晃动基座对车载捷联惯导系统初始对准影响探讨

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1、车体震动对车载捷联惯导系统晃动基座初始对准的影响探讨一、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，

2、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，

3、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10—100°/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

4、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

5、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（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：

6、(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

7、。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°，