航姿参考

航向姿态测量系统的工作原理及组成
2.1航向姿态测量系统概述
航向姿态测量系统是多年来惯性技术发展的一个方向，它有多种构成方案，捷联式航向姿态测量系统的工作原理是基于捷联惯性测量系统的测量原理。

以惯性测量元件(加速度计、陀螺仪)为敏感元器件测量载体相对于惯性空间的运动参数。

由陀螺仪测量载体的角运动和由加速度计测量载体的加速度，在给定运动初始条件下，经转换、处理，输出载体的姿态和航向等参数。

它的优点是:
(l)自主性强，它可以不依赖任何外界系统的支持，而单独进行导航。

(2)不受环境、载体机动和无线电干扰的影响，可连续的输出包括基准在内的全部导航参数，实时导航数据更新率高。

(3)具有非常好的短期精度和稳定性。

由于其工作的完全自主性，在航空航天、航海及陆地等很多领域，特别是军事领域得到了广泛应用，成为一种主要的导航手段。

基于MEMS器件的航向姿态测量系统主要由微惯性测量单元(Microinertialmeasurementunit)组成。

微惯性测量单元为敏感X、Y、Z三个方向的直线加速度，需具有三只微机械加速度计; 微惯性测量单元为敏感X、Y、Z三个方向的磁场强度，需具有三只微机械磁强计;为敏感绕X、Y、Z三个方向的旋转角速度，需具有三只微机械陀螺仪，即共需九只传感器固连在微惯性测量单元装置的支架上。

以相互垂直位置进行安装。

微机械陀螺仪测取沿载体坐标系三个轴的角速度信号，微机械加速度计测取沿载体坐标系三个轴的加速度信号，
磁强计去沿着载体坐标系三轴的磁场强度，并送入计算机。

地理坐标系视为导航坐标系时，计算机用这些测量信息，经误差补偿后进行姿态矩阵计算和由载体坐标系至“平台”坐标的坐标变换。

姿态矩阵一方面用于坐标变换，即把沿载体坐标系的加速度信号变换成导航坐标系各轴的加速度信号，以便于导航参数计算;另一方面，利用姿态矩阵的元素以提取姿态角与航向角信息。

这样，由系统中的姿态矩阵计算、加速度信号的坐标变换计算以及姿态与航向计算实现了平台式惯导系统中稳定平台的功能，从而构成“数学平台”。

航向姿态测量系统由于没有机械平台，不能直接测出姿态角和航向角，故要得到姿态角和航向角，必须在导航计算机中建立“数学平台”，即通过机体坐标系相对地理坐标系的方向余弦阵(又称姿态矩阵)来计算一机体的姿态角和航向角。

2.2航向姿态测量系统的工作原理
基于MEMS器件的航向姿态测量系统实际上就是可以实时提供载体的姿态信息的微型惯性测量系统。

它由三轴微机械加速度计，三个单轴微机械陀螺和三轴磁强计组长，提供载体的加速度，角速度信息、磁场强度等信息，这些实时信息经捷联解算后即可获得所需的导航参数，其工作原理框图如图2一1所示:
基于MEMS器件的航向姿态测量系统是一种捷联式的惯性系统，捷联式的航向姿态测量系统具有结构简单、自主性强、短期精度和稳定性比较好等优点。

基于MEMS 器件的航向姿态测量系统的数字处理系统能够对三路陀螺仪信号、三路加速度计信号及三轴磁场强度的输入进行处理，包括传感器的数据采集、16位AD 转换、温度补偿、降噪滤波、姿态解算等数字算法处理，最后以RS 一422格式数字输出。

第4章航向姿态测量系统的算法实现
捷联姿态解算是利用陀螺仪输出的角速率值，通过求解算姿态微分方程，构建惯性导航系统的数学平台，它是导航软件的核心。

在航向姿态测量系统中，微惯性测量系统包括三轴正交放置的MEMS 陀螺仪和MEMS 加速度计，主要测量载体运动的角速率和线加速度等惯性参数;数字罗盘敏感地球磁场，实时输出载体的磁航向，经磁偏角补偿后可获得真航向。

4.1惯性导航系统常用坐标系
(1)、惯性坐标系:
太阳中心惯性坐标系(s 系)e s s s O x y z
太阳中心惯性坐标系的原点选在太阳中心，太阳中心惯性坐标系又分为太阳中心赤道坐标系和太阳中心黄道坐标系。

这个坐标系用于行星际间的航行定位。

地心惯性坐标系(i 系)e i i i O x y z
地心惯性坐标系的原点选在地球质量中心，它不参与地球的自转，i z 轴沿地球自转轴指向北极，i x i y ，在赤道平面内，指向空间的两颗恒星，i i i x y z ，构成右手坐标系。

三个坐标轴指向惯性空间固定不动。

当研究载体在地球附近的宇宙空间运动的导航定位时，可以采用地心
惯性坐标系。

这个坐标系是惯性仪表测量的参考基准。

(2)、确定载体相对地球表面位置的坐标系
地球坐标系(e 系)e e e e o x y z
地球坐标系的原点选在地球中心，e z 轴和地球自转轴重合，e x 轴在赤道平面内指向格林威治子午线，关也在赤道平面内，指向东经90°的方向，e e e x y z 构成右手坐标系。

地球坐标系(e)和地球固连，地球坐标系相对惯性坐标系以地球自转角速率ie w 旋转。

地理坐标系(t 系)t t t ox y z
在进行导航分析时，使用最多也最重要的一组坐标系就是地理坐标系，地理坐标系的原点。

选在飞行器重心，t x 轴指东，t y 轴指北，t z 轴沿地垂线指向天。

这个坐标系也可以叫做东北天坐标系。

地理坐标系相对地球坐标系的方位关系就是飞行器的地理位置（经度和纬度），它是水平和房屋的基准坐标系。

机体坐标系（b 系）b b b Ox y z
机体坐标系是固连在机体上的坐标系，坐标原点在飞行器的重心，b y 沿飞行器的纵轴方向，b x 和飞行器的横轴一致指向飞机右翼，b z 沿飞行器竖轴向上，b b b x y z 构成右手坐标系。

机体坐标系相对地理坐标系的方位为飞行器的姿态和航向。

导航坐标系(n 系)n n n Ox y z
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。

平台坐标系(p 系)p p p Ox y z
平台坐标系是用惯性导航系统来复现导航坐标系时所获得的坐标系，平台坐标系的原点O 在载体的中心处，它是根据测量与计算需要用惯性系统模拟的一种基准坐标系，当惯性导航系统不存在误差时，平台坐标系与导航坐标系相重合。

在平台惯性导航系统中，平台坐标系是通过平台台体来实现的，指的是平台指向的坐标系。

在捷联惯导系统中，平台坐标系指的是“数学平台’，，通过存储在计算机中的姿态矩阵实现。

4.2航向姿态测量系统的坐标变换
在研究惯性系统的分析中，坐标系之间并不是互相孤立毫无关系的。

任意一个空间直角坐标系，可以由原点相同的另一个空间直角坐标系经3次旋转得到，三个旋转矩阵符号分别表示如下:
(1) 保持OX 轴不动，按右手规则，Y 轴向Z 轴旋转x θ角度。

()1
000cos sin 0sin cos x x x x x x R θθθθθ⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎪-⎝⎭
(2) 保持OY 轴不动，按右手规则，Z 轴向X 轴旋转外y θ角度。

()cos 0sin 0
10sin 0cos y y y y y y R θθθθθ⎛⎫- ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭
(3) 保持OZ 轴不动，按右手规则，X 轴向Y 轴旋转z θ角度
()cos sin 0sin cos 0001z z z z z z R θθθθθ⎛⎫ ⎪=- ⎪ ⎪⎝⎭
航向姿态测量系统中的MEMS 陀螺仪和MEMS 加速度计测量的是机体坐 标系中的各个参数，而航向姿态测量系统的输出要求的是在地理坐标系中的航 向姿态角。

所以需要将机体坐标系经过坐标转换到导航坐标系中。

在航向姿态测量系统中选取地理坐标系为作为导航坐标系。

假定开始时， b b b Ox y z 机体坐标轴与n n n n O x y z 导航坐标轴完全重合。

进行图4.1所示的三次 旋转可达到b b b b O x y z 的位置。

以n n n n O x y z 坐标轴为起始位置，顺时针为正。

'''"""n z b b b x y z x y z x y z ψ
θγ−−−−→−−−→−−−→,"绕转绕x 转绕y 转
由此可得 cos 0sin 100cos sin 00100cos sin sin cos 0sin 0cos 0sin cos 001cos cos sin sin sin cos sin sin sin cos sin cos cos sin cos cos si b n b n b n x x y y z z γγψψθθψψγγθθγψγθψ
γψγθψγθθψθψ-⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢
⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦+--=-n sin cos cos sin sin sin sin cos sin cos cos cos n n n x y z θγψγθψ
γψγθψγθ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥+-⎣⎦⎣⎦
111213212223313233n n b n n n n n T T T x x T T T y C y T T T z z ⎡⎤⎡⎤⎡⎤
⎢⎥⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦
其中ψ为航向角，γ为横滚角，θ为俯仰角。

由于n 系到b 系的旋转过程中坐标系始终保持直角坐标系，所以
n b C 为正交矩阵，也称为姿态矩阵。

记为
()112131122232132333T n
b b n T T T C C T T T T T T ⎡⎤⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎣⎦。