逆向导航算法及其在捷联罗经动基座初始对准中的应用

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1、http://www.paper.edu.cn逆向导航算法及其在捷联罗经动基座初始对准1中的应用11,21,2严恭敏，严卫生，徐德民1西北工业大学航海学院，西安（710072）2水下信息处理与控制国家级重点实验室，西安（710072）E-mail：yangongmin@163.com摘要：根据捷联惯导系统的导航更新算法，推导了逆向导航算法。提出了捷联罗经动基座初始对准方案，它包括三个阶段：方位角未知情况下水平对准、粗略方位自对准和罗经方位对准。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

2、位置导航结合起来，先进行捷联罗经动基座初始对准和传感器采样数据存储，再利用逆向航位推算算法和正向航位推算算法，同时实现初始对准和位置导航。最后利用车载试验验证了所提方法的有效性，在运动条件下经过10分钟，方位对准达到0.112º(1σ)、位置导航精度约0.1%×行驶路程。关键词：捷联惯导系统，逆向导航，动基座初始对准，罗经，航位推算中图分类号：V249.31.引言可以将捷联惯导系统中陀螺和加速度计的采样数据当作一组时间序列看待，通常意义下的导航解算是对该序列按时间先后顺序进行实时处理，而不必进行数据存储，就能获得实时导航结果。如果

3、导航计算机存储容量足够大并且计算能力足够强的话，把采样数据存储下来，既然可以按时间顺序正向处理，很容易联想到，也可以对它作逆向分析和处理。在有些情况下无实时性要求时，对存储的采样数据作正向和逆向的反复分析，有可能提高分析精度，或者能够减小实际用于分析的数据长度。初始对准是惯导系统进入导航的前提，它的两个重要指标是精确性和快速性，但是在自对准中这两者之间是相互矛盾的。鉴于常规数据处理算法的局限性，一般将对准过程分为多个不同的阶段，例如，应用经典控制理论的罗经对准方法中的水平调平阶段和罗经方位对准阶段，应用现代控制最优估计的捷联惯导粗

4、对准阶段和卡尔曼滤波精对准阶段，并且后一阶[1,2]段（高级阶段）以前一阶段（低级阶段）的分析结果为基础。对准阶段多必然导致初始对准时间变长，可是，对准精度往往只与高级阶段的数据处理精度有关，因此可以借助于数据存储的办法，在初始对准的不同阶段均利用相同的数据，有利于缩短初始对准时间。本文提出的逆向导航算法是实现前一阶段解算结果与后一阶段初值设置之间衔接的重要算法。动基座初始对准在军事中具有重要的应用价值，有利于增强武器系统的机动性能，提高生存能力。动基座初始对准包括两类：主子惯导间的传递对准和使用其它辅助信息的惯导自对准，文中主要

5、研究后者。考虑到战时GPS的不可完全依赖性，许多研究者提出了路标点[3-5]和里程计辅助等动基座初始对准方法。但是路标点辅助对准对路标依赖性强，在一定程度上降低了导航系统的机动性；里程计辅助对准存在这种问题：姿态矩阵对准实现了而位置却“丢失”了，文献[4,5]也没有提出对准过程中导航位置问题的解决办法。就作者所知，在目前公开文献报道中还未见一种既能实现动基座初始对准又能同时求得对准后精确云载体位置的算法，本文将动基座初始对准与位置导航划分为两个不同算法阶段，借助于逆向导航算法将它们结合起来，从而达到初始对准和位置导航的目的。1本课

6、题得到水下信息处理与控制国家级重点实验室基金（9140C230206070C2306）资助。-1-http://www.paper.edu.cn2.逆向导航算法文中选取“东-北-天(E-N-U)”地理坐标系为导航坐标系，记为n系，“右-前-上”坐标系为捷联惯导坐标系（或载体坐标系），记为b系。2.1逆向捷联惯导算法捷联惯导系统姿态、速度和位置导航算法可用如下一组微分方程表示nnbC&=CΩ(1a)bbnbnnbnnnnv&=Cf−(2ω+ω)×v+g(1b)bsfieennnnL&=v/(R+h)，λ&=vsecL/(R+h)，h

7、&=v(1c)NMENUbbbbnTnnnT其中Ω=(ω×)，ω=ω−(C)(ω+ω)，g=[00−g]，nbnbnbibbieennTω=[0ωcosLωsinL]，ieieien[]nnnTω=−v/(R+h)v/(R+h)vtanL/(R+h)；enNMENENnnnnnTbC、v=[]vvv、L、λ和h分别表示姿态矩阵、速度、纬度、经度和高度；ωbENUibb和f分别表示陀螺角速率测量和加速度计比力测量；ω和g分别表示地球自转角速率和sfie重力加速度大小；R和R分别表示子午圈和卯酉圈半径；(•×)表示由向量•构成的反对M

8、N程矩阵。假设捷联惯导系统陀螺和加速度计采样周期均为T，将微分方程（1）离散为适用s于计算机解算的递推算法（正向算法），得nnbC=C(TΩ)(2a)bkbk−1snbknnnbnnnnv=v+T[Cf−(2ω+ω)×v+g](2b)kk−1sbk