中的应用 • 姿态矩阵和位置矩阵，都可以用欧拉角法和四元 数法来描述。对于欧拉角法来说，应用欧拉角法 得到的姿态矩阵永远是正交阵，用这个矩阵进行
参数法、四参数法和九参数法。
• 三参数法又叫欧拉角法，是欧拉在1776年提出的，用欧拉 角进行的姿态矩阵的计算在第二章已有介绍。四参数法有 两种，一种是四元数法，是哈密顿（Hamilton）首先提出 的，开始在数学中引入四元数，以后用在刚体定位问题。 另一种叫凯里—克莱茵（Cayley-Klein）参数法，是在 1897年提出来的。九参数法是基于方向余弦的概念，所以 也叫做方向余弦法。此外，还可以用动坐标系相对参考坐 标转动的等效转轴和转角来描述刚体的定点转动，这种方 法叫做等效转动矢量法，矢量的方向表示等效转轴的方向， 矢量的大小，表示转角的大小。
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。
3）惯性仪表的校准，对陀螺的标度系数进行测
定，对陀螺的漂移进行测定并补偿，对加速度
计也同样测定标度系数并存入计算机。初始过 程中对惯性仪表的校准是提高系统精度的重要 保证，相关内容在第五章中已有详细讨论。
3、惯性仪表的误差补偿，对捷联式惯导系统来说， 由于惯性仪表直接安装在机体上，因此，飞行 器的线运动和角运动都引起较大的误差，为了
捷联惯导与组合导航技术
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捷联式惯性导航
• 1.1 捷联惯导的发展
早在1956年，美国就有了捷联式惯导系统 的专利。但当时由于缺乏适用于捷联式的惯性 仪表和计算机，所以无法实际实现。随着电子 技术的发展，大容量、高速度微型机的出现，
以及以可靠性为主要考虑因素的航天技术的需
要，促使人们对捷联式系统进行研究。
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。
全部为平台式，到1989年已有一半改为捷联式；
战术导弹的惯性制导系统1984年有83%为平台式，
而到1989年将下降到34%；战略导航的惯性制导 系统1984年有16%为捷联式，到1989年已上升到 44%；而民用航空方面1984年有70%为捷联式惯 性导航系统，到1989年己上升到90%；而在航海
保证系统的精度，必须对惯性仪表的误差进行
补偿，最好的补偿方法是计算补偿，一般通过
专用的软件来实现误差补偿，相关内容在第五
章中已有详细讨论。
4、姿态矩阵的计算，姿态矩阵的计算是捷联式惯导 算法中最重要的一部分，也是捷联式系统所特有
的。不管捷联式惯导应用和功能要求如何，姿态
矩阵的计算都是不可少的，本节主要介绍四元数
• 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
• 1.2.2 姿态矩阵的计算
• 捷联式惯导中Hale Waihona Puke Baidu飞行器的地理位置就是地理坐标
系相对地球坐标系的方位。而飞行器的姿态和航 向则是机体坐标系相对地理坐标系的方位关系。 确定两个坐标系之间的方位关系问题，是力学中 的刚体定点转动理论。在刚体定点转动理论中，
描述动坐标系相对参考坐标系方位关系的方法有
多种，我们可以简单的把它们分作三类，即：三
• 70年代初，美国哈密尔顿标准中心研制的捷联式
系统，开始在飞机上成功地使用。1969年，美国
海军、空军决定为飞机和导弹研制捷联式系统，
并和一些公司签订了合同，其中进展比较快的，
有洛克韦尔国际公司研制的采用静电陀螺的中等 精度低成本的机载捷联式MICRON系统，霍尼韦 尔公司研制的采用激光陀螺的LINS系统，
• 60年代初，美国联合飞机公司哈密尔顿标准中心
研制的LM/ASA捷联式系统，首先在“阿波罗”
登月舱中得到了应用，接着霍尼韦尔公司的H401型捷联式制导系统，成功地制导了普莱姆飞 行器。捷联式惯导系统的成功，受到了各方面的
注意。60年代后期，捷联系统有了很大的发展，
1966年到1973年期间，美国联合公司制造的捷联 式系统，先后装备了登月舱、登陆艇等。
计算的内容和要求，根据捷联式惯导的应用和功能 要求的不同而有很大的差别。但一般说来，捷联式 惯导的基本算法有如下的内容： •
系统的起动和自检测。系统起动之后，各个部分的
工作是否正常，要通过自检测程序加以检测，其中 包括电源、惯性仪表、计算机以及计算机软件。通 过自检测，发现有不正常，则发出告警信息。系统 的自检测是保证系统进入导航状态后能正常工作， 提高系统可靠性的措施。