捷联惯导系统粗对准技术研究

论文总字数：32506字

摘 要

捷联惯导系统（Strapdown Inertial Navigation System，SINS）是将惯性仪表直接安装在载体上，以陀螺仪和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统，惯性导航系统系统根据陀螺仪的输出建立坐标系，根据加速度计输出计算速度和位置。相比于平台式惯导系统（Gimbaled Inertial Navigation System, GINS），具有结构简单、体积小、重量轻、成本低、维护简单和可靠性高等优点，广泛应用于工程领域，但其结构特点决定该系统对初始对准具有更高的要求。

捷联惯导系统初始对准技术是捷联惯性导航的关键技术之一，本文研究了捷联惯导系统的粗对准技术。首先介绍了捷联惯导系统的研究背景和国内外发展概况。其次描述了基本工作原理，系统的基本方程，捷联惯导坐标系和机械编排，并介绍了捷联惯导解算算法的方法。然后，研究了捷联惯导粗对准技术，包括解析粗对准、凝固法粗对准、惯性系粗对准和四元数法粗对准算法的原理。根据四种算法的不同特点和误差分析，确定各中方法的使用环境和优缺点，并通过仿真实验验证上述四种算法的有效性。

关键词: 捷联惯导系统；粗对准；凝固法；惯性系法；四元数法

ABSTRACT

Strapdown Inertial Navigation System (SINS) is a navigation parameter calculating system using inertial sensors installed directly on carrier. According to the output of gyroscope, the SINS can build navigation coordinate, and then calculate the velocity and position on the basis of accelerometer. In comparison to Gimbaled Inertial Navigation System (GINS), SINS has many advantages, i.e. simple structure, small volume, light weight, easy maintenance, and high reliability. SINS have now been applied extensively to engineering. However, its structural feature requires a higher standard for initial alignment.

Initial alignment technology is one of the key technologies in SINS. In this paper, I studied the coarse alignment technology for SINS. Firstly, a brief introduction for study background and development in home and abroad of SINS is presented. Secondly, the operating principle, system equation, navigation coordinate and mechanical layout are studied. Thirdly, different kinds of coarse alignment algorithm principle are studied, including analytic coarse alignment, inertial frame coarse alignment, solidification method coarse alignment and quaternion method alignment. By analysing the errors and features of these alignment algorithms, advantages and suitable environments can be achieved. Finally, the algorithm design and simulation are implemented to test the effectiveness of the coarse alignment theories mentioned above.

Key words: Strapdown Inertial Navigation System; coarse alignment; solidification method; inertial frame method; quaternion method

目录

摘要Ⅰ

AbstractⅡ

1. 绪论1

1.1课题研究背景和意义1

1.2捷联惯导系统发展概况2

1.3捷联惯导初始对准技术发展概况3

1.4课题主要研究内容5

第二章 捷联惯性导航系统简介6

2.1捷联惯性导航系统的基本工作原理6

2.2捷联惯性导航系统的机械编排8

第三章 捷联惯导系统的粗对准算法12

3.1解析法12

3.2惯性系法12

3.3凝固法13

3.4四元数法14

第四章 粗对准算法的仿真实验16

4.1粗对准算法的实现16

4.1.1解析法粗对准算法16

4.1.2惯性系粗对准算法16

4.1.3凝固法粗对准算法16

4.1.4四元数法粗对准算法17

4.2仿真实验及结果分析17

4.2.1静基座粗对准仿真实验 18

4.2.2动基座粗对准仿真实验23

第五章 结论28

致谢29

参考文献30

第一章 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

导航是一门历史悠久的技术。随着人类活动范围的不断拓展，导航技术一次又一次地走向新的高度。同时，导航技术的革新又深深地影响着人类社会演变的轨迹。从人类文明诞生伊始，人们就在白天观察太阳的方位，在夜间观察星象，通过这些作为识别方位的辅助；我国古代春秋战国年代，随着农耕文明的进步，冶炼技术伴随着科技进步的步伐随之出现，我国的先人在长期的实践中逐渐掌握了物体磁性的相关知识，并发明了司南，这也是后来指南针的鼻祖；明朝时期，我国著名航海家，郑和利用指南针率领远洋舰队七次下西洋，完成了我国航海史上的伟大壮举；随着指南针传入欧洲，西方各国的航海家们开辟出新的航路，促进了地理大发现的高潮，将原本孤立的世界连接在一起，同时推动了社会和整个世界的变革与发展。

随着科学技术一步步走向成熟以及人类对地球上自然现象的理解逐渐提高，很多新型的资源被开发并被应用到导航实践之中，随之而来的是导航理论的发展和丰富。在众多导航理论中，以现代空间技术为基础卫星导航技术和以牛顿经典力学为基础的惯性导航技术的影响最为深远。目前在轨运行的卫星定位系统有：可以全球覆盖的美国全球定位系统和俄罗斯全球卫星导航系统;能够覆盖亚太区域的中国北斗卫星导航系统和初步发挥地面精确定位功能的伽利略卫星导航系统。

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