车载捷联惯导系统定位测姿算法研究

第１５卷第ｌ期２００７年２月

中国惯性技术学报

ＪｏｕｍａｌｏｆＣｈｉｎｅｓｅＩｎｅｒｔｉａｌＴｃｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ｖｂｌ．１５Ｎｏ．１

Ｆｅｂ．２００７

文章编号：１００５－６７３４（２００７）０１一００２４－０４

车载捷联惯导系统定位测姿算法研究

陈允芳１，叶泽田２，钟若飞３

（１．山东科技大学地球信息科学与工程学院，青岛２６６５１０；２．中国测绘科学研究院，北京１０００３９；

３．首都师范大学，北京１０００３７）

摘要：ＧＰｓ／ＩＮｓ组合精确测定平台的位置和姿态是移动测图系统中的重要模块。对陀螺仪和加速度计所测角速度和比力进行两次积分得载体姿态、速度和位置即ｓＩＮｓ力学机械编排。目前该过程大多在地理坐标系进行。

这里详细推导了地球坐标系中完整的解算过程，以四元数姿态矩阵更新及重力计算为核心，由ＩＭｕ原始观测值解算出了载体位置、速度和姿态等参数，可快速高效与ＧＰｓ输出的位置速度信息进行组合滤波处理，可据此编程进行工程应用数据处理。

关键词：捷联惯导系统；姿态矩阵；坐标转换；力学编排；四元数

中图分类号：ｕ６６６．１文献标识码：Ａ

ＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｎｄｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｏｎＶｅｈｉｃｌｅ－ｂｏｒｎｅ

ＳＩＮＳａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｅｒｒｏｒ

ｃＨＥＮＹｕｎ．‰９１，ＹＥｚｅ－ｔｉａｎ２，ｚＨＯＮＧＲｕｏ．ｆｅｉ３

（１．Ｇｅｏ?ｉｎｆｏ衄ａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒＳｉ哆ｏｆＳｃｉｅｎｃｅａＩｌｄＴｂｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ

２６６５１０，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｕｒｖｅｙｉｎｇａＴｌｄＭａｐｐｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅＲｅｓｅａｒｃｈＩｎＳｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｉｎａ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００３９，Ｃｈｉｎａ；３．Ｃ印ｉｔａｌ

ＮｏｍｌａｌＵｎｉｖｅｒＳｉ劬Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００３７，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＧＰＳａｎｄＩＮＳｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｔｏａｃｃｕｒａｔｅｌｙｄｅｔｅｍｉｎｉｎｇｐｏｓｉｔｉｏｎａＩｌｄａｔｔｉｔｕｄｅｏｆｎａｔＩ‘ｏｏｆｉｓＶｉｔａｌｍｏｄｕｌｅｉｎｍｏｂｉｌｅｍａｐｐｉｎｇＳｙｓｔｅｍ．Ｓｐｅｃｉｎｃｆｏｒｃｃ行ｏｍｓｐｅｅｄｏｍｅｔｅｒ蚰ｄ舭ｇｌｅｒａｔｅ矗ｏｍ留ｒｏａｒｅｉｎｔｅ铲ａｔｅｄｔｗｉｃｅｒｅｓｐｅｃｔｉＶｅｌｙｔｏａｃｈｉｅｖｅａｎ沁ｄｅ，ｖｅｌｏｃ时ａＩｌｄｐｏｓｉｔｉｏｎｎ锄ｅｌｙＳＩＮＳｍｅｃｈａＩｌｉｚａｔｉｏｎ．Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙｔｈｉｓｔｏｏｋｐｌａｃｅｄｉｎｇｅｏｇｒ印ｈｉｃｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ，ｗｈｉＩｅｈｅｒｅｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｍｅｗｈｏｌｅｍｅｃｈａＪｌｉｚａｔｉｏｎｉｎｅａｎｌｌ－ｃｅｎｔｃｌｒｃｄｅａｒｔｈ－ｆｉｘｅｄｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ，ｍｏｓｔｌｙｑｕａｔｅｍｉｏｎａ钍ｉｔｕｄｅｍａｔｒｉｘｕｐｄａｔｉｎｇ锄ｄｇｒａｖｉｔ）ｒｃａＩｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｕｌｔｉｍａｔｅｌｙｖｅｈｉｃｌｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｐａｒ锄ｅｔｅｒｓｓｕｃｈａＳａｔｔｉｔｕｄｅ，ｖｅＩｏｃｉｔｙ锄ｄｐｏｓｉｔｉｏｎｗｅｒｃｇａｈｅｄ丘ｏｍＩＭＵｏｒｉｇｉｎ“０ｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ．Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓｐｌａｔｆｏ眦ｉｓｆｏｍｌｃｄｉｎＳｒＮＳｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｓｕⅣｅｙｉｎｇａＪｌｄｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｐｒｅｃｉｓｅｌｙｔｈｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｍｏＶｅｍｅｎｔ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＩＮＳ；ａｔｔｉｔｕｄｅｍａｔｒｉｘ；ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｔｒａｎｓｆｏｍａｔｉｏｎ；ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ；ｑｕａｔｅｍｉｏｎ

随着惯性技术与卫星导航定位技术的发展，由ＧＰＳ／ＩＮｓ不同程度组合而成的定位定姿传感器已成为移动测图系统中确定载体轨迹和平台姿态的重要工具，其中ＧＰｓ多用于定位而ＩＮＳ则用于测姿。捷联惯导系统（ｓＩＮｓ）是将惯性仪表直接固联在载体上而无须采用机械陀螺稳定平台，通过导航计算机中相应程序建立“数学的”陀螺稳定平台，即计算机处理测量值得到载体位置、速度和运动方向估计值以实现导航平台功能。尽管ｓＩＮＳ于２０世纪５０年代即在美国获得专利，但因受限于惯性设备和计算机技术的发展而一直未能实用。近年来，电子和高速计算机技术的发展使得捷联技术得以实现和充分发展，这是惯性技术在近２０年内发展的一个重要的标志。

ＩＮＳ的核心部件是惯性测量单元（ＩＭＵ），按照其陀螺仪和加速计等元件的精度，可将惯导分为不同等级：战略级（＜０．０００ｌ（ｏ）／｝ｌ，ｌ岖）、导航级（０：０００ｌ～０．０１５）（ｏ）／Ｉｌ，５～１００嵋）、低成本（（１～１０（。冲，（０．１～１）ｎ培）。考虑到惯性设备出口管制政策及需求与成本等问题，民用ＩＮｓ精度范围一般为低成本级别。

收稿日期：２００６—０６—１６；修回日期：２００６—１２—２２

基金项目：国家８６３基金课题（２００６ＡＡｌ２２３２４）；教育部三维信息获取与应用重点实验室开放基金

作者简介：陈允芳（１９７７一），女，博士生，讲师，主要从事移动测图与组合导航。

２５陈允芳等：车载捷联惯导系统定位测姿算法研究第１期１惯性导航初始对准

因ＩＮｓ系统属航位推算系统（ＤＲ，ＤｅａｄＲｅｃｋｏｎｉｎｇ），它是依赖于前一时刻导航参数估计值的递推更新运算，故位置、速度和姿态等初始导航参数等信息是准确进行解算的基础。惯导系统初始化包括给定初始速度和位置、惯导平台初始对准、陀螺仪测漂定标等。重点是确定ＩＮｓ的初始姿态矩阵，水平对准可由加速度计的量测输出获得水平方位，即俯仰角和横滚角来实现，但因低成本ＩＭｕ的陀螺仪精度不足以感受地球自转角速率，无法获得航向信息，只能引入外部航向信息，如利用ＧＰＳ所测速度进行匹配对准，或引入其它方位测量方法，如磁航向或双天线ＧＰｓ定向系统等来获得初始航向信息。为得到较高精度初始姿态数据，本研究中水平对准由倾角仪提供横滚角和俯仰角来完成，方位对准采用ｖＥｃＴＯＲ航向测量系统实现，其２ｍ基线方位精度可达Ｏ．１０（ＲＭＳ），足以满足方位对准的精度要求。由此可获取三个初始姿态角。可利用卡尔曼滤波对平台误差角进行估计出并校正系统，使载体坐标系与导航坐标系对准ｆ５１。对低成本ＩＮＳ，一般需要进行动基座对准”１。

２地球坐标系力学编排

本研究所用ＩＭｕ的陀螺仪和加速计分辨率分别为０．０００６（。）／ｓ和Ｏ．１５ｍ毋属低成本精度级别ＩＮＳ。它包括三个ＦＯＧｓ陀螺（测量角速率）和三个ｉＭＥＭＳ加速度计（测量比力），将陀螺仪和加速度计输出信息进行捷联姿态解算，即可求得运动载体不断变化的姿态角及速度、位移增量。

２．１导航坐标系及导航方程

因陀螺仪敏感的是相对于惯性空间的运动，而要测量的是载体相对于某个参照系的运动，故必须进行坐标变换。此外，加速度计所测加速度输出信号中往往包含重力加速度分量和有害加速度分量，必须对重力加速度分量进行修正，对有害加速度分量进行补偿，然后经过积分运算得到运载体的速度和所在的地理位置。

惯性导航的基础是精确定义的一系列右手参考坐标系，较常用的是惯性坐标系（ｊ系）、地球坐标系（ｅ系）、地理坐标系（ｎ系）、载体坐标系（ｂ系）及计算坐标系（ｋ系）等，详细定义参见文献【３】。如图１所示，其中ｅ和ｎ系都三轴

定义为东北天方向，ｂ系三轴定义为右前天方向。

下面重点考虑ｋ系的合理选取问题。工程应用中，常选取ｅ、ｎ坐标系中的任一系作为ｋ。若选取ｎ系，计算时可直接输出地理坐标（五，仍办）和运行姿态，且重力计算模型简单，但因ｎ系本身随载体运动而旋转，需要附加大量计算工作来补偿由此产生的影响，且须不断进行ｅ系和ｎ系间的坐标转换，即将ｎ系的ＩＮＳ导航结果转换到ｅ系中，或将ｅ系中的ＧＰＳ定位测速结果转换到ｎ系中，此频繁转换势必影响计算精度；在ｅ系计算时，ｅ系本身不随载体运动变化，计算过程及公式简单，可直接获三鼓二豫妄孕地理坐标系

图ｌ各坐标系示意图

Ｆ培１ＣｏｏｒｄｉｎａｔｅｓＳｋｅｔｃｈＭａｐ

得载体在地心直角坐标系（如ｗＧＳ８４）中的三维直角坐标（置ｙ，ｚ），直接用于修正ＩＮｓ，适合与ＧＰｓ数据进行组合处理，且省去了反复的坐标变换，程序更简洁和模块化，导航计算精度也较ｎ系稍优，但正常重力计算模型和姿态角的提取计算较复杂。考虑到要用ＧＰｓ，ＩＮＳ进行组合导航，而ＧＰＳ定位是在ｅ系进行，故本文选ｅ系作为计算坐标系【１】【３１。

导航方程可从任何坐标系导出，不同坐标系导航方程会有不同形式。选ｅ系后，根据牛顿第二定律和科里奥里定律，载体相对于ｂ系的速度变化可由惯性轴系的速度变化来表示，载体相对于地球的加速度由三部分加速度组成哺１：

一

壬Ｋｌ。＝茂，ｔ《×ｙ。＋ｇ。

Ⅲ

，６为加速度计所得比力加速度，∞：×ｙ。为科里奥里加速度，ｇ。是ｅ系表示的正常重力。因ＧＰｓ观测量、引力常量都是ｅ系的值，由上式可推得ｅ系表示的ＳＩＮＳ导航方程“¨”：

『，。¨ｙ。］

．Ｙ‘＝ｌ矿。｝＝ｌ群，。一２球ｙ。＋窖。Ｉ

Ｉ农ｌⅨ（蹴一球）

其中，，。＝《厂６即转化至ｅ系后的比力值。上述方程又称为ＩＮＳ力学（或机械）编排，它描述了待求导航信息与各观测量间的数学关系，其中比力和角速度是动态系统输入的观测值，位置、速度及姿态信息是状态变量。注意，上标（如ｂ）表示向量各分量所对应的坐标系，下标ｉｂ则代表ｂ系相对于ｉ系的旋转，

２００７年２月中国惯性技术学报２６２．２地固坐标系力学编排过程

ｓｌＮｓ姿态解算中，载体的姿态和航向通常描述的是ｂ系和ｎ系之间的方位关系，故将ｂ系和ｎ系间坐标变换矩阵称为姿态矩阵，姿态矩阵解算是ｓｍＳ姿态解算的核心内容。由刚体定点转动理论，解算姿态矩阵的方法有【６】：欧拉角法（三参数法），四元数法（四参数法），方向余弦法（九参数法）。这里选用四元数积分法。

ｓＩＮｓ力学编排即利用陀螺仪所得旋转角速度计算出ｂ系至ｅ系坐标变换矩阵；利用该矩阵将所测比力变换至ｅ系并两次积分得速度增量。计算分两个环路：１）角速

度积分环路：将测得的ｂ系对ｉ系的旋转角速度，

减去ｅ系对ｉ系的地球自转角速度，得所需的ｂ系

对ｅ系的旋转角速度；利用该角速度按四元数积分

法修正ｂ系至ｅ系坐标变换矩阵。２）加速度积分

环路：用上述所得坐标变换矩阵，将比力观测值转

换至ｅ系，并从中补偿掉重力加速度和科里奥里加

速度；对转换并补偿后所得比力值进行两次积分可

得位置增量，由此可提取出载体的姿态速度与位置

信息。如图２所示，具体解算步骤如下：１）姿态矩阵计算

图２捷联力学编排计算流程

Ｆｉｇ．２ＳＩＮＳｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎｎｏｗｃｈａｒｔ

的旋转角增量△础（硪△ｆ）。首先将角速度础转换至ｅ系破：

站＝磷一硅＝醚一砖蜕，△皑＝砖△户［△砖△砖△醴焉

采样时间△ｆ内转角△破的模：△ｐ＝抓压万彳话万Ｆ研，其中成＝［ｏｏｑ。】７为地球自转角速度向量，戤＝（乓）一１对四元数Ｑ＝【ｑ。ｇ?ｑｚｑ，】有：垂：昙Ｄ．Ｑ，Ｑ为角速度哦的反对称矩阵，小采样间隔△ｆ内哦看作常值，令

Ｑ（ｆ＋∽：∞。等“竺学趴鳓）

即在初始时刻四元数Ｑ（ｆ）基础上，由采样时间内旋转角速度增量比可算得下一时刻四元数Ｑ（ｆ＋△ｆ）。

四元数Ｑ和坐标变换矩阵域有：霹＝ｊ２（吼９２＋ｇ。吼）靠一衍＋ｇ；一蠢２（９２叮３一吼ｇ。）ｌ，故由更新后的四元数值可解得

ｌ２（ｑ１９３一％叮２）２（９０吼＋吼吼）爵一ｇ？一矗＋毋Ｊ

相应Ⅸ阵，此两值都存储下来作为再次循环初值使用。故四元数更新算法是根据初始时刻坐标转换矩阵霹及四元数Ｑ（ｆ），递推更新计算下一时刻坐标转换矩阵罐及四元数Ｑ（ｆ＋△ｆ）。至此，即完成角速度积分环路计算。

利用上述所得坐标变换矩阵霹，将原始比力观测值厂６转换至ｅ系，再从中补偿掉重力加速度和科里奥里加速度即得速度增量。实际中因载体的运动域阵是随时间变化的，在小采样间隔【ｆ，，＋△ｆ】内可取一阶近似，并设破在此间隔内

…胁黻…㈠料肼一驯撇∥糨囊蠢胙料

２７陈允芳等：车载捷联惯导系统定位测姿算法研究第１期旷（ｆ＋△ｆ）＝ｙ。（ｆ）＋△ｙ。，△，。＝【旷（ｆ）＋ｙ。（ｆ＋△ｆ）】?△ｆ／２，，ｃ（ｆ＋△ｒ）＝，。（ｆ）＋△，。

式中，旷（ｆ）＝孵嘭曙ｒ、，ｃ（ｆ）＝Ｌｒｒ２ｃｒ分别为载体在ｅ系下初始时刻ｔ的速度和位置，根据速度和位移增量，可计算ｆ＋△，时刻相应速度和位置坐标。若需载体的地理坐标（兄，伊，＾），可由地球椭球参数及相应公式算得，此处不再详述。此即加速度积分环路。

３）姿态角提取

本研究中因是车载多传感器移动数据采集系统，需提取姿态角以为激光扫描及摄影测量提供三个姿态外方位元素。姿态矩阵计算是姿态角提取的前提，由解算所得ｅ系与ｎ系的坐标变换矩阵，即可得ｂ系与ｎ系的姿态矩阵，从而可得

『一ｓｉｎｚｃｏｓｚｏ］

三个姿态角通常的提取公式，分别如下所示：霹＝霹式＝Ｉ—ｓｉｎ妒ｃｏｓＡ—ｓｉｎ伊ｓｉｎ旯ｃｏｓ妒ｌⅨ，ｙ＝戤ｔｍ［—堞（１，２），霹（２’２）］，

ｌｃｏｓ卿ｓ兄ｃｏｓ州ｎ五ｓｉｎ妒ｊ‘。ｐ＝ａｒｃｓｉｎｆ碍（３，２）ｆ，，＝ａｒｃｔ觚Ｌ－臂（３，１）／群（３，３）ｌ。

陆地车载情况下三个姿态角取值范围分别为，航向角ｙ：０～３６０。、俯仰角Ｐ：一９０～９０。、横滚角，－：一１８０～１８０。。实际地面应用中横滚角，．一般较小，仅空中导航会出现横滚角，＿为９０。的情况，但航向角ｙ随时都会出现９０。的情况。根据上式，ｙ趋于９０。时会出现砧（３，３）趋于。的情况，此时计算会出现“奇点”，计算精度易受影响且计算不安全，故必须采用合理的姿态角提取方法以保证数值精度和防止数值溢出，提取方法为：

蛙＝ａｒｃｔ觚［一嚼（１，２）／骘（２，２）］，ｙ＝脚，２Ⅲ时’｛基澡之虢霹ｃ２国一ｏ，｛絮ｉ袈％，嚣翟霹（２，２）＜０，ｙ＝１８０＋如

故由ＩＭｕ初始对准获得载体初始速度、位置、坐标转换矩阵及姿态矩阵四元数后，以加速度计和陀螺仪输出的原始观测值作为量测更新，通过以上ｅ系力学解算过程可解算出后续相应时刻载体速度、位置和姿态等导航参数。可编程实现以上数字迭代计算过程。

３结束语

１）实践证明，四元数法力学编排解算漂移误差小，计算量小，数值计算稳定，运算时间短，用它求解姿态矩阵能避免欧拉角法的退化现象【６】。

２）因解算中采用了近似积分、离散化或量化等处理，不可避免会产生以下误差：

积分误差：即截断误差，由微分方程数值近似积分引起，采用有限级数时，把高阶项截去，其截去部分即截断误差，低阶算法截断误差大，高阶算法截断误差小。角速度是被测量速率的矢量，只在采样时间间隔内恒定，实际中积分值是用截断的级数来估算的，且解析解输入速率在积分间隔内近似为常数。

不可交换误差：非定轴转动时角加速度方向在空间变化而非矢量，仍对它按矢量积分计算，即将刚体的有限转动看成矢量按矢量合成和分解来处理转动从而产生了此误差，因两次以上不同轴的转动不能相加，只有积分区间很小时，上式才近似成立。

３）实际解算中数据处理过程都是按固定顺序进行，每次更新姿态矩阵元素时，计算机依次接收陀螺仪输出的角增量来处理信息，以提取姿态角速度，此顺序与载体实际姿态角变化历程不相符。可采用将角速度矢量等效为旋转矢量，圆锥效应补偿算法，或加大角速度采样频率等方法来减弱此误差。

参考文献：

【ｌ】ＷｅｉＭ，Ｓｃｈ撕忆ＫＰ．Ａｓ唧ｄｏｗｎｉｎｃｆｔｉａｌａｌ９０ｒｉ吐埘ｕｓｉＩｌｇ锄ｃａｍｌ－矗ｘｃｄＣ疵ｃＳｉ锄丘锄ｅ川．Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，１９９０，３７（２）：１５３－１６７．【２】ＳｃｈｗａｒｚＫＰ，Ｅｌ－ＳｈｅｉｍｙＮ．Ｍｏｂｉｌｅｍ印ｐｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓ—ｓｔａｔｅｏｆｔｌｌｅａｒｔａｌｌｄｆＩｌｔｕｒｅｔｒｅｎｄｓ【ｚ】，仃ｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ心ｃｈｉＶｅｓｏｆＰｈｏｔｏｇｒ锄ｍｅ廿ｙ，ＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎｇ锄ｄＳｐａｔｉａｌＩｎｆｏｍａｔｉｏｎＳｃｉ∞ｃｅｓ，２００４，Ｖ０１．３５，ＰａｎＢ：１０．

【３】董绪荣．ＧＰｓ／ＩＮＳ组合导航定位及其应用【Ｍ】．长沙：国防科技大学出版社，１９９８

【４】孙丽，秦永元．捷联惯导系统姿态算法比较【Ｊ】．中国惯性技术学报，２００６，１４（３）．

ＳＵＮＬｉ，ＱＩＮＹ０ｎｇ－”锄．Ｃｏｍｐ州ｓｏｎｏｆａｔｔｉｔｕｄｅａｌｇｏｒｉｍｍｓｏｆＳＩＮＳ【Ｊ】．ＪｏｕｍａｌｏｆＣｈｉｎｅｓｅＩｎｅｒｔｉａｌＴｅｃｈｎｏｌｏ秭２００６，１４（３）．

车载捷联惯导系统定位测姿算法研究

作者：陈允芳， 叶泽田， 钟若飞， CHEN Yun-fan， YE Ze-tian， ZHONG Ruo-fei

作者单位：陈允芳,CHEN Yun-fan(山东科技大学,地球信息科学与工程学院,青岛,266510)， 叶泽田,YE Ze-tian(中国测绘科学研究院,北京,100039)， 钟若飞,ZHONG Ruo-fei(首都师范大学,北京

,100037)

刊名：

中国惯性技术学报

英文刊名：JOURNAL OF CHINESE INERTIAL TECHNOLOGY

年，卷(期)：2007，15(1)

被引用次数：0次

参考文献(4条)

1.Wei M.Schwarz K P A strapdown inertial algorithm using an earth-fixed Cartesian frame 1990(02)

2.Schwarz K P.El-Sheimy N Mobile mapping systems-state of the art and future trends 2004(10)

3.董绪荣.张守信.华仲春GPS/INS组合导航定位及其应用 1998

4.孙丽.秦永元捷联惯导系统姿态算法比较[期刊论文]-中国惯性技术学报 2006(03)

相似文献(10条)

1.学位论文李振惯性导航定位系统数据处理技术的研究2007

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本文首先介绍了惯性导航系统发展现状，详细阐明了惯性导航系统的两种划分-平台式惯导系统与捷联式惯导系统的基本工作原理，给出了捷联惯性导航系统的硬件实现。主要是建立了捷联惯性导航系统的实现方案并且详细的介绍了系统的硬件组成部分，包括计算机、陀螺仪、加速度计、A/D转换器的选择及陀螺仪和加速度计的设计；捷联惯导系统中加速度计和陀螺仪信号的预处理和数据采集的硬件电路。然后阐明了捷联惯导系统的软件构成，并据此研究了捷联惯导系统的数据处理技术和姿态矩阵解算算法。主要内容包括捷联惯导系统所用坐标系及其之间的关系；捷联惯导系统姿态矩阵的解算算法；详细分析了捷联惯导系统的数据处理技术，重点讨论了方向余弦法、四元数等两种经典的解算方法和计算周期的划分。

本文最后给出了软件的编写和实验结果。实验结果证明了本论文提供的捷联惯导系统的设计方法在实际管道检测中是可行的，是有一定的应用价值的。

2.期刊论文徐晓苏.孙学慧.扶文树.XU Xiao-su.SUN Xue-hui.FU Wen-shu弹载捷联惯导系统快速两位置自对准-

中国惯性技术学报2007,15(2)

通过分析发现,影响自对准快速性的只是航向失准角估计速度.文中提出了快速两位置对准,即第一位置对准30 s以后引入第二位置,从而提高了对准速度而又不影响对准的精度,并结合实际应用提出了通过改变俯仰角的快速两位置对准,具有较好的实践意义.文中综合利用了自对准中姿态矩阵求解的新方法和快速两位置对准的方法,这些将大大提高了对准的精度和快速性,最后通过仿真验证了所提方法的可行性.

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2005,21(3)

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该文主要对捷联惯导系统的算法进行了研究.在捷联惯性导航系统中,捷联惯导算法是整个系统的关键.而姿态矩阵的计算又是整个关键之关键.该文讨论了姿态矩阵的求解、实时计算等一系列问题.就实时性和计算精度对欧拉角法、四元数法和方向余弦法进行了理论上的分析,并进行了大量仿真.通过仿真,作者看到:四元数法在实时性和计算精度方面要比其它两种方法高得多.在此基础上,作者得出了船用捷联式惯导系统的姿态矩阵的首选算法为四元数法的结论.该文还建立了船用捷联式惯导系统的误差模型.为分析系统误差传播特性和实现对系统误差进行补偿提供了依据.通过理论分析和数学模拟

,验证了数学模型的正确性.

5.会议论文刘恒春捷联惯导系统姿态矩阵计算周期的优选方法

讨论捷联惯导系统姿态矩阵计算周期问题，分析计算周期与计算误差之间的关系及误差产生的原因，推导出估计误差及补偿误差的公式，提出姿态矩阵计算周期的优选方法。最后，给出数学模拟结果，说明误差补偿公式和周期优选方法是有效的。(本刊录)

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2.从捷联惯导系统初始对准的基本原理出发推导了捷联惯导系统初始对准的误差模型、给出了二位置初始对准方法。

3.利用小波变换所具有的时频局部化优点对光纤陀螺信号进行消噪处理，得到了满意的对准结果，为实际的测量提供了一种有效手段。

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提出适合于舰船系泊、锚泊状态下的捷联惯性导航系统惯性凝固粗对准方法.在惯性凝固坐标系和惯性坐标系上对重力向量分别进行积分,并利用重力向量随地球旋转在惯性卒间的方向变化信息,粗略计算初始捷联姿态矩阵.该方法通过积分抵消掉舰船线性位移引入的干扰加速度,同时,避免了舰船姿态摇摆引入的干扰角速度.仿真分析表明:在舰船系泊、锚泊状态下,惯性凝固粗对准方法比较传统算法优势明显.

9.学位论文杨阳捷联惯导系统动基座初始对准研究与仿真2002

该文《捷联惯导系统动基座初始对准研究与仿真》，较为系统和全面的研究了捷联工惯导系统动基座的初始对准，并对卡尔曼滤波在初始对准中的应用，系统可观测性和可观测度的分析方法和仿真进行了较深入的研究.论文的主要工作如下：1、捷联惯导系统的研究：首先概要介绍了惯导系统的相关知识，阐述了捷联惯导系统的优点;分析了初始对准姿态确定的几种坐标系，为建模定义了坐标系选择和姿态矩阵.2、该文对捷联式惯导系统动基座初始对准这种时变系统，研究和分析了PWCS（分段线性定常系统）方法来判断系统的可观测性，奇异值分解的分析方法判断系统各状态的可观测度，并通过大量的仿真实验，验证了这两种方法，得出了一些重要信息.3、该文采用卡尔曼滤波进行捷联惯导系统动基座的初始对准.首先介绍了卡尔曼滤波理论及相关技术，建立了系统卡尔曼滤波的状态方程和观测方程;首先采用速度误差作为观测值，详尽的研究了系统机动特性对可观测性和可观测度的影响

，并做了大量仿真实验.该文对捷联惯导系统动基座初始对准进行了研究，对卡尔曼滤波技术在动基座初始对准中的研究与应用具有一定的参考意义. 10.期刊论文吕伟.王艳东.王丽娜.LV-Wei.YAN Yang-Dong.WANG Li-na动机座弹用捷联惯导系统快速初始对准方

法的研究-弹箭与制导学报2005,25(4)

以地空导弹在战车上垂直发射为背景,得出针对在战车转塔变速转动、规定发射坐标系的情况下,文中所给出的直接计算法是一种较好的弹用捷联惯导系统快速初始对准方法.通过理论分析与仿真验证,证明该方法在发射基座变速转动情况下是一种既简单又有效的地空导弹捷联惯导系统的快速初始对准方法,可以满足实际系统对初始对准的快速性和精度的要求.

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下载时间：2011年3月17日