捷联惯导初始对准以及姿态解算

姿态矩阵 （数学平台）
速度 导航计算 位置
惯性仪表 载体坐标系 b 初始对准过程
指令信号 GINS中的测量数据直接反映失准角的大小； 数学平台坐标系 n ' 失准角 姿态 SINS 中的测量数据不直接反映失准角；只有投影数据能够反映失准角的大小；相同 姿态角计算 基座（载体） 导航坐标系 n 的测量数据经过不同的姿态矩阵进行投影，可以获取不同的投影数据。 （b）SINS （b）SINS 注：上述均不考虑仪表误差。
GINS中的测量数据直接反映失准角的大小； SINS中的测量数据不直接反映失准角；只有投影数据能够反映失准角的大小；相同 的测量数据经过不同的姿态矩阵进行投影，可以获取不同的投影数据。 注：上述均不考虑仪表误差。
对于SINS而言，分析一种理想的情况：仪表无误差，载体无机动，此时在整个对准 过程中，仪表测量数据均相等。整个对准过程，其实只用了一组仪表参数。
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第三部分：基于“存储数据与迭代计算对准”罗经法对准
3.1 罗经法对准过程中的“比较数据与被比较数据”
g
y
f Np
-
1 s
VN
1 R K2 R K3 s
cE -
x
1 s
x
K1
ie cos L
z
Control algorithm
第一种理解：测量参数的比较； 第二种理解：计算参数的比较；
0 n ie ie cos L sin L
0 g 0 g
评价标准：当比较数据与被比较数据相等、近似相等（误差可接受）时，初始对准 完成。
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第一部分：对初始对准的理解
1.2 “对准好”的特征（什么情况算对准好） 1.2.2 计算参数法：比较导航解算数据与理论数据（比较数据与被比较数据） GINS中的导航解算（比较数据）：速度与位置； SINS中的导航数据（比较数据） ：速度、位置与姿态； 参考数据（被比较数据）：外部参考导航系统提供的导航信息；也可以是运动约束 条件，如静基座条件下的零速参考信息。 评价标准：当比较数据与被比较数据相等、近似相等（误差可接受）时，初始对准 完成。 其他比较（匹配）方法：测量参数+ 计算参数
第一个改变： 通过闭环修正，改变导航解算的初始条件，从而获取新的导航参数； 第二个改变： 1）根据新的导航参数与存储的外部参考数据，获取新的量测向量； 2）通过逆/正导航结算改变了状态转移矩阵
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第五部分：需要解决的问题
5.1 实时性问题 迭代计算本质上是一种事后处理方法，而SINS导航需要解决的是实时性问题。
不足：降低的导航数据对外部更新频率。
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第五部分：需要解决的问题
5.2 数据的依赖性问题 存储数据与迭代计算只利用了一个时间段的数据，当数据质量不高时，怎么办？ 如何建立评价体系？ 5.2 存储与计算量问题
SINS中IMU的更新频率较高，数据量较大。
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加速度计 方位轴
O U N
IMU惯性组件
E
加速度计 陀螺仪
姿态矩阵 （数学平台）
速度 导航计算 位置
陀螺仪 俯仰轴
姿态矩阵计算
指令信号 姿态
基座（载体）
姿态角计算
横摇轴
机电平台
基座（载体）
（b）SINS
（a）GINS
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第一部分：对初始对准的理解
1.2 对准好的特征（什么情况算对准好） 1.2.1 测量参数法：比较仪表测量数据与理论数据（比较数据与被比较数据） 参考数据（被比较数据）：可以是外部参考导航系统提供的导航信息；也可以地球 自身的物理信息。 地球自身的物理信息：当选用ENU为导航系时，重力加速度在水平方向的投影均 为0；自转角速度在东向的投影为0。
4.2 状态向量的估计过程
在确定的信息匹配方法与载体机动方式下，某一状态量可观测度与可观测性确定 。假设某状态量可观测，后一次估计一定优于前一次。（不考虑振荡）
不妨假设：完成初始对准所需要的导航解算与信息融合次数是一定的。
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第四部分：基于“存储数据与迭代计算对准”传递对准
4.3 SINS中传递对准中，如何实现迭代？
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第三部分：基于“存储数据与迭代计算对准”罗经法对准
3.2 罗经法对准过程中的调整策略（以北向通道为例）
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Hale Waihona Puke Baidu
1 s
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Control algorithm
实线所示的北向通道：本质上是一个休拉回路，失准角作无阻尼振荡。 采取的策略：1）引入内反馈环节（虚线）实现衰减振荡；2）引入前馈环节（点画 线）缩短振荡周期；3）引入积分环节（双点画线）消除罗经项的影响。
1 s
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1 R K2 R K3 s
cE
K1
Control algorithm
上述过程中，可以实现迭代计算。
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第三部分：基于“存储数据与迭代计算对准”罗经法对准
3.6 SINS罗经法对准中存储数据如何使用？
对存储数据进行正向和逆向导航解算。 注：理想情况下，对存储数据进行正向和逆向导航解算不应产生或丢失任何信息 ，仅实现从终点到起点、起点到终点的往复。
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第一部分：对初始对准的理解
1.2 “对准好”的特征（什么情况算对准好） 1.2.1 测量参数法：比较仪表测量数据与理论数据（比较数据与被比较数据） GINS中的测量数据（比较数据）：安装在物理平台上的仪表实际测量数据； SINS中的测量数据（比较数据） ：仪表实际测量数据在数学平台上的投影；
基于“存储数据与迭代计算”的SINS初始对准方法
东南大学
仪器科学与工程学院：刘锡祥
目录 对初始对准的理解 “存储数据与迭代计算”对准思想的产生 基于“存储数据与迭代计算对准”罗经法对准 基于“存储数据与迭代计算对准”的传递对准 需要解决的问题
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第一部分：对初始对准的理解
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第三部分：基于“存储数据与迭代计算对准”罗经法对准
3.3 GINS罗经法对准中的特点
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z
Control algorithm
特点：GINS罗经法对准过程中，一次采样对应一次调整。 存在的问题：采样速度限制；机电平台调整的限制。
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第一部分：对初始对准的理解
1.3 怎样对准？ 对准的过程：根据比较与被比较数据间的差异，通过一定的调整策略，来缩小差异 。比较——调整——再比较——再调整… 调整的策略（怎样对准）？ a）罗经法对准：根据经典控制理论，PID调整。 b）传递对准：根据现代控制理论中的最优估计方法，如Kalman滤波等。 其它方法，如参数辨识、解析方法等。 怎样评价对准过程？ 快速性；精确性。
Tn Ts Ts
* 1 1 2
Tn Ts Ts
Ts
t0
tn
1
*
t2 n
3
tn1 tn 2
1. sensor data sampling, storing and navigation resolution t01 2. reference data sampling, storing and data fusion 3. reverse and forward calculation t02 * CPU idle
姿态矩阵计算
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第二部分：“存储数据与迭代计算”对准思想的产生
2.1 GINS中的测量数据与SINS中的投影数据
惯性仪表 初始对准过程
载体坐标系 b 惯性仪表 初始对准过程
机电平台坐标系 p 导航坐标系 n （a）GINS
失准角
数学平台坐标系 n ' 导航坐标系 n （b）SINS 失准角
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第二部分：“存储数据与迭代计算”对准思想的产生
2.1 常见的主/从式导航计算体系结构
加速度计 陀螺仪 IMU惯性组 件
采样 计算机
共享 内存
导航解算 计算机
导航 参数
时序逻辑电路
利用高性能导航计算机的存储数据与高速计算能力，存储一定量的仪表测量数据进 行迭代计算，完成初始对准。
目的：在有限对准时间内，提高对准精度；在相同对准精度要求下，缩短对准时间 。
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第五部分：需要解决的问题
5.1 实时性问题 迭代计算本质上是一种事后处理方法，而SINS导航需要解决的是实时性问题。
Un-real time period
t t t t
T
Real time period
t t t
t
Task 1
Task 2
Task 3
Task 4
Idle
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第四部分：基于“存储数据与迭代计算对准”传递对准
4.1 传递对准中的比较与调整策略
navigation parameters SINS velocity+yaw MINS velocity+yaw Kalman filter state variables
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第四部分：基于“存储数据与迭代计算对准”传递对准
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第二部分：“存储数据与迭代计算”对准思想的产生
2.1 GINS中的测量数据与SINS中的投影数据
加速度计 方位轴
O U N
惯性仪表 初始对准过程 机电平台坐标系 p 导航坐标系 n （a）GINS
E
陀螺仪 俯仰轴
失准角
横摇轴
机电平台
基座（载体）
（a）GINS
IMU惯性组件 加速度计 陀螺仪
1.1 对准需要解决的问题 获取积分的初始条件，即获取载体的初始位置、速度与姿态。相较于初始姿态的获 取，初始位置与速度很容易通过外部参考系统获取，因而初始对准主要指初始姿态 的获取。
GINS的初始对准是驱动物理平台，使其重合于预设的导航坐标系；
SINS的初始对准是建立导航系与载体系间的姿态矩阵；
在本报告的后续部分，选择ENU为导航系；右前上为载体系。
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第三部分：基于“存储数据与迭代计算对准”罗经法对准
3.4 SINS罗经法对准中的特点
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1 s
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1 R K2 R K3 s
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K1
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Control algorithm
Control algorithm
当源于GINS的罗经法对准应用与SINS时，相关特点被全盘接收。 但是：1）GINS中罗经回路指令用于直接驱动平台旋转；2）而SINS中罗经回路指 令用于参与导航解算。
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第三部分：基于“存储数据与迭代计算对准”罗经法对准
3.5 SINS罗经法对准如何实现迭代计算？
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