捷联式惯性导航5初始对准资料下载.pdf

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传感器精度高，同时对陀螺、加速度计进行补偿精确、快速。

传感器精度高，同时对陀螺、加速度计进行补偿2.对准的要求对准的要求nbC2010-04-2353.对准的方法和过程对准的方法和过程方法：

光的方法，天文的方法方法：

光的方法，天文的方法过程：

分两步即粗对准和精对准过程：

分两步即粗对准和精对准自主对准，不依赖外信息，受控式（依赖外信息）自主对准，不依赖外信息，受控式（依赖外信息）粗对准：

利用重力和地球自转角速率，直接估算初始姿态矩阵。

粗对准：

有些状态是不能直接测量的，因此必须采用有些状态是不能直接测量的，因此必须采用状态估计器状态估计器，估，估计出状态。

当把系统计出状态。

当把系统考虑考虑为为确定确定性性系统系统时，时，则则状态估计器是状态估计器是状态状态观观测器测器，当，当将将系统系统考虑考虑为为随机随机系统时，系统时，则则状态估计器是状态估计器是Kalman滤波滤波器。

器。

精对准精对准：

精确精确校正校正计计算参考算参考坐标系坐标系n与真实参考与真实参考坐标系坐标系n之之间的间的小失小失准准角角。

如果如果采用状态采用状态反馈控制反馈控制时，时，可将可将Kalman滤波技术应滤波技术应用用于于对准。

对准。

2010-04-2366.2粗对准原理粗对准原理l6.2.1解析式粗对准解析式粗对准l6.2.1.1对准方法描述对准方法描述l6.2.1.2误差分析误差分析l6.2.2一次修正粗对准一次修正粗对准l6.2.2.1对准方法描述对准方法描述l6.2.2.2误差分析误差分析2010-04-2376.2.1解析式粗对准解析式粗对准1（）（）nbbTbnnCCC=取取导导航航坐标系为地理坐标系坐标系为地理坐标系（n系系ENU）。

初始对准时，载。

初始对准时，载体体处于处于静止静止状态状态，加速度计测量的是，加速度计测量的是重力重力加速度加速度矢矢量在载体量在载体坐标系中的分量，坐标系中的分量，陀螺仪陀螺仪测量的是地测量的是地球球速速率矢率矢量在载体坐标量在载体坐标系系b中的分量。

中的分量。

这这两个分量在导两个分量在导航航坐标系坐标系n中的分量是中的分量是已已知知的，的，并且并且是是常值常值。

变换矩阵。

变换矩阵nbC可可由由ie及及g在在b和和n坐标系中的估坐标系中的估值值计计算算出出来来。

重力矢重力矢量量nbnbCgg=niebnbieC=ieg=如如定定义义nbnbCvv=1（）（）nnTbTbC=gg（）（）（）bTnTbTnC=gg1（）（）nnTbTbieieC=1（）（）nnTbTbCvv=1（）（）（）（）（）（）nTbTnnTbTbieienTbTCvv=gg对准方法描述对准方法描述2010-04-238对准方法描述对准方法描述（）00nTg=g（）0cossinnTieieieLL=（）cos00nTievgL=11（）00（）0cossin（）cos00nTnTieieienTiegLLvgL=g000cossinnnnieieievgLgL=00000cos000sinieieggLL=cos00iegL=100costan10cos100ieiegLLgLg=222222200cos1sincoscos0coscos00ieieieieiegLgLLgLgLgL=2010-04-239对准方法描述对准方法描述0nie=&

bbnienieC=bkbnnbnieC=bbnbnienienieCC=+&

bkbnbie=bbkbnnbnCC=&

在在静基座上静基座上对准时，对准时，解析解析对准对准法比现法比现有的有的光学光学对准对准法法要要好好。

然然而而实际情况下实际情况下，由，由于于受干扰振动及干扰受干扰振动及干扰加速度加速度的的影响影响，其其性性能能将将要要下降下降。

这种影响这种影响是是双重双重的，的，首先首先，这这些些干扰使干扰使gb与与bie的测量有的测量有误差误差，因为，因为被被测量是测量是f=g+fdib=ie+dgb与与bie=0由由d的分量确定的分量确定需需要要引入某种引入某种滤波滤波作作用，以用，以减减小振动小振动的的影响影响。

可可采用采用简单简单的的低通低通滤滤波波器，以得到器，以得到被被测量的测量的平平均均值值。

这这样便样便能能给给出出平平均对准矩阵。

均对准矩阵。

显显然然，与与载体的载体的运运动动有关，载体坐标系的有关，载体坐标系的瞬瞬时位置时位置相相对对于其于其平平均均值值位位置置可可能有能有相相当当大大的变的变化化。

结结果果是，是，如果如果仅达仅达到到平平均对准，当系统均对准，当系统转转入入导导航航状态时，状态时，会会有有比比较较大大的的初始初始失失准准角角。

EditedbyFoxitReaderCopyright（C）byFoxitSoftwareCompany,2005-2008ForEvaluationOnly.2010-04-2310111unnnnueneCIE=bienbCnnC若若能得到载体能得到载体振动振动的统计的统计特特性性，则可则可构造构造一个一个更完善更完善的的最佳最佳滤滤波波方案方案，然然而，要而，要想依靠线想依靠线性滤波性滤波把把gb和和d和和fd中中区区分分开开来来是是相相当当困难困难的。

因为的。

因为很很可可能能这这些分量些分量包含包含有有相同相同的的频频率率。

此。

此外外，滤波滤波器器还会还会引入引入附附加的时间加的时间延迟延迟。

因此，。

因此，解析解析对准对准主主要是要是作作为一为一种种平平均对准，均对准，它它是是迅迅速速求得变换矩阵初求得变换矩阵初始估始估值值坐标系坐标系n可可称称为捷联为捷联平台平台坐标系，坐标系，它它与真实参考与真实参考系系n之之间间的关系的关系可可用用3个个小失小失准准角角描述描述。

变换矩阵的变的变动动从从干扰干扰的一的一种种方方法法。

在精对准在精对准阶段阶段，将将利利用计用计算参考算参考系系n与真实参考与真实参考系系n间的间的失失准准角角估估值值精精校校变换矩阵的变换矩阵的元素元素。

对准方法描述对准方法描述2010-04-2311误差分析误差分析nbCMQnbTC=1（）M=（）（）nTnTienTvg（）Q（）（）bTbTTiebTv=gM（QQ）nbTTC=+QTxyzTTxyzTxyzffffvvvv=vg=vgg=+vgf=+xyzzyyzzyyzxxzzxxzzxyyxxyyxvggffvggffvggff=+=+=+TTxyzxyzfffggg=1（）（）（）（）（）（）nTbTnnTbTbieienTbTCvv=gg2010-04-2312误差分析误差分析MQMQ（MQ）nbnbTTTnbCICC=+=+0MQ00unbnTnueneCE=1/20（）（）（）nnnTnbbbbCCCC=T1/20T（）（MQ）（QMMQ）nbnTnbbTnbbnTCICCICC=+（）（）nTnbbCC（MQ）（MQ）nTnbTbTCC=+TTT（QM）（MQ）bnnbTCC=+TTQMMQTnbbnTICC=+1/212（）IXIX+T10T2（）（MQQM）nbnTnbTnbbCICCC=+nbC=T1T2QMnTnbbCC12MQnbbnTCCMQT+T1T2MQQMTnTbC12MQMQbTnTCMatlab辅助推导辅助推导2010-04-23136.2.1.26.2.1.2误差分析误差分析T10T2（）（MQQM）nbnTnbTnbbCICCC=+T1T2（MQQM）bnTTnbCCT1T2（MQQM）bnnbTTCC小小括号括号内的内的项项为一为一个矩阵个矩阵和其和其转转置矩阵的置矩阵的差值差值，是，是反反对对称称矩阵矩阵。

当载体坐标系。

当载体坐标系b相相对对于于地理坐标系地理坐标系n处于处于任意方任意方位位时，时，还还不不容易容易导出导出失失准准角角e，n，u与仪与仪表表误差误差的的简单简单解析解析函数式函数式。

为。

为了便了便于于分分析析，考虑考虑一一种种特殊特殊情况情况，假设假设b系系沿着沿着n系对准，系对准，即即nbCI=，此时，此时，00000000（）（）（）（）0（）（）（）0unnnbuebneCIC=2010-04-231412120tancostan0（tan）coscos（tan）0cosxxxieyxxzzieieyxzzieffLgLgfffLLgLggLfffLgggL=+误差分析误差分析误差分析误差分析00000000（）（）（）（）0（）（）（）0unnnbuebneCIC=0（）tancosxxuiefLgL=0（）xnfg=102（）（tan）cosyzzeieffLggL=+T1T2（MQQM）bnnbTTCC2010-04-2315误差分析误差分析0（）tancosxxuiefLgL=0（）xnfg=102（）（tan）cosyzzeieffLggL=+fxfyfzxzenu3.4/1mg-1.7/1mg-1.7tanL/1mg1.7secL/meru3.4tanL/1mg-3.4secL/meru2010-04-23166.2.26.2.2一次修正粗对准一次修正粗对准一次修正粗对准一次修正粗对准QQQbnff=ooQ（）Qbbff=+ooQQnbff=ooQQQQbbff+=ooooQQQQQQbnff=+ooooooQQnbff+=QQooooQQ=QoQQ=Qo00nfg=12Q1n=暂暂时不时不考虑考虑测量测量误差误差，即即fb=0，在载体在载体没没有加速度有加速度的的情况下情况下，矢矢量量fn为为假设假设载体的姿态载体的姿态及航及航向向角已角已由由其其它它导导航仪航仪表表以以几几度的精度度的精度近似近似测测出。

出。

被被测出的加速度分量测出的加速度分量bf可可通过通过已已知知数据数据构构成的姿态成的姿态四元数四元数传递传递对准对准进行分进行分解解。

由此得到计。

由此得到计算算的加速度分量为的加速度分量为2010-04-2317一次修正粗对准一次修正粗对准一次修正粗对准一次修正粗对准方法描述方法描述方法描述方法描述QQnnff=oo111221112222（）（）（1=1）enuenugijjkkik+oo111222Q1enuijk=+111222Q1enuijk=negigjgk=+nennueggffffg=111221222112（）

（1）enuneugggjgkjiik+=o111222111222uneenugggg=+111221122212（）enunueggggi+111221112222）（uenuengjggg+111211122222（）ununeekgggg+有的是两个小量有的是两个小量有的是两个小量有的是两个小量相乘被忽略了相乘被忽略了相乘被忽略了相乘被忽略了2010-04-2318一次修正粗对准一次修正粗对准一次修正粗对准一次修正粗对准方法描述方法描述方法描述方法描述0cossinnieieLL=QQQQbnbn+=QQoooooo0nu=nn=QQoo11122111222211=（）enuennuuijkjkijk+oo111111222222（）（）（）nununuuneununeijk+=1112221（）enuijk+o111221111112222222（）（）（）enunuuneeunnuunun+=111111222222111222（）（）（）（）unnueenunuununeuni+111122221122（）（）（）eunuunnuneuej+111122221122（）（）（）eunuennuunenk+）（）（）（nuunuuneenijk+=类似类似地，地，如将陀螺仪如将陀螺仪测出的测出的角角速速率率通过四元数通过四元数Q进行分进行分解解，可可以以写写出出注意：

两个小量注意：

两个小量相乘可忽略相乘可忽略相乘可忽略相乘可忽略2010-04-2319一次修正粗对准一次修正粗对准一次修正粗对准一次修正粗对准方法描述方法描述方法描述方法描述cossinsincossincosnuieieenuniuneienunieuieuneeeeLLLLLL=+=+=cossinunieieeLL=negf=nefg=sinstantanineeeieineuLLfLLg=+=11221,QTenuij=）（）（）（nuunuuneenijk+=nennueggffffg=利利用用这这些估些估值值的的失失准准角可角可以以校正校正计计算算的的四元数四元数QQ=QoQ=QQo2010-04-2320一次修正粗对准一次修正粗对准一次修正粗对准一次修正粗对准误差分析误差分析误差分析误差分析,nTdedndufffgf=+,cos,sinnTdednieduieLL=+dednduennununeefffffffgfggff=+cossinsincossincosendednieienieieieienuueeduLLLLLL+=+enfg=nefg=coansteeiuefLgL=现现在在考虑仪考虑仪表表误差及干扰误差及干扰运运动动对估对估值值用用fd和和d分分别表示别表示干扰干扰加速度加速度及角及角速度速度矢矢量量的的影响影响。

将仪将仪表表误差误差fb和和b沿沿计计算算参考参考坐标系坐标系轴轴分分解解得到得到2010-04-2321一次修正粗对准一次修正粗对准一次修正粗对准一次修正粗对准误差分析误差分析误差分析误差分析11cotan（）（1s（）edendienedeeennuuedeffgffgLfgLf+=+=+=+当当fe=fn=10-4g时，时，水平水平失失准准角误差角误差为为10-4rad。

由。

由陀螺陀螺漂漂移所产生移所产生的的方方位位失失准准角误差角误差，当，当e=0.2/h，纬纬度度45时，时，误差误差约约为为0.0188rad

（1）；

fe所产生所产生的的方方位位误差比误差比它它小小二二个个数数量量级级，即即10-4rad。

干扰干扰运运动动对一次对一次修修正正对准精度的对准精度的影响影响是是比比较较大大的的。

例例如如，10-3g的的横横向向加速度加速度可可能能造造成成0.05的的水平水平误差误差，而，而绕东绕东向轴向轴的的10-3/s的的干扰角干扰角速速率将率将产生约产生约19.45的的方方位位误差误差。

可可以求出估计的捷以求出估计的捷联联平台平台失失准准角角为为:

2010-04-2322克服扰动影响最常用的方法是在一克服扰动影响最常用的方法是在一克服扰动影响最常用的方法是在一克服扰动影响最常用的方法是在一段时间内对估计的失准角取平均值段时间内对估计的失准角取平均值段时间内对估计的失准角取平均值段时间内对估计的失准角取平均值00011（）cno1staneeeeTiTnuTedtTgdtTgdtTfLLffg=当当T足够足够大大时，时，扰动扰动运运动动对计对计算失算失准准角角的的影响影响几几乎乎可可以以忽略忽略。

这这时计时计算算的是的是平平均均失失准准角角，实际实际的的失失准准角误差角误差最大最大可可能是能是其波动其波动的的峰峰值值。

2010-04-23236.3精对准原理精对准原理l6.3.1东向陀螺作为敏感元件的校正对准东向陀螺作为敏感元件的校正对准l6.3.1.1对准方法描述对准方法描述l6.3.1.2失准角信息的提取失准角信息的提取l6.3.1.3修正矩阵的结构及对准精度分析修正矩阵的结构及对准精度分析l6.3.2常规校正对准常规校正对准l6.3.2.1对准方法的描述对准方法的描述l6.3.2.2调平回路的设计调平回路的设计l6.3.2.3方位对准回路的设计及对准精度分析方位对准回路的设计及对准精度分析2010-04-2324精对准原理精对准原理按照提按照提取失取失准准角角信息信息的的方方法来法来划划分，分，可可能有两能有两种种自自主式主式精对准精对准方案方案。

从加速度从加速度表表及及东东向向陀螺仪陀螺仪输输出中出中提提取失取失准准角角信息信息与与平台式平台式惯导系统对准惯导系统对准相似相似，只只从从水平水平加速加速度度表表中中提提取失取失准准角角信息信息2010-04-2325加速度计加速度计CnbK滤波滤波器器陀螺仪陀螺仪bcmdbnCdfgbfbfied+bbnnfbnbCnb1（）nbC+nbienie6.3.16.3.1东向陀螺作为敏感元件的校正对准东向陀螺作为敏感元件的校正对准东向陀螺作为敏感元件的校正对准东向陀螺作为敏感元件的校正对准取取地理坐标系为地理坐标系为参考参考坐标系，为坐标系，为了了清晰清晰，图图中中将将四元数更四元数更新新姿态矩阵姿态矩阵算法算法简简略略了了。

校正校正对准的对准的基基本思路本思路是，是，通过通过处处理加理加速度计速度计及陀螺仪及陀螺仪的测量的测量值值，检检测测n坐标系坐标系与与n坐标系坐标系之之间的间的误差角误差角，并并产生产生一个一个修修正正指令指令cmd给给姿态变换矩阵计姿态变换矩阵计算算机机，以，以驱驱动这动这些些误差角误差角尽尽可可能较能较小小为为零零。

与与此此同同时，时，还还需需要要对对干扰角振动干扰角振动进行进行补偿补偿。

这这个个过过程程类似类似于于平台平台系统中系统中“基座基座振动振动隔离隔离”。

2010-04-2326加速度计加速度计CnbK滤波滤波器器陀螺仪陀螺仪bcmdbnCdfgbfbfied+bbnnfbnbCnb1（）nbC+nbienienbC的估的估值反馈值反馈给方向给方向余弦余弦矩阵计矩阵计算机来实现算机来实现的。

变换矩阵的。

变换矩阵可可利利用用下下式式进行进行更更新新nnbkbbnbCC=&

是是角角速度速度bnb的的反反对对称称阵阵东向陀螺作为敏感元件的校正对准东向陀螺作为敏感元件的校正对准东向陀螺作为敏感元件的校正对准东向陀螺作为敏感元件的校正对准描述描述描述描述bd由由图图中中看看出，出，它它是是依靠依靠将干扰角将干扰角速度速度2010-04-2327东向陀螺作为敏感元件的校正对准东向陀螺作为敏感元件的校正对准东向陀螺作为敏感元件的校正对准东向陀螺作为敏感元件的校正对准描述描述描述描述bbbbbnbnnnbcmdd=+=+bcmdbdbiebbbied+bbnCbbbbbbnbcmddieie=+bEbbbbcmddie=+nnbknbknbknbkbbcmdbdbbieCCCCC=+&

bEbiebkiennnbnbCCC=nnnnnbnbnbCCCCC=+&

nnbkbbnbCC=&

通过滤波计算得通过滤波计算得到的与误差有关到的与误差有关的修正信号的修正信号补偿补偿计计算算载体坐载体坐标系标系b的的振动振动所所需需的的角角速度速度nnbkbbnbCC=&

b=（I）=EbbbbbbbbieiebieiebieieCC=反对反对称矩阵称矩阵理想理想实际实际Q2010-04-2328东向陀螺作为敏感元件的校正对准东向陀螺作为敏感元件的校正对准东向陀螺作为敏感元件的校正对准东向陀螺作为敏感元件的校正对准描述描述描述描述nnbknbknbknbkbbcmdbdbbieCCCCC=+&

nnnnnbnbnbCCCCC=+&

nnnbknbknbknbknnnbbcmdbdbbienbCCCCCCCC=+&

nnnbknbknbknbknnbbcmdbdbbienCCCCCCC=+&

nbkbnbCbdnEnnC=&

nEnbkbnbkbnbkbbcmdnbnbienCCCCCC=+&

nEnknknkcmdie=+&

nncmdcK=nnknnniecK+=&

nnnbnbCCC=nnnnnbnbnbCCCCC=+&

bnC两边右两边右乘乘两边右两边右乘乘nknbkbnbbnbnCC=角角速度速度反反对对称称矩阵的矩阵的相似相似变换变换2010-04-2329东向陀螺作为敏感元件的校正对准东向陀螺作为敏感元件的校正对准东向陀螺作为敏感元件的校正对准东向陀螺作为敏感元件的校正对准描述描述描述描述nEnknknkcmdie=+&

的的反反对对称称形形式式nkieEnnie反对称矩阵反对称矩阵nnncnkimdne=&

写写成成矢矢量量形形式式是是为为使使n减减小小至零至零，修修正正指令指令ncmd即即采用采用线线性控制性控制规律规律可可选择选择成成n的估的估值值的的线线性性函数函数，可可以以看看出，出，上上式表示式表示三三个标量个标量微微分分方方程程式式，它通过它通过地地球球速速率率项项nknie相相耦合耦合。

2010-04-2330东向陀螺作为敏感元件的校正对准东向陀螺作为敏感元件的校正对准东向陀螺作为敏感元件的校正对准东向陀螺作为敏感元件的校正对准提取提取提取提取（E）（gff）nnnndI=+（E）nnnbbfICf=g00nTg=endeefgff=+nednnfgff=+为为了构了构成成修修正正指令指令cmd，必须测出，必须测出误差角误差角n。

从计。

从计算算的的g的的水平水平分量分量及及ie的的东东向向分量分量可可以求得以求得n的的三三个分量。

个分量。

具具体地体地讲讲，由，由于于111unnnnueneCIE=2010-04-2331方方位位失失准准角角u可可由由下下式式找找出出（E）nnnbbIC=（E）（）nnnniedI=+cossineuieniedeeLL=+111unnnnueneCIE=efnfe的测量的测量值值中中提提取误差角取误差角，系统系统设设计成，计成，可可从从假设假设不计不计误差误差源源的的影响影响tancosTnneeeiefffLgggL=+=+1（）1（）tancosdnnnnnndeedeedeeieffgffgffLgL+=+=+其其东东向向分量为分量为2010-04-2332东向陀螺作为敏感元件的校正对准东向陀螺作为敏感元件的校正对准东向陀螺作为敏感元件的校正对准东向陀螺作为敏感元件的校正对准修正矩阵结构修正矩阵结构修正矩阵结构修正矩阵结构Knnknniec=&

A=nkieXAXU=+&

U=Knc012J（XVXUWU）TTtdt=+2122231001V00100mmmxxx=2122231001W00100mmmuuu=nie现现在在先先确定确定使误差角使误差角趋趋于于零零的的Kc矩阵矩阵结构结构，然然后后简简要分要分析析对准对准精度。

在精度。

在式式中，中，假设没假设没有不确定有不确定性误差性误差，得到，得到nnknnn