导航原理：第16讲-捷联惯性导航系统的对准

1、第16讲惯性导航系统的对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU1、概述2、基本原理3、地面对准4、空中对准5、海上的对准6、小结主要内容中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU1、概述中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU依据系统中有无物理平台，惯导系统可分为平台式惯导系统和捷联式惯导系统。对于平台式惯导系统来说，初始对准就是要将平台坐标系向导航坐标系对准。对于捷联惯导系统来说，初始对准就是确

2、定初始时刻的姿态矩阵。1、概述中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU按惯性系统分类：平台式和捷联式对准按对准的阶段：粗对准和精对准;按基座的运动状态：静基座对准和动基座对准;按对外部信息的依赖程度：自主式对准和非自主式对准；按应用领域环境分类：地面、空中和海上。在对准过程中，一般先进行粗调水平和方位后，再进行精调水平和方位。在精调水平和方位之后，系统方可转入正常工作1、概述中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU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

3、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，因此要求初始对准精度高、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。2、基本原理中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU2.1 基本方法坐标系1坐标系2投影测量值矢量投影测量值确定坐标系间的关系利用测量参数利用计算参数综合利用测量参数和计算参数2、基本原理中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU2.2 固定平台上的

4、对准 惯导平台初始对准调平：仪表组合旋转到北向和东向加速度计的输出为零时，平台便被调平。方位对准（寻北）：地球角速率的东向分量是零陀螺平台指北法：使平台坐标系与地理坐标系重合陀螺罗经物理寻北法陀螺罗经寻北：利用陀螺仪的定轴性和进动性，结合地球自转矢量和重力矢量进行寻北。包括物理寻北和解析寻北。物理寻北要求将寻北仪方位基准准确指向真北方向, 既将方位基准调整到该点所在的子午面内。而解析法寻北只需要通过解析计算求出基准方向与子午面的夹角。2、基本原理中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU2.2 固定平台上的对准 捷联系统的初始对准

5、对准的目的是确定方向余弦矩阵或者四元数，它们定义了惯性敏感器轴与导航坐标系轴之间的关系。陀螺罗经解析法二维空间调平和寻北一种是：把捷联系统产生的速度和位置估值与一段时间内外部源（或主参考系统）提供的速度和位置估值进行比较来实现系统的对准。另外一种：2、基本原理中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU2.3 运动平台上的对准 3、地面对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU3.1 引言 光学瞄准： 棱镜、经纬仪 自对准：陀螺罗经3、地面对准中南大学航空航天学院S

6、chool of Aeronautics and Astronautics, CSU3.2 自对准 北东地坐标系 3、地面对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU3.2 自对准 实际上，和可以构成一个新的矢量，即3、地面对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU3.2 自对准 3、地面对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU3.2 自对准 实际上，和可以构成一个新的矢量，即3、地面对准中南

7、大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU3.2 自对准 （对准矩阵）3、地面对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU3.2 自对准 实际上，这种对准方法的精度在很大程度上取决于测量的精度和仪表的分辨率。由于仪表存在零偏，上述方法的方向余弦矩阵存在误差。即或，则实际方向余弦矩阵与理论方向余弦矩阵的关系可以表示为3、地面对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU3.2 自对准 在小角度情况下，可以表示

8、为记称为角度误差反对称阵3、地面对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU3.2 自对准 分别是关于地理坐标系的北向、东向和垂直向的失准角分别等效于加速度计和东向陀螺的零偏3、地面对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU3.2 自对准 基本结论 1mg的加速度偏置将产生1mrad（3.4角分）的水平对准误差 0.01/h的陀螺漂移在北纬45，产生的寻北误差为1密位（3.6角分）。显然为了实现精确的方位对准，需要有高精度的陀螺。4、空中对准中南大学航空航天学院

9、School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.1 自对准 空中（飞机平台）发射导弹 传递对准利用机载主惯导对导弹子惯导进行对准4、空中对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.2 误差源 静态误差： 动态误差： 安装误差 弯曲变形振动 弹体坐标系和载机坐标系不一致 4、空中对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.3 空中对准方法 4.3.1 一次性的传递对准 4.3.2 空中惯性测量匹配 4.3.3 速度匹

10、配对准 4.3.4 位置更新对准 4、空中对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.3 空中对准方法 4.3.1 一次性的传递对准 飞机导航系统 导弹对准（从）系统 复制 姿态速度位置 一次性传递对准的精度受到很大限制 这种对准方法能否成功取决于两个系统物理位置的协调校准精度，或者需要知道对准那一时刻两个系统之间准确的相对指向4、空中对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.3 空中对准方法 4.3.2 空中惯性测量匹配 比较来自两个系统的外加运动测量

11、值 主参考系从参考系4、空中对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.3 空中对准方法 4.3.2 空中惯性测量匹配 原理：比较两个系统的运动测量值来算出其参考坐标轴的相对指向。测量值解算到一个公共坐标系:比力加速度和角速率。如果不存在测量误差，且两个系统并排安装在一个绝对刚性平台上，那么，两套系统测量值的差异就只来自对准误差。在这种条件下，就有可能精确地得到两个系统的失准角。4、空中对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.3 空中对准方法 4.3.

12、2 空中惯性测量匹配 实际的困难：挠曲运动各自测出的转动角速率和线性加速度不同；杆臂效应各自位置上检测到的平移运动也是不同的；空中对准不采用加速度、角速度匹配方法，而采用速度匹配方法，积分过程平滑噪声 ，可以较容易地实现杆臂校正，这种在速度上的校正仅是转动角速率和相距距离的函数。两个系统的测量值差异也会被系统错误地认为是对准误差，因而妨碍了对准过程的完成。4、空中对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.3 空中对准方法 4.3.3 速度匹配对准 4、空中对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics

13、and Astronautics, CSU4.3 空中对准方法 4.3.3 速度匹配对准 误差状态微分方程误差状态观测方程 滤波算法4、空中对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.3 空中对准方法 4.3.3 速度匹配对准 4、空中对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.3 空中对准方法 4.3.3 速度匹配对准 4、空中对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.3 空中对准方

14、法 4.3.3 速度匹配对准 误差状态观测方程主导航系统从导航系统误差状态观测方程4、空中对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.3 空中对准方法 4.3.3 速度匹配对准 4、空中对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.3 空中对准方法 4.3.3 速度匹配对准 偏航对准误差只有在飞机开始机动时才开始收敛，这是因为该误差只作为速度误差传播，而只有当飞机机动时，速度误差才能观测到。5、海上对准中南大学航空航天学院School of Aeronaut

15、ics and Astronautics, CSU5 .1 引言 5 .2 误差源 5 .3 海上对准方法 5、海上对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU5.1 引言 协调：一个位置上的传感器信息 ，可指挥控制另一个较远位置上的武器系统5、海上对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU5.2 误差源 甲板弯曲变形 测量基准线变化 日晒夜露 海浪冲击 战斗毁伤 5、海上对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astrona

16、utics, CSU5.3 海上对准方法 5.3.1 舰船传递对准方法 确定基准源 一次性基准传递 自准直仪、反射镜光学瞄准 误差大 通视问题 速度和角速度匹配 速度匹配舰船速度慢，难以机动，方位角误差 可观性差速度匹配完成水平对准 通过角速度测量值完成方位对准 5、海上对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU5.3 海上对准方法 5 .3.2 舰船惯性测量匹配技术 角速度匹配对准 5、海上对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU5.3 海上对准方法 5 .3.2 舰船惯性测量匹配技术 角速度匹配对准 误差状态微分方程误差状态观测方程 滤波算法5、海上对准中南大学航空航天学院School of Aeronautics and Astronautics, CSU5.3 海上对准方法 5 .3.2 舰船惯性测量匹配技术 角速度匹配对准 角速率匹配误差状态观测方程推导参考系统检测的旋转角速率和任何船体挠曲角速率之和5、海上对准中南大学航空航天学院School of Aer