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西北工业大学硕士学位论文 第二章捷联惯导系统的初始对准技术 第二章 捷联惯导系统的初始对准技术 2.1概述 惯导系统是一种自主式导航系统。它不需要任何人为的外部信息.只要给定 导航条件 (例如初始速度、位置等)，便可根据系统中的惯性敏感元件测童的比 力和角速率通过计算机实时计算出各种导航参数。由于 “平台”是测盘比力的基 准，因此，“平台”的初始对准就非常重要。对于平台惯性导航系统，初始对准 的任务就是要将平台调整到给定的导航坐标系的方向上;对于捷联惯性导航系 统，由于捷联矩阵起到 “数学平台”的作用，因此导航工作一开始就需要获得捷 联矩阵的初始值，以便完成导航的任务。显然如何获得捷联矩阵的初值就成了首 先必须解决的问题，即初始对准问题。由于初始对准对于惯导系统的精度与启动 时间(或反应时间)有着直接的关系，所以一直被看作一项关键技术，从而成为 近年来惯导界的研究热点之一。 初始对准具有多种形式阳: (1)按对准的阶段来分:惯导系统的初始对准一般分为两个阶段:第一阶 段为粗对准，对平台进行水平与方位粗调，要求尽快的将平台对准在一定的精度 范围内，为后续的对准提供基础，所以要求速度快，精度可以低一些。第二阶段 为梢对准，是在粗对准的基础上进行，要求在保证对准精度的前提下尽量快。 (z)按对准轴系来分:取地理坐标系为导航坐标系的情况下，初始对准可 分为水平对准和方位对准。在平台惯导系统中，物理平台通常先进行水平对准， 然后同时进行平台的水平与方位对准;在捷联惯导系统中的数学平台，一般水平 对准与方位对准是同时进行的。 (3)按基座的运动状态来分:按照安装惯导系统所在基座 (室内的测试台 或运载体)的运动状态可分为静基座对准和动基座对准。动基座对准通常是在运 载体运动状态下进行的。 (4)按对外部信息的依赖程度来分:惯导系统只依靠重力矢量和地球速率 矢盆通过解析方法实现的初始对准称为自主式对准，此时不需要其它外部信息， 自主性强，但精度不高;非自主式对准可通过机电或光学方法将外部参考坐标系 引入系统，使平台对准至导航坐标系。在捷联式惯导系统的粗对准阶段，可引入 主惯导系统的航向姿态信息，迅速将数学平台对准导航坐标系，减小初始失准角。 A些At丝+**i逆 ‘一— -— 一2兰主垄夔旦些遨些逊过鱼述 在精对准阶段，可采用受控对准方法，利用其它导航设备 (如GPS、里程仪等) 提供的信息 (如位里和速度等)作为t测信息，通过卡尔曼滤波实现精确对准。 (5)根据对准过程中使用的参考信息的不同来分:初始对准又可分为自对 准、传递对准和空中对准方法。自对准利用的是天然基准信息:重力加速度和地 球自转角速度;传递对准则是以主惯导为基准，使子惯导建立的导航坐标系与主 惯导己建立的导航坐标系重合:空中对准是根据其它导航系统提供的导航参数 (如位置、速度等)与惯导系统得到的相比较的偏差来估计惯导系统的失准角，从 而进行校正。 初始对准精度和对准的时间是惯导系统进行初始对准时的两项重要技术指 标。初始对准精度影响惯导系统的性能，初始对准时间标志着快速反应能力，因 此耍求初始对准精度高、对准时间短，即精而快。为了达到这一要求，陀螺和加 速度计必须具有高的精度和稳定性，系统的鲁棒性要好，对外界的干扰不敏感。 因此初始对准是惯导系统最重要的关键技术之一，近年来成为国内外学者研究的 热点。 设计初始对准方案所采用的方法通常可分为两大类:一类是荃于经典控制理 论的对准方法，称为频域法或经典法;另一类是基于现代控制理论的状态空间法， 也称最优估计方法或卡尔曼滤波方法.动基座对准一般都是采用外部信息，并通 过卡尔曼滤波来实现，一般来讲，这些方法对准速度快，因而适合于机动性要求 高的场所。而在静荃座条件下，捷联惯导系统的加速度计的输入量为一扩，陀螺 仪的输入盘为地球自转角速率d6ie，因此一扩和碟INL成为初始对准的基准。将陀 螺与加速度计的输出引入计算机，通过计算机就可以计算出捷联矩阵的初始值。 因此，陀螺仪和加速度计的误差会导致对准误差:对准时飞行器的千扰运动也是 产生对准误差的重要因紊。因此滤波技术对捷联系统尤其重要，常利用卡尔曼滤 波的方法来完成对准。 2.2捷联惯性导航系统的初始对准技术 在导航系统进入导航状态时，希望在计算机中建立一个能够准确的描述机体 坐标系b与当地地理坐标系 (即导航坐标系)t之间的坐标变换阵砚，以便导航