基于惯性系的SINS导航解算算法研究

论文总字数：21554字

摘 要

随着计算机科学、电子技术的逐步发展，捷联式惯性导航系统逐步代替平台式惯导系统，捷联式惯性导航与平台式系统对比来说，具有体积较小、重量较轻、花费成本较低这三个优点，鉴于捷联系统这一些的优点，捷联式惯性导航已经逐步变为导航进步的一种趋向。

如今我国捷联式惯性导航处于低精度程度。想要提升捷联惯导系统的精度，就必需有高精度的惯性测量元件，但是因为原料和制造的限定，导致无法完成。此外可以设计和采取更高准确度的捷联惯导算法。所以，开发出一种捷联惯导系统的更高准确度的算法就显得尤为重要。

论文首章叙述了惯性导航过去的历史及现在的状况，阐述了捷联惯导系统的基本定理和导航解算算法研究，分别介绍了基于当地水平地理坐标系与基于惯性系的两类导航算法，并具体给出了姿态更新算法、速度更新算法和位置更新算法方程。最后对船舰惯性导航作了仿真性分析，给出了两类算法的方针结果。

论文在仿真过程中。首先介绍了船舰的运动特点，然后简要对陀螺仪数据发生器和加速度计发生器进行了说明。提到了程序的应用界面以及仿真图形的说明，给出了动基座与静基座仿真结果。

关键词：捷联惯导系统，姿态算法，速度更新，位置更新，仿真

RESEARCH ON SINS NAVIGATION ALGORITHM

BASED ON INERTIAL SYSTEM

Abstract

With the gradual progress of computer science and electronic technology, strapdown inertial navigation system has gradually replaced the platform inertial navigation system. Compared with platform system, strapdown inertial navigation system has three advantages, such as smaller volume, lighter weight and lower cost. In view of the advantages of the strapdown inertial navigation system (SINS), strapdown inertial navigation system has gradually become the trend of navigation progress.

Now the strapdown inertial navigation system in our country is in the low precision degree. To improve the precision of the strapdown inertial navigation system, it is necessary to have high precision inertial measurement elements. But because of the limitation of raw materials and manufacturing, the result cannot be completed. In addition, we can design and adopt a more accurate strapdown inertial navigation algorithm. So it is very important to develop a more accurate algorithm of strapdown inertial navigation system.

The first chapter describes the past history and present situation of the inertial navigation system. And the basic theorem of the strapdown inertial navigation system and the algorithm of the navigation solution are described. Two types of navigation algorithm based on local level geographic coordinate system and inertial system are introduced, and the attitude-updating algorithm, speed update algorithm and position update algorithm are presented. Finally, this paper made a simulation analysis of ship inertial navigation, and two algorithms of the policy results are given.

In the simulation process,the paper firstly introduces the characteristics of the motion of ships, and the gyro data generator and acceleration meter generator are briefly described. The application interface of the program and the description of the simulation graphics are mentioned, and the simulation results of the moving base and the static base are given.

KEY WORDS: The strapdown inertial navigation system, attitude algorithm, speed update, position update, simulation

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1惯性导航简介 1

1.2捷联惯导算法研究状况 2

1.3论文研究的主要内容 2

第二章 捷联式惯性导航的基本理论 4

2.1常用坐标系及其参数 4

2.1.1常用坐标系 4

2.1.2导航过程所用相关参数 6

2.2捷联式惯性导航的原理 6

2.3捷联式惯性导航中的基本方程 7

2.4本章小结 7

第三章 当地水平地理坐标系中的姿态更新算法 9

3.1姿态矩阵计算 9

3.1.1 欧拉角法 9

3.1.2 方向余弦法 10

3.1.3 四元数法 10

3.1.4 等效转动矢量法 12

3.1.5初始赋值 13

3.2速度计算 14

3.3经纬度计算 15

3.4本章小结 15

第四章 惯性系中的导航算法解算 16

4.1惯性系中的的导航姿态更新算法 16

4.2速度更新算法 17

4.3位置更新算法 18

4.4本章小结 19

第五章 对船舰惯性导航的仿真研究 20

5.1 船舰运动特性 20

5.2 陀螺仪数据发生器 21

5.3 加速度计数据发生器 21

5.4船舰导航的仿真研究 21

5.4.1 静止基座仿真 22

5.4.2 晃动基座仿真 24

5.4.3 仿真结果分析 26

5.5本章小结 26

结论 27

致谢 28

参考文献 29

1. 绪 论

1.1惯性导航简介

“导航”也即是将人或机器等运载体依据事先规划的路线和要求，从开始地点指引到目的地的这一段过程称之为导航，而用来指引的设备称为导航设备。导航专门技术从古进步到如今，既显得古老，又显得年轻，从最开始的以星体作为方位基准横渡大海，到如今的惯性导航系统。因为人们逐步对天然现象本质的深入认识以及科学的进步，导航理论也在不停被人们发现。牛顿力学的创建让人们走入了惯性导航的领域。按照牛顿的惯性定理设计制造出了在运载体自身创立参考基准的惯性测量元件，使人们能够摸索到更深更远的空间。对已知空间的导航与未知空间的探索的重大意义不言而喻^[1]。

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