捷联惯导系统

1、捷联惯导系统 22011316 罗优一、捷联式惯性导航系统简介二、捷联惯导系统仿真三、捷联式惯性导航系统的误差分析一、捷联式惯性导航系统简介随着计算机和微电子技术的迅猛发展，利用计算机的强大解算和控制功能代替机电稳定系统成为可能。于是，一种新型惯导系统-捷联惯导系统从20世纪60年代初开始发展起来，尤其在1969年，捷联惯导系统作为阿波罗-13号登月飞船的应急备份装置，在其服务舱发生爆炸时将飞船成功地引导到返回地球的轨道上时起到了决定性作用，成为捷联式惯导系统发展中的一个里程碑。捷联式惯性导航(strap-downinertialnavigation)，捷联（strap-down）的英语原义是

2、“捆绑”的意思。因此捷联式惯性导航也就是将惯性测量元件（陀螺仪和加速度计）直接装在飞行器、舰艇、导弹等需要诸如姿态、速度、航向等导航信息的主体上，用计算机把测量信号变换为导航参数的一种导航技术。现代电子计算机技术的迅速发展为捷联式惯性导航系统创造了条件。惯性导航系统是利用惯性敏感器、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式航位推算导航系统。在工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰破坏。它完全是依靠载体自身设备独立自主地进行导航，它与外界不发生任何光、声、磁、电的联系，从而实现了与外界条件隔绝的假想的“封闭”空间内实现精确导航。所以它具有隐蔽性好，工作不受气

3、象条件和人为的外界干扰等一系列的优点，这些优点使得惯性导航在航天、航空、航海和测量上都得到了广泛的运用1.1 捷联惯导系统工作原理及特点惯导系统主要分为平台式惯导系统和捷联式惯导系统两大类。惯导系统（INS）是一种不依赖于任何外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统，具有隐蔽性好，可在空中、地面、水下等各种复杂环境下工作的特点。捷联惯导系统（SINS）是在平台式惯导系统基础上发展而来的，它是一种无框架系统，由三个速率陀螺、三个线加速度计和微型计算机组成。平台式惯导系统和捷联式惯导系统的主要区别是：前者有实体的物理平台，陀螺和加速度计置于陀螺稳定的平台上，该平台跟踪导航坐标系，以实现速度和位

4、置解算，姿态数据直接取自于平台的环架；后者的陀螺和加速度计直接固连在载体上作为测量基准，它不再采用机电平台，惯性平台的功能由计算机完成，即在计算机内建立一个数学平台取代机电平台的功能，其飞行器姿态数据通过计算机计算得到，故有时也称其为数学平台，这是捷联惯导系统区别于平台式惯导系统的根本点。由于惯性元器件有固定漂移率，会造成导航误差，因此，远程导弹、飞机等武器平台通常采用指令、GPS或其组合等方式对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位置参数。如采用指令+捷联式惯导、GPS+惯导（GPS/INS）。美国的战斧巡航导弹采用了GPS+INS+地形匹配组合导航。工作原理惯导系统基本工作原理是以牛顿力学定

5、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，之后将其变换到导航坐标系，得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置信息等。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，可以转换到要求的计算机坐标系内的分量。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，有了已知方位的加速度和角速度分量之后，导航计算机便可根据相应的力学方程解出要求

6、的导航和姿态参数来。“数学解析平台”的原理简图捷联惯导优点：捷联惯导系统和平台式惯导系统一样，能精确提供载体的姿态、地速、经纬度等导航参数。但平台式惯导系统结构较复杂、可靠性较低、故障间隔时间较短、造价较高，为可靠起见，通常在一个运载体上要配用两套惯导装置，这就增加了维修和购置费用。在捷联惯导系统中，由于计算机中存储的方向余弦解析参考系取代了平台系统以物理形式实现的参考系，因此，捷联惯导系统有以下独特优点。（1）去掉了复杂的平台机械系统，系统结构极为简单，减小了系统的体积和重量，同时降低了成本，简化了维修，提高了可靠性。（2）无常用的机械平台，缩短了整个系统的启动准备时间，也消除了与平台系统有

7、关的误差。（3）无框架锁定系统，允许全方位（全姿态）工作。（4）除能提供平台式系统所能提供的所有参数外，还可以提供沿弹体三个轴的速度和加速度信息。缺点：但是，由于在捷联惯导系统中，惯性元件与载体直接固连，其工作环境恶劣，对惯性元件及机（弹）载计算机等部件也提出了较高的要求。（1）要求加速度表在宽动态范围内具有高性能、高可靠性，且能数字输出。（2）因为要保证大攻角下的计算精度，对计算机的速度和容量都提出了较高的要求。1.2捷联惯导系统现状及发展趋势目前，捷联惯导系统已在军民领域被广泛应用。进入20世纪8090年代，在航天飞机、宇宙飞船、卫星等民用领域及在各种战略、战术导弹、军用飞机、反潜武器、作

8、战舰艇等军事领域开始采用动力调谐式陀螺、激光陀螺和光纤式陀螺的捷联惯导系统，尤其是激光陀螺和光纤式陀螺是捷联惯导系统的理想器件。采用光纤陀螺的捷联惯导系统被认为是一种极有发展前途的导航系统。我国惯性导航与惯性仪表队伍已经初具规模，具备了一定的自行设计、研制和生产能力，基本拥有了迅速发展的物质和技术基础。尽管如此，我国和国外先进技术相比，还有相当的差距。随着航空航天技术的发展及新型惯性器件的关键技术的陆续突破进而被大量应用，捷联惯导系统的可靠性、精度将会更高，成本将更低，同时，随着机（弹）载计算机容量和处理速度的提高，许多惯性器件的误差技术也可走向实用，它可进一步提高捷联惯导系统的精度。此外，随

9、着以绕飞行体轴旋转角增量为输出的新型高精度捷联式陀螺的出现，用以描述刚体姿态运动的数学方法也有了新的发展，将以经典的欧拉角表示法向四元素表示法发展。不管惯性器件的精度多高，由于陀螺漂移和加速度计的误差随时间逐渐积累（这也是纯惯导系统的主要误差源之一，它对位置误差增长的影响是时间的三次方函数），惯导系统长时间运行必将导致客观的积累误差，因此，目前人们在不断探索提高自主式惯导系统的精度外，还在寻求引入外部信息，形成组合式导航系统，这是弥补惯导系统不足的一个重要措施。我国的船用捷联惯性技术较航空、航天等其他行业起步晚,与美、法、俄罗斯等国家相比有较大差距,且西方对我国在该领域的控制也极为严厉。基于捷

10、联惯性导航系统的诸多优势,我国对船用高精度捷联惯性导航系统的需求十分强烈。因此,自主研发是我国发展船用捷联惯性导航系统的唯一出路。相信不久的将来,随着我国更高精度固态陀螺的研制成功以及船用捷联技术的日益成熟,满足我国各类舰艇要求的捷联式惯性导航系统必将研制成功,并得到大规模装备和应用。1.3捷联惯导的分类捷联式惯性导航系统根据所用陀螺仪的不同分为两类：一类采用速率陀螺仪，如单自由度挠性陀螺仪、激光陀螺仪（见陀螺仪）等，它们测得的是飞行器的角速度，这种系统称为速率型捷联式惯性导航系统；另一类采用双自由度陀螺仪，如静电陀螺仪，它测得的是飞行器的角位移，这种系统称为位置型捷联式惯性导航系统。通常所说

11、的捷联式惯性导航系统是指速率型捷联式惯性导航系统。1.4捷联惯导系统的精度惯性导航和制导系统对陀螺仪和加速度计的精度要求极高，如加速度计分辨率通常为0.0001g0.00001g，陀螺随机漂移率为0.01/小时甚至更低，并且要求其有大的测量范围，如军用飞机所要求的测速范围应达10的9次方（0.01/小时400/秒）。因此，陀螺仪和加速度计属于精密仪表范畴。目前，捷联系统的精度还未达到平台系统所取得的精度水平，还不能完全满足各种军用和民用的要求，其原因是：a)新型捷联用的惯性仪表，如动力调谐陀螺仪、激光陀螺仪、光纤陀螺等漂移达到0.01h，石英加速度计的标度因数误差达到110-4之后，进一步提高

12、仪表精度将会遇到加工工艺、材料、光电元器件等方面技术极限的限制，进一步提高仪表硬件精度将会更加困难，大幅度地追加投资不一定能够收到成比例的技术效益，同时也会给低成本优势的捷联系统蒙上阴影。b)捷联系统中的惯性仪表是直接与载体联接，飞行器的恶劣动力学环境如过载冲击、振动以及机动飞行等都会给惯性仪表和捷联系统带来动态误差。这类误差比较难以补偿，这也是捷联系统还没有达到平台系统精度水平的主要原因。c)为了充分发挥捷联惯性系统的技术优势，利用其它系统的高精度测量信息来补偿和抑制惯性系统随工作时间延长而增长的误差，达到提高导航（制导）精度的目的，建立以惯性系统为基础，以其它各种测量信息为辅助的组合导航系

13、统。惯性技术的发展表明：从传统的机械转子型陀螺向固态陀螺仪（激光、光纤和半球谐振陀螺仪）转移并进一步向以半导体硅为基本材料的微机械振动陀螺发展；从框架式平台系统向捷联系统转移；从纯惯性捷联系统向以惯性系统为基础的多体制导航组合系统发展，成为今后惯性技术发展的总趋势。1.5简单介绍使用新型陀螺仪的捷联导航系统1用静电陀螺仪的捷联式系统静电陀螺仪利用电极对球形转子的静电吸力，以及自动调节电极电压的方法，使球形转子支承在电极中心；并采用光电测量方法测出壳体相对转子极轴的转角。它消除了框架陀螺和挠性陀螺由于机械联接所引起的干扰力矩，也避免了液浮陀螺由于液体扰动所引起的干扰力矩，因此是一种高精度陀螺仪。

14、但由于其工艺复杂，因而成本较高。静电陀螺仪原理是50年代初提出的，直到70年代末才进入实用。经过逐步改进，静电陀螺仪精度已高达0.0001/小时。它特别适合于高精度惯导系统应用，曾被用于B-52远程战略轰炸机和F-117A隐身战斗轰炸机，用它构成的静电陀螺监控器现在是核潜艇惯导系统的主要组成部分。2用环形激光陀螺仪的捷联式惯导系统1963年，美国首先向世界公布了激光陀螺概念；但直到1981年，激光陀螺才首次被用于当时新生产的波音747飞机惯导系统中；接着于1983年开始批量生产，其间经历了长达20年的研制周期。激光陀螺长期不能进入实用的主要原因在于材料和加工工艺上的困难。激光陀螺仪是以激光作为

15、工质，以近代物理学中的萨格奈克效应作为理论基础作成的一种感测角速度的装置。它不使用机械转子，而是使用沿闭合光路运行的正、反两个激光光束间的谐振频率差，以此测定相对惯性空间的转速和转角。激光陀螺由于没有高速旋转的活动件，因而也被称为固态陀螺仪。激光陀螺具有机械陀螺无法比拟的优点，是捷联惯性系统理想的元件。自80年代中期至今，在覆盖军用机和民用机的绝大部分飞机捷联惯性系统中，激光陀螺已处于统治地位。3用光纤陀螺仪的捷联式惯导系统1975年，美国率先在世界上提出了光纤陀螺的设想。至90年代中期，光纤陀螺开始走向实用，最初用于战术导弹制导及飞机航姿系统中。光纤陀螺是采用光纤作为光路、并基于萨格奈克效应

16、的一种新型光学陀螺。当陀螺相对惯性空间旋转时，由相位测量电路提供输出。这种陀螺通常被称为干涉型光纤陀螺，并由发光二极管、波束分离器、光纤以及相位探测器等部分组成。光纤陀螺没有困扰激光陀螺的闭锁问题；与激光陀螺一样，同样没有活动部件；并且具有很宽的动 态范围及低的制造成本。受到光纤技术商业开发推动的光纤陀螺性能将很快地满足甚至超过激光陀螺，1998年，达到惯性级的光纤陀螺已被研制出来。二、捷联惯导系统仿真2.1系统仿真捷联惯导系统的最大特点是没有实体平台，即将陀螺仪和加速度计直接安装在机动载体上，在计算机中实时的计算姿态矩阵，通过姿态矩阵把导航加速度计测量的载体沿机体坐标系轴向的加速度信息变换到

17、导航坐标系，然后进行导航计算。同时，从姿态矩阵的元素中提取姿态和航向信息由此可见，在捷联惯导系统中平台的作用已由计算机及其软件的作用代替了，捷联式惯导系统采用的是数学平台。力学编排就是按照合适的数学模型由观测量计算出导航定位参数。具体地讲，利用陀螺仪测得的载体相对于惯性参照系的旋转角速度，计算出载体坐标系至导航计算坐标系之问的坐标转换矩阵；将测量的比力(加速度计测量载体相对于惯性空间的线加速度)变换至导航坐标系，并经过两次积分得到所需的速度位置信息。程序算法2.2姿态矩阵T舰船的姿态角实际上就是舰船坐标系OXbYbZb和地理坐标系OXtYtZt之间的方位关系，如图4-1所示。b系相对于t系的角

18、位置可以用一组欧拉角H、来表示两个坐标系之间的变换关系。按照首向 角、纵摇角、横摇角的定义，可按下列顺序分三次转动得到：其变换公式为：这是因为矩阵T为正交矩阵，所以有T-1=TT，可用变换矩阵Ttb实现由地理坐标系OXtYtZt到舰船坐标系OXbYbZb的坐标变换。由于方向余弦矩阵Ttb的元素可以单值地确定舰船的姿态角，故矩阵Ttb常常称为姿态矩阵，也称为捷联矩阵。显然，姿态矩阵Ttb中的元素是舰船的首向角、纵摇角、横摇角的函数。若知道了它们的元素，则可以单值地计算出H、的大小。2.3矩阵的即时修正算法在船用捷联式惯性导航系统中，舰船在地球表面的地理位置可用地理坐标系相对地球坐标系的方位关系来

19、表示；而舰船的姿态角则可用舰船坐标系相对于地理坐标系的方位关系来表示。描述动坐标系相对参考坐标系之间方位关系的方法有许多种，如三参数法；四参数法；九参数法；三角函数法及等效转动矢量法等。姿态矩阵和位置矩阵都可以用上述几种参数来描述。2.4捷联惯导系统初始对准的主要特点1大的初始不对准角：捷联惯导系统直接安装在基座上，其不对准角由基座的姿态和航向决定，一般不能将不对准角视为小量，这就带来数学处理上的麻烦。事实上捷联惯导系统初始对准的目的是测定惯性测量系相对导航坐标系的方向余弦矩阵。2对瞬时方向余弦阵的测定：捷联式惯性系统与平台式惯性系统的另一个主要差别就是前者在初始对准时，必须求出瞬时方向余弦阵

20、，而不是平均方向余弦阵。这是因为对捷联式惯性系统来讲，基座的角运动不能被隔离，因此必须考虑上述基座运动对误差角速度测定精度的影响。3有利于在对准过程中标定惯性仪表的参数捷联式惯性系统与平台式惯性系统相比，能够输出更多的可用信息，这样，捷联式惯性系统就能在对准过程中标定更多的惯性仪表误差系数。以双位置对准为例，捷联式惯性系统能标定三个陀螺常值漂移和三个加速度计零偏，而对平台式系统则只能标定两个陀螺漂移和一个法向加速度计零偏。4有更多的可用信息。对于平台系统，只有加速度计输出可直接用于初始对准，陀螺输出要提供平台稳定回路，而沿平台轴的输出信息只能从同位器获得，但同位器的分辨率太低，不能满足初始对准

21、的精度要求。与此相反，捷联陀螺的信息具有极高的角分辨率，可直接用于初始对准。这是捷联系统优于平台系统的地方，对方位陀螺的标定尤为有利。2.5初始对准的一般要求惯性导航系统的初始化包括:给定初始速度和初始位置，惯导平台的初始对准，陀螺仪的测漂和定标。第一项任务比较简单。第三项任务在陀螺性能比较稳定的情况下，不一定每次启动都要进行。而平台的初始对准，则每次启动进入导航工作状态之前都要进行，而且要求对准精度高，对准时间短。对准精度的高低，直接影响导航性能。对于平台系统，初始对准就是使平台坐标系向导航坐标系对 准，对准过程是一个物理过程。而对于捷联系统，初始对准就是确定初始时刻的姿态阵)0(tbC。对

22、准的方法有两类:一类是将外部参考基准通过光学或机电的办法引入平台:另一类是利用惯导系统本身的加速度计和陀螺仪测量重力加速度g和地球自转角速度ie进行自主式对准。由于平台系统和捷联系统基本原理相同，因此，它们的自对准原理也是相同的。不同的仅是实现方法上有差异。初始对准的要求包括精度和快速两个方面。为了满足精度要求，希望惯性敏感器具有尽可能高的精度和稳定性，并希望系统能对外界干扰不敏感，即整个系统的鲁棒性要好。为提高捷联系统的精度，还希望初始对准能对陀螺漂移、加速度计零位误差以及它们的标度系数进行测定和补偿。要使系统具有较好的抗干扰能力，还应采用频谱技术、滤波技术，将有用信息和干扰信息从时域和频率

23、域上加以分离。显然上述措施的实现，都需要容量大、速度快的计算机给以保证。很明显，精度和快速性这两方面的要求是矛盾的，因此需要合理地进行系统设计，尽可能兼顾这两方面的要求，以期求得满意的效果。一般性的设计原则是在保证初始对准精度的前提下设法缩短对准时间。2.6初始对准方法从目前国内外有关资料和相关报导来看，按照不同的分类方法，捷联惯导系统初始对准大致有以下几种分类：1按是否利用外观测信息来分，有自主对准与非自主对准。自主对准是利用系统本身的惯性元件，结合系统作用原理，自动进行对准的方法。非自主对准则要靠外部参考进行对准，这一过程要有地面设施的支持，平时费时、费力，战时缺乏有效的机动和灵活性。自主对准加强了惯导系统的自主性、隐蔽性，在现代战争中具有非自主对准不可代替的作用。而在惯导系统中，从其功能的完善性和使用的方便性出发，都要求在定位的同时具有自主定向，即对准的功能。传统的导航，即定位的概念正在被新的综合性定位定向概念所取代。未来的导航系统应当都具有自动对准的能力。