惯性导航导资料

内 容

1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、

简介 目标 系统描述

全面的系统综合程序 导航方程机动化 卡尔曼滤波 任务目标 系统设计与仿真 仪器校准

10、 后期任务评估 11、 将来趋势 12、 设备需求 13、 个人需求 14、 时间表

1、简介

惯性导航系统（INS）始于第二次世界大战。它最初是由Dr. Robert Goddard 为ICBM 设计而成。INS主要用于测量位置、速度和姿态，测量车辆的加速度和角速度。如果知道了位置、速度和姿态参数，车辆就能被引导。在过去的60年里，INS技术发展非常迅速。在系统方面：为了最小化运动机械部件，它由万向架系统发展到捷联系统。在仪器方面：由机械陀螺发展到激光陀螺，再发展为光纤陀螺。系统和仪器发展的目的可以归结为下面几个方面：价格、体积、重量、精度和可靠性。

· 为了最优化应用，系统需要特殊设计

· 为了将资源减到最小，需要建立设计程序和数据库

2、目标

? 完整的INS/GPS系统

·光纤陀螺 ·加速计

·GPS（C/A码） ·高度计 ·雷达

? 为航空测量和SAR应用进行特殊的用户化结构设计

? 系统设计和结构紧密相关，例如：常规的飞机导航结构不能用于陆地测量；

因此，理解和用户化系统设计和结构将使应用性能最优化，而且实现最理想的目标。

? 建立标准的设计程序

·系统的设计程序可以最优化资源

·使工程师和学生的培训和学习资源最优化 ·使指导者需要花费的精力减到最小 ? 建立设计数据库

·积累设计经验 ·文件标准化

·设计组成数据库模块化 ·防止重复工作

·缩短系统执行时间和能量需求

·为以后的项目简化系统组成/选择过程

3、系统描述

4、全面的系统综合程序

·任务定义

·惯性测量装置（IMU）定义/选择 ·外部探测器定义/选择 ·导航方程机械化 ·增量系统设计

·电子硬件/软件设计 ·系统综合

·工厂/静态测试

·公路测试 ·飞行测试

·修正优化、精细化设计

任务定义

·任务目的和目标 ·系统特点 ·任务环节 ·系统定义

·硬件定义/选择 IMU 定义/选择

·IMU选择

·IMU差错分析及细分 ·IMU差错建模 外部传感器

·外传感器选择

·外传感器差错分析

·外传感器系统及差错建模 增量系统设计

·卡尔曼滤波器设计 ? 状态选择 ? 动态方程 ? 测量方程

? 系统及外传感器噪声分布 ? 滤波调整 ? 微调

·外传感器综合 ·导航机械化综合

电子硬件/软件设计及实现

·功率、CPU等 ·接口

·实时软件 ·工作循环

导航方程机械化

·捷联机械化

·方向和北向机械化 ·WGS 84 数据选择 ·其他参数选择

地球参数、地球引力模型、海拔模型 ·导航方程实现

仿真及脱机系统实现、实时实现

系统综合

·综合IMU，外传感器，机械化方程，卡尔曼滤波，电子硬件

工厂/静态测试

·系统单元部件检查 ·粗队列算法检查 ·精细队列算法检查 ·系统性能预测

公路测试

·地面车辆测试

·系统单元部件检查 ·低等级动态激励

飞行测试

·最后检查 ·检查环节

·实测飞行环节定义

修改和精化系统设计

·如果需要，根据测试结果修改系统 ·测试结果分析 ·问题解答

5、导航方程机理

INS 机理的目的是为了利用加速计和陀螺测量的加速度和角速率信息计算新的位置、速度、和姿态。主要任务可以总结如下：

·Coordinate frame propagation via quaternion ·速度传播/更新 ·陀螺转矩

·位置传播/更新 ·Craft rate 计算

·垂直通道计算/衰减

·计算/导航参数更新。例如：经度、纬度、高度，回转角和姿态。

卡尔曼估计被用于计算上面的参数，以获得理想的解。下面将讨论以上谈到的任务。

坐标系

在主框架（捷联系统）和本地级框架（万向节系统）中都要测量加速度和角速率。为了得到相对于地球自转的INS参数，必须计算和传播以下坐标系。

·惯性系

·Earch-fixed系 ·主系（航空系）

·地理系（本地级/北向）

·导航系（本地级/北向）

坐标系之间的关系对于正确利用INS数据，完整地计算INS参数是非常重要的。

速度矢量传播/更新

加速度在惯性空间由加速度计测量。但是，我们并不是处于理想的惯性空间，所以在传播速度向量的时候，必须考虑以下问题：

·大规模的地心引力向量 ·地球自转

·Craft rate飞行器速率

陀螺转矩

在INS系统中，陀螺在平台旋转过程中维持平台locally level和期望方位中起非常重要的作用。空间率?，是earth rate

?与craft rate

p之和：??p??，代表了

平台惯性空间的角速率。

位置传播/更新

从地球到平台坐标的坐标转移矩阵C（PE）由三个参数定义：经度、纬度和回转角。因此要得到位置信息就是去解相应的转移矩阵。

Craft rate 计算

如前所述，craft rate在INS机械化中起了很大作用。它可以从速度分量、地球半径分量和海拔高度中得到。在高精度的INS机械化中，要仔细的导出地球半径分量的近似值。

垂直通道计算/控制

众所周知，INS系统的垂直通道是不稳定的。很多方法可以克服不稳定问题。广泛应用的典型方法是：利用重力-惯性环。它可以控制垂直通道方程。反馈控制常数由系统的控制率和时间常数决定。这些参数需要仔细确定。

导航参数计算/更新

前面已经说明过，导航参数包括：经度、纬度和速度等。卡尔曼滤波器用来估计/矫正由于综合漂移，设备，外传感器及INS机械化近似产生的误差。下一节将讨论卡尔曼滤波技术。

6、卡尔曼滤波

卡尔曼滤波表达如下：

X?FX?GW 系统模型 Z?HX?V 测试模型

由初始条件和其他假设，可以计算以下参数：状态X，卡尔曼增益矩阵K，差错方差矩阵P。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jml3.html