捷联惯性技术

船用捷联惯性导航系统研究

陈建国邵云生彭会斌

（海军驻上海地区水声导航系统军事代表室上海200136）

[关键词]捷联惯性导航

[摘要]本文概述了捷联惯性导航技术的数学模型、基本原理以及与传统平台式惯性导航系统相比的优势，介绍了美国等发达国家船用捷联惯导系统的装备概况，展望了捷联惯性导航系统在我国海军的应用前景。

Study of marine strapdown inertial navigation system

Chen Jianguo Shao Yunsheng Peng Huibin

Keywords:strapdown; inertial navigation

Abstract:This article explains the mathematic model,basic principle and the advantage over platform system of the strapdown Inertial Navigation System.It introduces the applications of this system in USA navy.It foresees the vast equipment of the strapdown inertial navigation system in our country in the near future.

0引言

惯性导航系统(Inertial Navigation System)，是利用惯性敏感元件、初始状态和初始位置信息来确定运载体的位置、姿态和速度的自主式航位推算系统。惯性导航系统既不向载体外发射信号，也不从外部接收信号，具有完全自主、全天候、抗干扰能力强的特点；它的这些特性使其广泛应用于航天、航空、航海等军事领域。捷联惯性导航系统也就是将惯性敏感元件（陀螺和加速度计）直接“捆绑”在载体上，从而完成导航任务的系统。捷联惯性导航系统是捷联系统得一种。与传统的平台系统相比，捷联系统有如下特点：

1）捷联系统敏感元件便于安装、维修和更换；

2）捷联系统可以直接给出舰船坐标系的所有导航参数，提供给导航、稳定控制系统和武器控制系统；

3）捷联系统敏感元件易于重复布置，在惯性敏感元件级上易于实现冗余技术，这对提高性能和可靠性十分有利；

4）捷联系统无常平架平台，消除了平台稳定过程的各种误差，同时减小系统体

积。

1 基本原理、模型及硬件组成

惯性导航系统基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，然后将其变换到导航坐标系，得到在导航坐标系中的速度、姿态角和位置信息等。对捷联惯导系统而言，平台的作用和概念体现在计算机中，它是写在计算机中的方向余弦矩阵。直接安装在载体上的惯性元件测得相对惯性空间的加速度和角加速度是沿载体轴的分量，将这些分量经过一个坐标转换方向余弦阵，可以转换到要求的坐标系分量。如果这个矩阵可以描述载体和地理坐标系之间的关系，那么载体坐标系测得的相对惯性空间的加速度和角速度，经过转换后便可得到沿地理坐标系的加速度和角速度分量；有了这些后，导航计算机便可根据相应的力学方程解出要求的导航参数。

首先我们来定义坐标系：

1) 惯性坐标系（i 系），坐标系原点位于地球中心，坐标轴相对于恒星不转动；

2) 地球坐标系（e 系），原点位于地球中心，坐标轴与地球固联；

3) 导航坐标系（n 系），为当地地理坐标系，一般为“东北天”；

4) 载体坐标系（ b 系），其坐标系沿载体横滚轴、俯仰轴和偏航轴。

在捷联惯性导航系统中，b 坐标系与n 坐标系的夹角就是我们所要的载体姿态角参数，也就要求计算出b 系到n 系的转移矩阵，主要依靠陀螺仪敏感的角速率参数和当地地球自转信息综合后，由高速计算机处理完成。加速度计敏感的加速度信息经过转移矩阵转换成沿n 系的加速度信息，经过剔除重力加速度和哥氏加速度（由于载体在旋转的地球表面运动而形成的干扰加速度）后，经两次积分运算，可得到载体的速度和位置的估计值。捷联惯性导航系统原理框图如图1。

其中：

ωb ib ：陀螺仪敏感相对i 系角速度在b 坐标系上的投影； n

b C ： b 坐标系到n 坐标系转移矩阵；

b

f ： 加速度计敏感加速度在b 坐标系的投影； ω

n

ie ：地球系相对i 系的角速度在n 坐标系上的投影；

ωn en : 导航系相对n系的角速度在n坐标系上的投影；

g n

l

：当地重力加速度矢量；

V N、V E：载体东向北向速度；

f N、f E：载体东向北向加速度；

L: 当地纬度；

R0：地球半径。

ωb ibωn ie+ωn en

图1 捷联惯导系统原理框图

在舰船惯导系统中，经典的计算公式如下：

方向余弦更新方程：

∙

n

b

C=n b C b nb

Ω

加速度方程：

∙

n

e

V=C n b b f-（2n ieω+n en

ω）⨯n

e

V+n l g

其中：n

e

V=[V N V E 0]

n

f=[f N f E 0]

ωn ie=[

ΩcosL 0 -ΩsinL]

ωn en=[V E/R0–V N/R0–V E tanL/ R0]T

姿态角信息包含在矩阵n

b

C中；解加速度方程得到速度（增量），从而也可得到位置（增