捷联惯导系统动基座初始对准及其它相关问题研究.pdf

分类号密级
UDC编号

西北工业大学

博士后研究工作报告

捷联惯导系统动基座初始对准

及其它相关问题研究

严恭敏

工作完成日期2006年11月－2008年11月

报告提交日期2008年11月

西北工业大学（陕西•西安）

2008年11月

中文题名捷联惯导系统动基座初始对准

及其它相关问题研究

英文题名OnSINSIn-movementInitialAlignment

andSomeOtherProblems

博士后姓名严恭敏

流动站（一级学科）名称兵器科学与技术

专业（二级学科）名称武器系统与运用工程

研究工作起始时间2006年11月

研究工作期满时间2008年11月

单位名称西北工业大学

报告提交日期2008年11月
西北工业大学博士后研究工作报告摘要

摘要

报告中除了对捷联惯导系统（SINS-StrapdownInertialNavigation
System）动基座初始对准进行重点分析和研究外，还针对以下问题作了深入研
究或探讨，它们包括：大失准角下的SINS初始对准技术、SINS内杆臂效应分析
与补偿、激光陀螺整周期采样对捷联惯导姿态解算的影响及其修正方法、经典
圆锥误差补偿精度估计。
报告的主要研究内容介绍如下：
1、根据SINS的正常导航更新算法，详细推导了逆向导航算法。在分析平
台罗经初始对准原理基础上，提出了捷联罗经动基座初始对准的原理并推导了
适合于软件编程的具体算法。在导航计算机存储容量足够大并且计算能力足够
强的条件下，通过逆向导航算法将动基座初始对准与位置导航有机结合起来，
达到同时实现了初始对准和位置导航的目的。在运载体运动情况下，还提出了
一种适用于SINS动基座初始对准的新算法，该算法以惯性空间为参考基准，将
初始对准姿态矩阵的实现分解为三部分，其核心是通过惯导比力方程变形，获
得外界测速仪（或GPS）辅助测量、加速度计输出和重力加速度之间的关系，从
中求解出两个特定惯性系之间的常值变换矩阵。
2、基于欧拉平台误差角的概念提出了大失准角误差条件下的SINS非线性
初始对准误差模型，该模型无法再用经典的加性噪声模型描述。为了降低滤波
计算量，在系统模型噪声和量测噪声均为复杂加性噪声并且量测方程是线性方
程时，推导了简化的UKF（UnscentedKalmanFilter）滤波方法，对静基座下
SINS初始对准进行了仿真试验，结果表明大失准角条件下的SINS误差模型和简
化UKF滤波估计方法是有效的。
3、在实际捷联惯性测量组件（SIMU-StrapdownInertialMeasurementUnit）
中，三个加速度计本质上测量的是SIMU上三个不同点处的加速度，如果把这些
加速度当作来自于理想“点测量组件”的输出进行惯性导航解算，会从原理上
引起导航误差，即内杆臂效应误差。假设SIMU中三个加速度计敏感轴互相垂直
并且相交于一点，在SIMU绕某个固定坐标轴作角振动的条件下，分析了内杆臂
效应的产生机理，得出内杆臂效应引起导航速度误差的规律：速度误差与角振
动中心位置无关，与加速度计敏感点至交点的杆臂长度成正比，也与角振动频

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西北工业大学博士后研究工作报告摘要
率成正比。提出内杆臂效应补偿的方法是将加速度计敏感点处的加速度测量值
折算至它们的敏感轴交点上。
4、抖动偏频激光陀螺捷联惯导系统（LSINS）中，三个激光陀螺之间机械
抖动频率一般互不相同。当陀螺输出采用整周期锁存方式时，导航计算机定时
采样系统采集到的三个陀螺信号，隐含着陀螺输出的不同步，在捷联惯导解算
中将产生姿态解算的不可交换误差，在圆锥运动环境下误差更加严重。提出了
在整周期采样电路上进行少许改动，就能做出有效改进的方法，并详细推导了
线性外推修正的算法公式。研究结果有利于拓展整周期采样的应用范围。
5、在经典圆锥误差补偿系数和剩余误差估计公式推导过程中，特别在半锥
角有限小、圆锥运动频率较低和选用多子样算法时，经典的剩余误差估计方法
会出现严重偏差。在不能视半锥角为无限小量情况下，文中利用推导方法提出
一种新的剩余误差估计的参考公式，即圆锥误差补偿极限精度公式。利用仿真
方法验证了等效旋转矢量误差的周期项对圆锥常值漂移误差有影响。研究表明，
在一定的半锥角和圆锥频率的工程应用环境下，当极限精度发挥作用时，提高
圆锥误差补偿精度的唯一途径是缩短补偿周期，而不像经典的结论那样——即
使补偿周期较大，通过提高子样数几乎能无限提高圆锥误差补偿精度。

关键词：
捷联惯导系统；罗经；动基座初始对准；UKF滤波；内杆臂效应；
整周期采样；圆锥误差补偿

II
西北工业大学博士后研究工作报告摘要

ABSTRACT

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