哈尔滨工程大学硕士学位论文捷联惯导系统导航算法研究
姓名：王晓迪申请学位级别：硕士专业：精密仪器及机械指导教师：孙枫20070301
哈尔滨工程大学硕士学位论文摘要在捷联惯导系统中，陀螺与加速度计的测量轴沿载体轴安装。由于载体的机动过程中载体轴在空间位置的变化，引起测量轴的角振动和线振动。导航参数的更新时存在着不可交换性误差。对于姿态算法称为圆锥误差；对于速度算法称为划船误差；对于位置算法称为涡卷误差。本文首先介绍了捷联惯导系统的常用的坐标系与基本工作原理。并通过设计各种捷联补偿算法，有效地减小了不可交换性误差。捷联姿态算法研究。分析了圆锥误差，研究基于四元数和基于旋转矢量的姿态更新算法，推导了优化的圆锥补偿算法与圆锥项递推补偿算法，并提出一种适合于工程的双子样二次迭代算法。通过仿真分析了各种算法的性能优劣。捷联速度算法研究。在典型划船环境下，对各子样划船算法进行优化，使它们的误差漂移率达到最小。并推导了迭代划船补偿算法与递推划船补偿算法，仿真比较了各种算法的计算精度。位置更新算法。分析了位置更新计算中涡卷误差的产生机理。研究了划船运动条件下的涡卷补偿优化算法。关键词：捷联惯导系统；姿态更新；速度更新；圆锥误差；划船误差哈尔滨工程大学硕士学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴｏｆｇｙｒｏｓａｎｄａｃａｍｌｅｒｏｍｅｔｅｒｓＴｈｅｍｅａ￥ｕｌ！ｅａｘｅｓａｒｅｍｏｕｎｔｅｄｔｏｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｄｉｒｅｃｔｌｙｉｎｓｔｒａｐｄｏｗｎｉｎｅｒｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ（ＳＩＮＳ）．Ｂｅｃａｕｓｅｏｆａｘｅｓｖｅｈｉｃｌｅ’Ｓｄｙｎａｍｉｃｓ，ａｎｇｕｌａｒａｎｄｌｉｎｅａｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｍｅｄｉｅｗ砌ｄｂｅａｒｉｓｅｄ．Ｔｈａｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ｒｅｓｕｌｔｉｎｔｈｅｎｏｎｃｏｍｍｕｔａｔｉｖｉｔｙｄｕｒｉｎｇｔｈｅｃｏｍｐｕｌａｔｉｏｎｏｆｎａｖｉｇａｔｉｏｎＴｈｅｎｏｎｃｏｍｍｕｍｔｉｖｉｔｉｅｓａｒｃｃａｌｌｅｄｂｙｃｏｎｉｎｇｅｌＴｏｒｉｎａｔｔｉｔｕｄｅａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｓｃｕＩｌｉｎｇｉｎｖｅｌｏｃｉｔｙａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄｓｃｒｏｌｌｉｎｇｉｎｐｏｓｉｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｕｓｕａｌｆｒａｎｌ０８ａｎｄｔｈｅｂａｓｉｃｔｈｅｏｒｙｆｏｒＳＩＮＳ．Ｓｅｖｅｒａｌｔｏｒｅｄｕｃｅｓｔｒａｐｄｏｗｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｗｅｌ＇ｅｄｅｓｉｇｎｅｄＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅｎｏｎｃｏｍｍｕｔａｔｉｖｉｔｙｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．ａｔｔｉｔｕｄｅ－ｕｐｄａｔｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｃｏｎｉｎｇｏｎｅｒｌ＇Ｏｌ＇ＳⅥ伽ａｎａｌｙｚｅｄｖｅｃｔｏｒｗｆｆｒｅｈｅｒｅ．Ａｔｔｉｔｕｄｅ．ｕｐｄａｔｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｂａｓｅｄｑｕａｔｃｍｉｏｎａｎｄｒｏｔａｔｉｏｎｓｔｕｄｉｅｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ａｆｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｓａｍｐｌｅ?ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｓａｎｄｄｅｄｕｃｉｎｇ∞ｃｕｒｒｅｎｔａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ａｔｗｏ－ａｍｐｌｅｉｔｅｒａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｗａｓｄｅｒｉｖｅｄ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｕｓｅｄＳｔｕｄｙｔｏａｎａｌｙｚｅｏｎｔｈｅｐｃｄ疏ｍ撇ｏｆｅａｃｈａｌｇｏｒｉｔｈｍ．ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｍａｋｉｎｇｖｅｌｏｃｉｔｙ－ｕｐｄａｔｉｎｇｖａｒｉｏｕｓｋｉｎｄｓｏｆａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｐｔｉｍｉｚｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｃｌａｓｓｉｃａｌｓｃｕｌｌｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈａｔｍｉｎｉｍｉｚｅｓｔｈｅｅｘｃｕｒｓｉｏｎｒａｔｅ．Ｔｈｅｉｔｅｒａｔｉｏｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄｒｅｅｒｒｅｎｔｗｅｒｅｄｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｔｈｒｏｕｇｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ．ＳｔｕｄｙｏｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌａｃｃｕｒａｃｙｆｏｒｅｖｅｒｙａｌｇｏｒｉｔｈｍｗａｓｅｖａｌｕａｔｅｄＰｏｓｉｔｉｏｎ－ｕｐｄａｔｉｎｇａｌｇｏｆｉｔｈｎＬＴｈｅｓｃｒｏｌｌｉｎｇｅｒｒｏｒｉｎｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｕｐｄａｔｉｎｇｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄａｎｄｔｈｅｓｃｒｏｌｌｉｎｇｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｓａ∞ｏｖｔｉｎｌｉｚｅｄｕａｄｅｒｔｈｅｃｌａｓｓｉｃａｌｓｃｕｌｌｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳｔｒａｐｄｏｗｎＩＮＳ；Ａｔｔｉｔｕｄｅｕｐｄａｔｅ；ＶｅｌｏｃｉｔｙＵｐｄａｔｅ；ＣｏｎｉｎｇＥｒｒｏｒ；ＳｃｕｌｌｉｎｇＥｒｒｏｒ哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：乏盛堕日期：７年易月ｚ日啥尔滨工程大学硕士学位论文第１章绪论１．１惯性导航简介导航（Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ）就是正确的引导载体沿着预定的航线在规定的时间内到达目的地。这就需要随时知道载体的瞬时位置、速度、姿态、航向等参数。在众多的导航系统中，惯性导航系统是一种真正意义上的自主式的导航系，但实现导航定位的原理非常简单，它是利用惯性敏感器、基准方向机最初的位置信息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式航位推算导航系统。惯性导航是自主式导航系统，它完全是依靠载体自身设备独立自主地迸行导航它与外界不发生任何联系，所以他隐蔽性好，工作不受气象条件和人为的外界干扰等一系列的优点。由于它的完全自主性，惯性导航已广泛应用于航天、航空、航海等许多民用领域，成为且前各种导航体上应用的一种主要导航设备，能够提供精确的姿态和多种导航信息。我国的惯性导航系统的研制从７０年代开始，经过三十多年的预研与技术攻关，走过了从液浮（陀螺、加速度计）到挠性、从平台到捷联、从纯惯性导航到惯性／Ｇｐｓ组合导航的过程。目前，我国自行研制的第一代中等精度、高等精度挠性平台式惯性导航系统己发展成～个系列，并已经批量装机使用，低成本、中等精度的挠性捷联惯导已经进入生产。目前由于受国内制造工艺技术水平的限制和国外技术先进国家的技术封锁，高等精度的激光陀螺、光纤陀螺还处在研制阶段，微机械惯性仪表还处在发展的初级阶段。惯性导航系统分为两类，即平台式和捷联式。平台系统在早期的航海、航空、航天以及陆用的高精度导航、制导中几乎一统天下．一直到７０年代，随着计算机、微电子以及控制等新技术在惯性技术领域的应用，出现了捷联式惯性系统，平台系统受到了强有力的挑战。捷联系统发展的历史可以追溯到１９４２年ｖ．２导弹的制导装置，它把一个自由陀螺仪固定在弹体上，让陀螺仪的主轴对准导弹的飞行方向，直接利用陀螺仪的定轴性，导弹稍一偏离飞行航向陀螺仪就带动控制机构改变导弹的方向，回到预定的弹道上来。惯性
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