捷联惯导详细讲解

捷联惯导系统从20世纪60年代初开始发展起来，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务，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“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)直接装在导弹需要诸如姿态、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。一、捷联惯导系统工作原理及特点惯导系统基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，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、偏航角和位务信息等。捷联惯导系统(SINS)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。由于惯性元器件有固定漂移率，会造成导航误差，因此导弹通常采用指令、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务参数。如采用指令+捷联式惯导捷联惯导系统能精确提供载体的姿态、地速、经纬度等导航参数，是利用惯性敏感器、基准方向及最初的位务信息来确定运载体的方位、位务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，工作不受气象条件和人为的外界干扰等一系列的优点。除此以外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锵信息。二、捷联惯导系统有以下独特优点：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。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关的误差。无框架锁定系统，允许全方位(全姿态)工作。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。三、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，对于飞航式地地战术导弹，由于其全程均在稠密大气层内飞行，且射程远，飞行时间长，容易受到大气干扰的影响，因此，采用捷联惯导系统是唯一可选的制导方式；对于中远程的空空导弹，因导弹的发射距离远，具有攻击多目标的能力，捷联惯导系统也是比较理想的中制导方式；采用捷联惯导系统也可简化设计降低成本，提高性能价格比。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，它对位务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，因此在不断探索提高自主式惯导系统的精度外，还要寻求引入外部信息，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。组合导航系统通常以惯导系统作为主导航系统，而将其他导航定位误差不随时间积累的导航系统如无线电导航、天文导航、地形匹配导航、GPS等作为辅助导航系统，将辅助信息作为观测量，对组合系统的状态变量进行最优估计，以获得高精度的导航信号。这样，既保持了纯惯导系统的自主性，又防止了导航定位误差随时间积累。随着GPS的普及，SINS/GPS组合导航系统显示出巨大的发展潜力。程序算法姿态矩阵T、矩阵的即时修正算法四元数法PL12的陀螺是三轴激光陀螺四、系统的主要误差源1、 惯性仪表的安装误差和表读因子误差；2、 陀螺的漂移和加速度计的零位误差；3、 初始条件误差，包括导航参数和姿态航向的初始误差；4、 计算误差，主要考虑姿态航向系统的计算误差，也即数学平台的计算误差；5、 载体角运动所引起的动态误差分类对上述几种误差源进行分类，则捷联惯导系统的误差可分为四类。数学模型的近似性所引起的误差当捷联系统的数学模型建立得不够精确时会引起系统误差。数学模型的选取应达到其近似性可以忽略的程度，否则就应该探讨更精确的数学模型。惯性仪表的误差惯性仪表（包括陀螺及加速度计）由于原理、加工与装配工艺的不完善等均可造成仪表输出的误差，从而导致系统的误差。在实际中，这部分误差在系统误差中占很大一部分3.计算机的算法误差对于捷联