晃动基座对车载捷联惯导系统初始对准影响探讨

1、一、引言 捷联惯性导航介绍惯性导航系统在进入导航之前，首先必须完成初始对准过程，对于平台式惯导系统，初始对准的主要目的是通过控制实体平台，实现与导航坐标系的轴线重合；对于捷联惯导系统，则是通过解算确定载体与导航坐标系的姿态关系矩阵。无论何种系统，对准精度和对准时间均是评价初始对准的两项重要技术指标。对准时间的长短标志着系统进入工作状态的反应能力，对准精度的高低影响不仅在姿态上，还表现在速度和位置等信息上，反映系统后续导航性能。对准过程中，载车所处环境是影响对准精度和对准速度的一个重要因素。当载车处在对地静止、外界无干扰的较好环境中，普通的解析对准法就能够达到较高对准精度。但当载车受阵风扰动、发

2、动机振动等外界干扰，处在较为恶劣环境时，惯性器件的随机噪声会增大，在随机噪声很高的情况下，完成初始对准需要较长时间，且对准精度也会受到较大影响。二、基座晃动对器件信号的影响实际对准环境中，由于外界干扰对基座产生晃动，导致惯性敏感器件测量输出信号中除了含有地球自转角速度分量外，还包含着载体晃动等角速度信息，使得信号信噪比降低，影响对准精度和对准时间。通常导致基座扰动的主要原因有：车体发动机开动时的振动及变速时的变频振动、人员和阵风扰动、车体下方软地的下陷以及过往车辆引起的微幅晃动等。其中，载车发动机引起的振动属于高频信号，该干扰信号通常可以认为是周期性信号或近似平稳的随机信号，常规滤波具有一定效

3、果，工程实践中，可通过分析器件输出信号的频谱，设计参数合理的低通滤波器将其滤除。人员活动、上下车以及开关门等扰动同属于低频干扰，可认为是包含冲击信号或非平稳随机干扰等非周期性信号，对于此类干扰，通常滤波难以取得令人满意效果。对于阵风扰动以及地面松软所导致的基座晃动，由于其晃动角速率一般在10100°/h之间60，与地球自转角速率水平分量处于同一数量级，使得器件本身无法区分是地球相对于惯性空间的角运动还是车体相对于地球的摆动，晃动干扰信号与有用信号的频率范围重叠，对于此类干扰信号，采用滤波器无法实现有效分离，只能考虑其他途径提高信噪比。图3.1和图3.2分别是基座有无干扰情况下的陀螺信

4、号输出图。图3.1 静基座下陀螺信号输出图3.2 晃动基座下陀螺信号输出从波形图上看到，基座晃动尤其是人员开关车门使惯性器件输出信号发生较大畸变，干扰信号的振幅远远大于有用信号的振幅,噪声将有用信号湮灭，使得信噪比较低。三、基座晃动对解析粗对准的影响捷联惯性导航系统的粗对准是为了确定姿态矩阵的粗略值（），以作为精对准的初始值。传统解析式粗对准主要以地球自转角速率和重力加速度作为自然参考量，利用导航系和载体系的投影在三维空间构造双矢量叉乘或直接求解等算法解算得到初始姿态矩阵（）。4.2.1 解析式粗对准解析粗对准主要利用双矢量定姿的方法，通过三个线性无关的向量求解由载体坐标系（系）到导航坐标系（

5、系）的方向余弦矩阵。如下式所示：(4-1)(4-2)为了求解姿态矩阵中的9个元素，需要构造新的向量来增加方程的数目。以下主要通过理论分析讨论不同的构造辅助方程对解析粗对准精度的影响。暂不考虑惯性器件的测量误差的情况下，惯性器件测量的自转角速度和重力加速度分别为和，各量在导航系的投影和惯性器件测量分别为：(4-4) (4-5) (4-6)(4-7)(4-8)(4-9)(4-10)(4-11)将构造的空间向量A和B分别代入计算表达式中。空间向量A计算得到：(4-12)用构造选取的空间向量B代入计算，得：(4-13)其中，基座晃动对解析粗对准的影响在晃动基座粗对准过程中，粗对准精度除了受惯性敏感元件

6、量测误差影响外，小角度晃动干扰如发动机振动、阵风扰动以及人员活动等也是影响粗对准精度的重要因素。文献1指出，对于晃动基座而言，器件量测误差引起的对准误差在分析中可以忽略，解析粗对准的精度主要取决于晃动干扰的剧烈程度。文献49基于构造的空间向量A对晃动干扰下解析粗对准的误差进行分析，并阐述了各姿态失准角与晃动干扰的关系，得到定量关系如下式所示：(4-16-a)(4-16-b)(4-16-c)其中，和分别表示在粗对准过程中，东-北-天三轴因基座晃动所导致的扰动角度；表示是干扰角速度。在理论分析的基础上，可通过一个简单的举例直观表述基座晃动对粗对准的影响。例如系统在纬度L=30°地理位置上

7、进行粗对准，载体系与导航系重合，即方向余弦矩阵，方位角与姿态角均为0°，取解析粗对准时间为30s，在粗对准即将结束时由于外界干扰使得基座发生小幅度（20）的晃动，陀螺感测晃动，测量值也发生变化，由原量测值变化为，其中平均扰动角速度，将因扰动测量得到的器件值代入解析粗对准计算方程(4-12)式中，可计算得到余弦矩阵为：(4-17)根据式(2-21)求得方位角°，这与实际方位角相差较大。由以上分析可知，对于捷联惯导系统静基座初始对准而言，解析粗对准是一种简单、快捷、高效的粗对准方法，并且能够保证系统进入精对准所需的精度要求，所以，在工程实践上被广泛的采用。但对于晃动基座而言，粗

8、对准的精度受晃动幅度制约，精度难以保证，尤其是方位难以满足进入精对准的要求，容易出现大方位失准角问题。四、基座晃动对精对准的影响精对准作为惯导系统初始对准的第二阶段，其精度直接决定着系统的定向性能，影响着后续导航精度，其对准的快慢制约着系统反应能力。鉴于此，国内外专家学者对精对准过程展开了大量的研究分析，也取得了很大的进步。归纳精对准方法通常可以分为以下两类：一类是基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，即采用卡尔曼滤波或递推最小二乘法实现广义数字信号处理方法。作为经典控制理论对准方法的突出代表，罗经对准法15是平台式惯性导航系统常用的一种初始对准

9、方法。通过罗经项引起的采用回路反馈的方法控制平台绕方位轴旋转，使得逐渐减小至极限值，实现与当地的地理坐标系重合。对于捷联惯性导航系统，同样可以根据平台罗经对准的特点，建立相应的数学平台完成初始对准过程56。通常罗经对准法分为水平精对准和方位精对准两个过程，系统首先完成水平对准，此阶段仅水平通道参与工作，待系统调平后，再通过方位通道进行方位精对准。（1） 水平精对准和分别表示东向和北向的失准角。粗对准后，水平失准角可视为小角度。所以两者间的交叉耦合项可忽略，则此时水平通道的误差方位可简化为1：(5-1)(5-2)按上式可画出北向通道的误差方块图如下图实线所示，图5.1 平台式水平对准回路的北向通

10、道由上图实线部分所知，北向通道实质上是休拉回路，做无阻尼振荡，且振荡周期为84.4分钟，为了提高系统收敛精度和加快收敛过程，分别在原通道的基础上引入虚线、点画线内的反馈，将系统设计为具有抗干扰能力的三阶水平对准回路，以破坏休拉调谐过程，加快北向通道的对准过程和对准精度。捷联惯导系统中，数学平台模拟平台惯导系统中的实体平台，如图5.2所示，图中为捷联姿态矩阵，模拟实体平台，和分别是陀螺和加速度计的测量值，经变换后成为数学角速度和加速度输出；是施加给数学平台的控制角速率。图5.2 捷联数学平台在平台惯导罗经对准中，一部分信号流代表实体平台的运动规律，另一部分信号流表示对准的控制规律，将它们移植到捷

11、联罗经对准时，实体平台变为数学平台，而控制规律不变。以北向对准通道为例，将图5.1与图5.2结合，构成捷联罗经水平对准的北向通道。如图5.3所示，陀螺和加速度计测量隐含在数学平台解算之中。不同之处在于，前者以平台误差角表示，直观显示了平台误差传递规律，而捷联系统则直接以数学平台表示，便于理解和软件实现，其实两者在误差传递本质上是一致的。捷联罗经水平对准北向通道如图5.3所示。图5.3 捷联罗经水平对准北向通道从上图中可以得到控制率：(5-3)(5-4)假设捷联数学平台的更新时间为，则可以直接用一阶差分近似代替微分，上式可离散化为(5-5)(5-6)对东向通道的分析与上述分析相类似，可根据控制要

12、求设计合适的反馈回路和选择合适的参数。例如北向对准通道的调节参数典型选取方法为：,(5-7)式中，、和分别为系统的衰减系数、阻尼比和休拉频率，具体设计中可根据精确性和快速性要求调整衰减系数和阻尼比。（2） 罗经法方位精对准图（5.1）中北向水平对准回路（北向加速度计和东向陀螺仪组成），有等效陀螺漂移项，说明北向水平对准回路与方位轴有密切关系，罗经法正是基于此才实现方位的精对准。这里的的影响被称为罗经效应，可以从控制的角度设计罗经方位对准回路使得值逐渐衰减至可接受的范围。捷联罗经方位对准通道如图5.4所示。图5.4 捷联罗经方位对准通道从上图中可以得到离散化的控制率： (5-8)(5-9)(5-

13、10)类似北向对准通道，对于方位对准通道典型调节参数选取如下：,(5-11)通过设计合适的反馈回路和选择合理的参数，方位对准的极限精度为(5-12)由上式可知，要提高系统方位对准精度，就必须减小东向陀螺漂移。对于捷联导航系统而言，实体平台转变为数学平台，在对准过程中旋转不再受到机械结构的限制，通过解析旋转实现对失准角的反馈，从而实现逐渐减小各误差角的目的。较基于现代控制理论的对准方法而言，罗经法具有计算量小，且原理清晰等诸多优点，但在设计过程中，需要经过反复实验选择适当的参数才能达到较好的精度与速度。（3）仿真分析为了验证罗经对准法抗干扰性能，设置仿真条件如下：a. 地理位置： 纬度、经度 以

14、及高度；b. °°/h；加速度计常值偏置100×10-6g，白噪声标准差50×10-6g；c. 基座晃动：在载体坐标系纵轴加入周期晃动，其中，；d. 水平姿态为0°，方位角30°，初始误差角、为1°， 为 3°。仿真时间600s，其中，前50s进行水平对准，水平对准结束后，再转入进行方位对准。各姿态误差角如图（5.5）所示：由和2.49。因此，罗经姿态调平在工程中被广泛应用。7。虽然经过更长时间方位误差角能够收敛至较高精度，但这使得与对准时间的矛盾更加突出。尤其是随着两光陀螺的发展，对陆用惯导系统快速性提出了更高的要求，使得罗经方位对准在陆用惯导系统中具有一定