捷联惯性技术.doc

船用捷联惯性导航系统研究陈建国邵云生彭会斌（海军驻上海地区水声导航系统军事代表室 上海200136）［关键词］捷联惯性导航［摘要］本文概述了捷联惯性导航技术的数学模型、基本原理以及与传统平台式惯性导航系统相比 的优势，介绍了美国等发达国家船用捷联惯导系统的装备概况，展望了捷联惯性导航系统在我国 海军的应用前景Study of marine strapdown inertial navigation systemChen Jianguo Shao Yunsheng Peng HuibinKeywords:strapdown; inertial navigationAbstract:This article explains the mathematic model, basic principle and the advantage over platform system of the strapdown Inertial Navigation System. It introduces the appiications of this system in USA navy. Tt foresees the vast equipment of the strapdown inertial navigation system in our country in the near future.o引言惯性导航系统（Inertial Navigation System）,是利用惯性敏感元件、初始状态 和初始位置信息来确定运载体的位置、姿态和速度的自主式航位推算系统。

惯性导航 系统既不向载体外发射信号，也不从外部接收信号，具有完全自主、全天候、抗干扰 能力强的特点；它的这些特性使其广泛应用于航天、航空、航海等军事领域捷联惯 性导航系统也就是将惯性敏感元件（陀螺和加速度计）直接“捆绑”在载体上，从而 完成导航任务的系统捷联惯性导航系统是捷联系统得一种与传统的平台系统相比, 捷联系统有如下特点：1） 捷联系统敏感元件便于安装、维修和更换；2） 捷联系统可以直接给出舰船坐标系的所有导航参数，提供给导航、稳定控制 系统和武器控制系统；3） 捷联系统敏感元件易于重复布置，在惯性敏感元件级上易于实现冗余技术， 这对提高性能和可靠性十分有利；4）捷联系统无常平架平台，消除了平台稳定过程的各种谋差，同时减小系统体积1基本原理、模型及硬件组成惯性导航系统基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考 系的加速度，将它对吋间进行积分，然后将其变换到导航坐标系，得到在导航坐标系 中的速度、姿态角和位置信息等对捷联惯导系统而言，平台的作用和概念体现在计 算机中，它是写在计算机中的方向余弦矩阵直接安装在载体上的惯性元件测得相对 惯性空间的加速度和角加速度是沿载体轴的分量，将这些分量经过一个坐标转换方向 余弦阵，可以转换到要求的坐标系分量。

如果这个矩阵可以描述载体和地理坐标系之 间的关系，那么载体坐标系测得的相对惯性空间的加速度和角速度，经过转换后便可 得到沿地理坐标系的加速度和角速度分量；有了这些后，导航计算机便可根据相应的 力学方程解出要求的导航参数首先我们來定义坐标系：1） 惯性坐标系（i系），坐标系原点位于地球中心，坐标轴相对于恒星不转动；2） 地球坐标系（e系），原点位于地球中心，坐标轴与地球固联；3） 导航坐标系（门系），为当地地理坐标系，一般为“东北天”；4） 载体坐标系（b系），其坐标系沿载体横滚轴、俯仰轴和偏航轴在捷联惯性导航系统中，b坐标系与n坐标系的夹角就是我们所要的载体姿态角 参数，也就要求计算出b系到门系的转移矩阵，主要依靠陀螺仪敏感的角速率参数和 当地地球自转信息综合后，由高速计算机处理完成加速度计敏感的加速度信息经过 转移矩阵转换成沿门系的加速度信息，经过剔除重力加速度和哥氏加速度（由于载体 在旋转的地球表面运动而形成的干扰加速度）后，经两次积分运算，可得到载体的速 度和位置的估计值捷联惯性导航系统原理框图如图1其中：CO ::陀螺仪敏感相对i系角速度在b坐标系上的投影；： b坐标系到n坐标系转移矩阵；r bJ :加速度计敏感加速度在b坐标系的投影；n娥 :地球系相对i系的角速度在门坐标系上的投影；n0”・导航系相对门系的角速度在门坐标系上的投影;ngz: 当地重力加速度矢量；乂、Vh： 载体东向北向速度；仇、fp: 载体东向北向加速度；L: 当地纬度；Ro： 地球半径。

bCD ihn nCt^ie + Cf^en图1捷联惯导系统原理框图在舰船惯导系统中，经典的计算公式如下：方向余弦更新方程：C；二C；；加速度方程： 0二C：厂一（2心+0；）x’〃+g：其中:吩二MVeO]广二出fE 0]n 血二[QcosL 0 -Q sinL][Ve/Ro - Vx/Ro - VEtanL/ Rj姿态角信息包含在矩阵G；中；解加速度方程得到速度（增量），从而也可得到位置（增量)捷联姿态算法是整个捷联算法的一个重要组成部分，它是其他误差算法及处理技 术的基础它既涉及到载体姿态的实时解算，又关系到“数学平台”一一姿态矩阵的 实时修正，所以，捷联姿态算法性能的优劣将直接影响捷联系统的导航精度在捷联 系统中，为了从由陀螺和加速度计敏感到的导航测量中提取出姿态、速度和位置信息, 必须解算解析方程在计算机中实时解算这些方程的主要计算任务有：姿态确定，加 速度分解和导航方程的求解从计算机负载來说，最艰苦的处理任务是姿态计算和 加速度矢量分解导航处理任务的计算量相对较小早期的计算机处理速度和容量制 约了快速和精确姿态算法的实现，特别是在高频运动条件下，这些困难促使人们把捷 联计算过程划分成低速和高速算法两部分。

低速计算应用在低速、大幅度载体运动； 高速计算用来跟踪载体高频、低幅度运动当前，对于姿态计算和加速度分解的各种 算法常釆用这种方案随着现代计算机技术的发展，高速高精度的状态积分算法和 各种速度补偿算法的研究和应用得到了快速发展；捷联姿态算法常用的方法有欧拉角 法、四元数法、方向余弦法和等效转动矢量法等在硬件方面，现代捷联系统一-般采用模块化设计，根据不同的用途和功用又可分 为惯性测量单元(IMU)、航向和姿态基准系统(AHRS)、惯性导航系统(TNS),它们 的关系如图2所示(虚框部分即为捷联惯性导航系统的组成)惯性导航系统(INS)图2捷联惯导系统组成图图中，惯性仪表单元主要由相互正交配置的陀螺仪和加速度计组成，陀螺仪主要以激光陀螺和光纤陀螺等固态陀螺为主；在可靠性要求较高的场合，可增加额外的附加敏 感器，增加冗余信息，一-方面经过数据处理，可提高测量精度，另一方面起到热备份 作用；仪表支持线路主要为敏感元件提供屯源，为敏感元件的输出信号进行必要处理 并负责输出，在温度变化时，为保证较高测量精度，仪表支持线路还需对敏感器、腔 体提供适当的温度控制和补偿™U可单独用来作为载体角速度和加速度的测量设备。

TMU输出载体相互正交的角速率测量信息，经姿态计算机的处理，AIIRS可提供载体的 航向和姿态信息的估计值，实现舰艇平台罗经的功能姿态计算机还输出加速度在地 理坐标系的分解信息，经过导航计算机的处理后，提供载体位置和速度信息，这样就 完全实现了惯性导航系统（INS）的功能了2初始对准及系统误差由于捷联惯性导航系统的敏感器是固联在载体上的，因此，寻找导航系统敏感轴 与各个坐标系（如地理坐标系）之间的关系就显得非常重要，也就是要计算出载体的 初始姿态、初始速度和位置，这些都是通过捷联惯导系统的初始对准來完成捷联惯 导系统的初始对准有两种方式：一种是自对准，一种是传递对准自对准依靠传感器, 敏感地球自转和重力信息，计算出初始转移矩阵，也就有了初始姿态；当然，在载体 动态情况下，初始自对准要复余的多传递对准是一•种依靠外部导航信息，辅助捷联 惯性导航系统完成初始对准的一种方法捷联惯性导航系统的误差源主要有：初始对准误差；惯性敏感器误差；计算误差 由于惯性导航系统一定意义上属航位推算系统，测量中的任何一项误差均会传递给下 一个估计值，因而系统的误差是随时间积累的为减小系统误差，采用相对完善、合 适的初始对准模型、采用精度较高的惯性敏感器、减小THU的安装误差、以及采用性 能更为先进的计算机和合适的算法，都是十分必要的。

另外，针对惯性导航系统误差 积累的弱点，引进外部导航信息（如GPS位置信息，多普勒速度信息等）定期对惯导 系统进行校准，使其误差在一段时间内收敛一次，将是提高捷联惯性导航系统使用性 能的一个不错的选择3应用及发展趋势进入20世纪80至90年代，随着计算机技术的飞速发展以及大动态范围固态陀螺仪的口益成熟，不同型号、不同精度的捷联系统开始在航天、航空、航海等领域得到应 用，尤其是激光陀螺捷联惯导系统激光陀螺具有角速率动态范围宽、对加速度和震 动不敏感、启动时间短等优点，广泛应用于军用和民用载体美国海军于1978年将应 用捷联技术的MK 16 Mod TT型陀螺稳定器装备于导弹驱逐舰上；MK49型系列捷联惯性 导航系统自上世纪90年代以来开始装备美国和北约各式潜艇和水面舰艇环形激光陀 螺捷联惯性导航系统AN/WSN-7型则于2000年开始大规模生产并装备美国海军舰艇，代 表了惯性技术发展的最新水平0前AN/WSN-7B系统使用Honeywel 1公司的基于GG1320 陀螺的惯性敏感组件，采用单轴旋转方案，重调周期为24小时，在没有GPS辅助信息 的情况下具备长达14天的导航能力由于捷联惯导的诸多优势，世界各国，特别是 西方发达国家投入大量经费进行研究，该系统也逐步朝着高精度、高可靠性的方向发 展。

随着高精度惯性器件产业化，该系统采购和使用成本也将得到不断降低4结语我国的船用捷联惯性技术较航空、航天等其他行业起步晚，与美国、法国、俄罗 斯等国家相比，有较大差距，西方对我国在该领域的控制也极为严厉基于捷联惯性 导航系统的诸多优势，我国对船用高精度捷联惯性导航系统的需求十分强烈；因此， 自主研发是我国发展船用捷联惯性导航系统的唯一出路，相信不久的将來，随着我国 更高精度固态陀螺的研制成功以及船用捷联技术的口益成熟，满足我国各类舰艇要求 的捷联式惯性导航系统必将研制成功，并得到大规模装备和应用［参考文献］［1］ 张树侠，孙静.捷联式惯性导航系统［M］•国防工业出版社，1988.［2］ 李滋刚等.捷联式惯性技术及系统［M］.东南大学先进技术与装备研究院，2007.。