捷联惯导系统仿真器的设计

仿真参数选择及仿真结果的输出通过用户界 面进行； 运动姿态仿真模块根据用户输入数据实 时计算水下潜器的运动姿态信息； 惯性传感器仿 真模块仿真计算出惯性传感器件输出数据； 导航
收稿日期： *++! = +@ = "@( 万方数据 作者简介： 刘 $ 柱 （ "<B+ = ） ， 男， 硕士研究生， 主要研究方向： 导航系统软件设计和仿真(
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应% % % 用% % % 科% % % 技% % % % % % % % % % % % 第 !2 卷 还必须附加上噪声、 杆臂信息! 从而作为导航解算 的原始输入数据! 惯性传感器仿真实现流程如图 $ 所示!
! ）计算仿真输出 、 （#） ， 得到加速度计和陀螺仪在 通过式 （" ） 仿真条件下的真实理想输出， 要达到仿真的效果，
等： 捷联惯导系统仿真器的设计 第 2 期# # # # # # # # # # # 刘# 柱， 算法实现模块根据导航方程进行导航参数推算； 杆臂和噪声信号生成模块根据杆臂矢量的数据、 惯性传感器误差模型计算噪声信号!
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Βιβλιοθήκη Baidu"# 模块功能的实现
"! $# 用户界面 微机实现时， 用户界面主要用来和操作员进 行交互! 操作员经用户界面输入仿真的初始条件 及参数! 其中包括导航解算用到的参数， 如初始位 置、 速度、 加速度、 导航解算的采样时间等； 水下潜 器运动姿态仿真模块用到的参数和条件， 如运动 形式和环境的选择； 惯性传感器仿真模块中信号 输出频率、 形式； 杆臂长度、 噪声的参数； 仿真的开 始时间、 结束时间等等! 在操作员命令开始仿真之 前， 如果对某些参数或条件没有进行选择， 系统将 使用缺省值； 如果参数选择不符合实际情况， 将在 界面上报警， 提示数据不合理， 等待重新输入! 仿真过程中， 导航算法实现模块解算出的导 航信息在用户界面上回显， 用户可以实时了解导 航信息， 导航信息数据有： 姿态 （ 航向角、 横摇角、 纵摇角） ， 速度 （ 东向、 北向） ， 位置 （ 经度、 纬度） ， ! 同时在用户界面上还实时 加速度 （ 东向、 北向） 显示惯性传感器发生的数据： 加速度计值、 陀螺仪 ! 的角速度值 （ 载体的 % 个方向） "! "# 运动姿态仿真 在不同的仿真环境下， 载体会具有不同的运 动姿态! 水下潜器工作在水下， 受海流等影响， 所 以其姿态运动可近似认为是正弦运动形式： （ " # ! $ % # & ’ !) ） ( （$） ! ! ! " &’( 式中： 代表运动的姿态角， 为运动过程中的幅 ! !" % 为 运 动 的 周 期， 值， !) 为 初 始 相 位 角 ( 利 用 式 （$ ） 可以很方便地求得任意时刻载体运动的姿态 角， 一阶微分即可得到角速度的瞬时值； 二阶微分 得到角加速度的瞬时值( 这些参数将作为惯性传 感器仿真模块和杆臂噪声模块的输入( " ( %# 杆臂和噪声信号生成 从用户界面获得杆臂矢量的数据、 惯性传感 器误差模型， 经计算后得到杆臂干扰和噪声信号， 提供给惯性传感器仿真部分( 杆臂理想情况下， 惯性测量组件的安装点 ) 应在载体的摇摆中心， 即载体坐标系的坐标原点 *+ ， 且各相应测量轴和运动对象的纵轴、 横轴和 法向轴一致， 此时加速度计敏感到的应为对应于 * + 处的比力 , + ； 若加速度计安装点 ) 偏离载体摇 摆中心， 即 - . 不为零， 且载体有摇摆运动时， 由于 万方数据 存在离心加速度和切向加速度， 会引起加速度计
"$ 2DI2 仿真器设计
本文针对水下潜器用 2DI2 的工作环境进行 仿真， 仿真器的主要目的是仿真出符合实际惯性 ! 个加速计的数据( 为了 传感器— — —! 个陀螺仪、 对多种情况下传感器输出进行仿真， 仿真器结构 设计如下： " ）界面模块； * ）运动姿态仿真模块；
$ $
图 "$ 捷联仿真器结构图
参 考 文 献：
［2］ 张树侠， 孙 % 静& 捷联式惯性导航系统 ［ 3］ & 北京： 国 防工业出版社， 244$& ［$］ 陈% 哲& 捷联惯导系统原理 ［ 3］ & 北京： 宇航出版社， 245#& ［!］ 678.9 :，78.9;7< 9& 设计模式： 可复用面向对象 软件的基础 ［ 3］ & 北京： 机械工业出版社， 2444&
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CDA E7;，FGHI J/4，K-L M0/，F-L :/0
（ 237&&’ &N -;O&P5O/&4，G5QR/4 H48/400Q/48 A4/S0QT/O9，G5QR/4 "@+++" ，F7/45）
第 !" 卷第 # 期$ $ $ $ $ $ $ $ $ $ 应$ $ $ 用$ $ $ 科$ $ $ 技$ $ $ $ $ $ $ $ $ %&’( !" ， )( # *++, 年 # 月$ $ $ $ $ $ $ $ $ $ -..’/01$ 23/0430$ 541$ 60374&’&89$ $ $ $ $ $ $ $ $ :;’( *++, 文章编号： "++< = >#"? （ *++, ） +# = ++,+ = +!
的测量误差， 这种现象被称为 “ 杆臂效应” ( 此时 有 加速度计所测量的比力为 ) 点处的比力 , . ， 0 , . ! , / ’ " 1+ # - . ’ " 1+ （ " 1+ # - . ）( （ " ） 陀螺仪漂移误差模型包括随机常数、 随机斜坡、 长 相关时间的指数相关随机分量和短相关时间的指 数随机分量( 在一般分析时， 为了简单起见， 可把 陀螺漂移看成是一个随机常数和一阶马尔可夫过 程的组合( 加速度计的随机误差模型是随机偏置、 随机斜坡和 " 种马尔可夫过程的组合， 同陀螺漂 移的误差模型类似， 在简单的情况下， 可以考虑为 一个一阶马尔可夫过程( 随机常数和一阶马尔可 夫过程的误差模型如式 （% ） ： 0 2 ! )， 0 - ! $ # - ’ 3( （%） # # $ 3 式中： $ 是一阶马尔可夫过程的相关时间常数， 为零均值高斯白噪声( 噪声是通过界面参数的设 定产生的， 包括加速度计和陀螺仪的误差， 如果在 环境要求比较严格的场合还要相应地考虑其他误 差源， 诸如： 刻度因数误差、 安装误差、 计算误差等 等( 在本仿真系统中， 只考虑陀螺仪漂移误差、 加 速度计误差和随机常数( " ( *# 惯性传感器仿真 惯性传感器仿真模块根据用户输入的规划航 迹信息与解算出的运动过程中的姿态角、 传感器 误差等信息， 经仿真计算后得到惯性敏感器件仿 真数据( $ ）加速度计理想值计算公式 4 04 ,4 ! 5 （" "4 54 （*） 64 ’ 16 ’ " 64 ） 64 7 8 ，
图 !% 加速度计输出
万方数据
［ 责任编辑： 李雪莲］
捷联惯导系统仿真器的设计
作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 刘柱， 陈勤， 高伟， 曹洁 哈尔滨工程大学,自动化学院,黑龙江,哈尔滨,150001 应用科技 APPLIED SCIENCE AND TECHNOLOGY 2004，31(7) 5次
34#)*+5)： - 10T/84 T370P0 U5T .Q0T5O01 N&Q 2DI2 HP;’5O&Q( V5T01 &4 O70 375Q53O0Q/TO/3T &N 2DI2 ，O70 T9TO0P U5T P&1;’5Q/W01 R5T01 &4 O70 &RX03OY&Q/04O01 O0374&’&89 ，541 54 0P;’5O&Q U5T 10T/8401 ， U7/37 354 T0OO’0 N&Q P/Z01 04S/Q&4P04O 541 R0 0Z.54101( 670 0P;’5O&Q .Q&S/10T O70 15O5 T&;Q30 N&Q O0TO/48 5’8&Q/O7PT &N 3&QQ0’5O/S0 45S/85O/&4 T9TO0PT( 6"0 .’*-#： TOQ5.1&U4 /40QO/5’ T9TO0P；0P;’5O&Q （ 2DI2 ） 直接将惯性传感 $ $ 捷联惯性导航系统 器安装于载体之上( 随着计算机技术的不断进步， 2DI2 以其轻便、 高精等特点度越来越成为诸多导 航设备的首选( 2DI2 工作的核心是导航解算 部 分( 在导航系统设计过程中， 为了能更加精确地 测试捷联系统的初始对准、 捷联姿态算法、 组合导 航系统的滤波器、 故障检测等功能的优劣， 需多种 环境下的各种传感器仿真数据( 如果采集真实数 据则需要耗费大量的试验时间、 人力和物力， 难度 很大( 单纯意义上的设定仿真数据缺乏典型性和 代表性， 因而设计较为通用的仿真器具有必要性( ! ）杆臂和噪声信号生成模块； , ）惯性传感器仿真模块； @ ）导航算法实现模块( 各模块之间的结构关系如图 " 所示(
参考文献(3条) 1.张树侠.孙静 捷联式惯性导航系统 1992 2.陈哲 捷联惯导系统原理 1986 3.Erich G.RICHARD H 设计模式-可复用面向对象软件设计基础 1999
图 $% 惯导仿真器模块实现图
$ ! "% 导航解算部分 惯性传感器仿真部分输出的惯性传感器的信 息， 可以进行初始对准和导航解算， 具体的算法选 择依据测试的项目不同而选择& 诸如姿态算法精 度测试、 初始对准和各种不同的补偿 （ 如 ’()**+,-、 ./,+,-） 效果测试&
!% 仿真分析
利用 . 0 0 语言设计的捷联惯导系统仿真器 已在微机上实现& 图 ! 、 1 是一组仿真的捷联惯性 传感器信息， 仿真环境是在静态条件下， 选择东北 天坐标系， 不考虑杆臂、 噪声和摇摆等情况， 可以 看出， 仿真曲线符合真实惯性传感器的输出&
捷联惯导系统仿真器的设计
刘$ 柱， 陈$ 勤， 高$ 伟， 曹$ 洁
（ 哈尔滨工程大学 自动化学院， 黑龙江 哈尔滨 "@+++" ） 摘$ $ $ 要： 提出了一种通用捷联惯导系统仿真器的设计方案( 根据捷联惯导系统的特点， 利用面向对象技术 进行模块分解， 设计出了可以模拟多种环境、 扩展性很强的仿真器( 为相关导航系统算法的验证提供数据源( 关$ 键$ 词： 捷联惯导系统； 仿真器 中图分类号： A>>>( "*$ 文献标识码： -
4 ,+ ! !+ （+） 4, ( 式中： 角标 4、 +、 1、 6 分别代表导航坐标系、 载体坐 标系、 惯性坐标系、 地球坐标系( 4 4 0 5 64 和 5 64 在导航坐标系 4 内载体对地速度和
对地加速度， 可以通过规划航迹信息得到； !+ 4 为
4 4 捷联姿态矩阵 ! 4 " 16 、 " 64 分别为导航 + 的转置矩阵； 系内的地球角速率、 位移引起的角速率， 8, ［ )# . )# - 8］为重力加速度的矢量形式( 相关计算公 ( 式参照参考文献 ［$］ " ）陀螺仪理想值计算公式 + + 4 4 + （/） " 1+ ! !（ 4 " 16 ’ " 64 ）’ " 4+ ( 4 4 + 式中： （*） ， " 16 、 " 64 定义同式 " 4+ 为 + 系相对 4 系角 速率， 计算公式为 +9 0 01& % ) & " 4+ &’( %01& ! " +: ! - &’( ! 0 ) $ ! 4+ (（ 2 ） 0 " +; - 01& %01& ! &’( % ) % 4+ （ 航向角、 纵摇 式中： &、 ! 、 % 代表载体的姿态角 0 0 0 角、 横摇角）， &、 !、 % 为姿态角速率(
图 1% 陀螺仪输出
1% 结% 论
本文所设计的捷联惯导系统仿真器利用面向 对象的思想进行模块分解， 具有很强的扩展性& 结 合不同的使用环境， 可以对其中具体的模块进行 相应的重新设计& 比如对于运动姿态仿真模块、 杆 臂和噪声生成模块都可以依据系统具体的工作环 境， 对其中的各种参数或公式进行重新选择， 从而 达到更加真实的仿真效果&