纬度未知条件下捷联惯导系统晃动基座的初始对准

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaDec。252012V01．33No．122322．2329ISSN1000—6893ON11-1929／Vhttp：i'／hkxb．buaa．edu．C13hkxb@buaa．eduCn文章编号：1000—6893(2012)12—2322—08纬度未知条件下捷联惯导系统晃动基座的初始对准王跃钢1’*，杨家胜1’2，杨波11．第二炮兵工程大学自动控制系，陕西西安7100252．中国人民解放军96363部队，甘肃天水741000摘要：针对纬度未知条件下捷联惯导系统(SINS)晃动基座的初始对准

2、问题，提出晃动基座下的纬度估计算法和初始对准方法。前者通过惯性坐标系下两个不同时刻的重力加速度向量的夹角来求取纬度；后者利用惯性坐标系下的姿态更新来实时地反映载体在晃动干扰下的姿态变化，结合初始姿态的最优估计实现初始对准。理论分析表明，本文提出的纬度估计算法的误差主要由加速度计误差决定，陀螺误差和晃动干扰对其影响很小。仿真结果表明，本文提出的纬度估计算法和初始对准方法适用于纬度未知条件下晃动基座的初始对准。关键词：导航系统；捷联惯导系统；晃动基座；初始对准；纬度；惯性坐标系中图分类号：V249．3文献标识码：A捷联惯导系统(SINS)在进入导航之前，必须进行初始对准。所

3、谓的初始对准，就是确定载体坐标系与导航坐标系之间的姿态关系[i-3]。常用的初始对准方法是利用地球自转角速度和重力加速度作为自然参考量，通过惯性器件的测量值来确定初始姿态。通常来讲，在初始对准过程中要求输入具有一定精确度的当地地理纬度。然而在某些地区，想要获取准确的地理信息并不是一件容易的事，例如隧道深处、深山密林里或深海底下；在某些应用场合，例如通信卫星跟踪或武器平台的稳定，有较高的定向要求，而没必要提供精确的定位要求；在某些需要做出快速应急反应的场合，例如受到敌方攻击，由于时间紧迫，定位系统来不及工作，但又需要立刻进行定向。在上述纬度未知的条件下，能否实现初始对准呢

4、?文献[4]研究了静基座条件下地理纬度未知时捷联惯导系统的初始对准问题，它直接利用陀螺和加速度计的输出来估计地球自转角速度和重力加速度之间的夹角，从而达到纬度估计的目的。该方法在静基座下能够实现纬度估计，但是，当捷联惯导系统处于晃动基座下时，陀螺的输出值将受到较大的干扰，从而使纬度的估计误差很大。此外，由于基座的晃动，捷联惯导系统在对准过程中的姿态时刻都在发生变化，这会影响到初始对准的时间和精度。针对这个问题，文献[5]提出了摇摆状态下的罗经对准，其方位对准精度达到0．08。的最长对准时问可达600s；文献[67提出了动基座下的罗经法，其在“匀速+晃动”条件下，方位对准

5、精度达到lo’需要14．4min；文献[7]提出了基于逆向算法的罗经对准法，其在静基座下的对准速度很快，但文中并没有给出其在晃动基座下的对准分析。基于滤波的方法[8’121在对准速收稿日期：2011-12—31；退修日期：2012．04—11i录用日期：2012—05-22；网络出版时间：20f2．07一f117：05网络出版地址：VCNW．cnki．net／kcms／detail／111929．V20120711．1705．008．htmI基金项目：国防预研基金*通讯作者．Tel：029—84741645E-mail：wangyueg@163com嘲角耱武；WangY

6、G，YangJS，YangB．SINSinitialalignmentofswayingbaseundergeographiclatitudeuncertainty．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2012，33(12)：2322-2329．王跃钢，扬家胜·杨波．纬度未知条件下捷联惯导系统晃动基座的初始对准．航空学报，2012，33(12)：2322-2329．王跃钢等：纬度未知条件下捷联惯导系统晃动基座的初始对准度上相对于罗经法有所提高，但它们会受到系统模型和滤波方法的限制，如文献[8]和文献[9]的模型是线性模型，只适用于初始

7、误差角较小的情况，文献Elo]的模型在大失准方位角下成立，但在水平失准角和方位失准角均很大时不成立；文献[11]推导了加性四元数误差模型、旋转矢量误差模型和乘性四元数误差模型；文献E12]提出了基于欧拉角表示的高保真误差模型，这些模型在大的初始失准角下仍然适用，但其在非线性滤波过程中，面临着初始状态、初始估计均方差阵、系统噪声方差阵以及量测噪声方差阵等滤波参数选择的问题。针对上述两个问题，受文献[13]～文献[15]的启发，本文利用惯性坐标系下的重力加速度以及姿态更新来实现纬度估计和初始对准。这样做的好处是：①纬度估计和初始对准主要受到惯