捷联式惯性导航积分算法设计1.pdf

江南航天科技 1$ 2 月I 2001 年6 月 捷联式惯性导航积分算法设计(连载) 上篇:姿态计算 卢军政 • (江南航天集团 302 所) 文摘本论文分上下两篇，给用于现代捷联惯导系统的主要软件算法设计 提供一个严密的综合方法:将角速率积分成姿态角，将加速度交换或积分成速度 以及将速度积分成位置。该算法是用两速修:正法构成的，而两速修正法是具有 一定创新程度的新颖算法，是为姿态修正而开发出来的，在姿态修正中，以中速 运用精密解析可宇程去校正积分参数(姿态、速度或位置)，其输入·是由在参数修正 (姿态锥化修正、速度摇棒修正以及高分辨率位置螺旋修正)时间问隔内计算运 动角速度和加速度的高速算法提供的。该设计才法考虑了通过捷联系统惯性传 感器对角速度或比力加速度所进行的测量以及用于姿态基准和矢量这反积分的 导航革旋转问题。本论文上篇定义了捷联惯导积分函数的总体设计妥求，并开 发出了用于姿态修正算法的方向余弦法和四元数法;下篇着重讨论速度和位置 积分算法的设计。尽管上下两篇讨论中常常涉及到基本的惯性导航概念，然而， 本论文是为那些己对基础惯导概念很熟悉的实际工作者而写的。 专门用语 A ,A] ,A2 ,A3 =任意座标系 CZz将矢量从A A，系的方向余弦矩阵 系投影到 2 1= 单位矩阵 qZ=qZ的共组数，它的第 1 项与 qZ的相同，余下的 2-4 项目为 qZ 的负数 审=单位囚元数，它的第 1 项为 1 ，其余 3 项为0 V= 元具体座标系定义的矢量 V,\ =列向量，它的各项元素等于矢量V 在A 系各铀上的投影 (V;I) =VA 的反对称(或交叉积)形式，代表如下方程: 且 [0'V VZA 0 - V YA VXJ飞 14 • 其中.VXA 、Y " 和 V且是yA 的分量;v; 与另→个 A 系矢量的矩阵乘积等于 Vλ 与 A 系 y 矢量的叉乘。 v;= 与 y' 等量的四元数矢量 O [yA 1 j 座标系的角速率;当 W.\l A2 = A 座标系相对A Aj 为惯性系(I系)时.\V"L\2是由安装在 2 儿系上的角速率传感器所测得的角速率。 , 1 概论 惯性导航是通过对速度积分得到位置并对总、加速度积分得到速度的过程。总加速度 是重力加速度与由施加的非重力产生的加速度之和，亦即业内人所共知的比力加速度。 惯性导航系统(INS)包括·用于积分的导航计算机;用于给积分运算定时的精密时钟，测量 比力加速度用的加速度计组合;用于作为所算位置的一个函数而进行的重力加速度汁算 而留于导航计算机中的重力模型软件，以及为了定义作为速度计算一部分的加速度计三 元组的角度方向所用的姿态墓准。在现代 INS 中，姿态基准是由驻留于 INS 计算机中的 软件积分函数提供的，其输人来自一个有三轴的惯性角速度传感器。角速度传感器和加 速度计三元组装在一个公用的牢固构架上，该构架装在 INS 的底盘上，以保证每个惯性传 感器之间的精确对齐，这样的一种布置称之为捷联 INS。因为惯性传感器牢固固定在底 盘内，所以也就牢固地固定于安装的5 的飞行器上。 INS 计算机中的