Strapdown Inertial Navigation System --《惯性技术(国防工业大学出版社)》读书笔记（2）

Strapdown Inertial Navigation System

在捷联式惯性导航系统中，陀螺仪和加速度计直接“捆绑”在载体上，它没有电气机械平台，惯性仪表直接固联在载体上，用计算机建立一个数学平台来完成导航平台功能，因此也成为无平台惯导系统 。有无电气机械平台是平台惯导系统和捷联惯导系统的主要区别。同时，用计算机建立数学平台是捷联式惯导系统的核心。

1 概述

捷联式惯导系统由 IMU、MCU、上位机组成。陀螺仪和加速度计的组合体称为IMU( Inertial Measuring Unit )，三轴陀螺仪和加速度计的指向安装时必须保持严格正交，IMU要保持与载体坐标系一致。

捷联式惯导系统的特点：
. 测量的是沿载体坐标系各轴的惯性直线加速度和绕载体各轴的旋转角速率，必须将加速度计的输出转换到导航坐标系，然后再进行导航参数解算，而陀螺仪的输出，一方面用于建立和修正数学平台(导航坐标系)，另一方面用于计算姿态角。
. 捷联式惯导系统可以提供更多的导航和制导信息。
. IMU对捷联式惯导系统而言是开环式的，仅起到了惯性传感器信号输出的作用，不需要任何信号再对IMU进行反馈控制。

研制高性能的捷联式陀螺仪，对陀螺仪和加速度计的误差进行实时补偿，发展高精度的捷联式惯导算法--这是我的努力方向-- 是目前捷联式惯导的主要关键技术。

捷联式惯导算法是指从惯性传感器的输出搭配给出需要的导航与控制信息所必须进行的全部问题的计算方法。计算的内容和方法根据捷联式惯导的应用或需求的不同有很大不同，基本流程如下：
1.初始化系统
给定载体的初始位置和初始速度等初始信息；数学平台的初始对准，确定状态矩阵的初始值，是在计算机中用对准程序来完成的；校准惯性传感器(初始误差)。
2.惯性传感器的误差补偿(动态误差)

3.姿态矩阵计算--最基本也是最重要的

4.导航计算
将加速度计的输出，变换到导航坐标系，计算出载体的速度、位置等。

2 姿态矩阵的更新计算

捷联式惯导系统中，为了对坐标进行转换，必须先知道载体的姿态角，然后建立姿态矩阵( 姿态角 --> 姿态矩阵 --> 坐标转换)。计算机 按姿态矩阵建立的几何关系 对 加速度计的输出 进行坐标转换，由于载体的姿态是变化的，所以这个姿态矩阵也在不断变化，这就需要对姿态矩阵进行更新。

捷联式惯导系统中姿态矩阵就是 载体坐标系 与 地理坐标系 间的方向余弦矩阵T 。

姿态矩阵的意义：
. 说明了载体系和地理系的几何关系，例如，已知沿载体系各轴的加速度值，便可根据姿态矩阵，转换为导航系各轴的加速度。
. 当计算机建立了姿态矩阵后，载体的姿态角便可由T 的各个元素内容得到：
航向角 = arctan ( T12 / T23 )
俯仰角 = arctan (T32)
翻滚角 = arctan (T31 / T33 )

3 三通道捷联式惯导系统的计算

单独用垂直加速度计的输出计算载体的高度和垂直速度，存在两个问题：一，垂直加速度计不能够区分载体的垂直加速度和引力加速度；二，用垂直加速度进行一次积分得垂直速度，二次积分得载体高度，这样的系统是不稳定的，它的误差积累是发散的。而是用气压计测量高度，由于受迟滞性和气候影响，瞬时高度和垂直速度的精度不够高。
于是把外部高度信息与惯性高度进行组合，构成混合高度系统来测量载体的高度和垂直速度，即想要利用垂直加速度来计算高度，除了采取措施补偿重力加速度外，还要引入外部高度信息(气压计)与惯性垂直通道信息进行综合，对系统进行阻尼才能实现。
由于组合的形式不同，混合高度系统分为混合高度系统和三阶混合高度系统，目前载体上的混合高度系统多以大气数据系统测得的气压高度为外部高度信息源。

4 捷联惯导系统的误差

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5 捷联惯导系统在动基座上的自对准

惯导系统在进入正常的导航工作状态之前，应当首先解决积分运算的初始条件及平台初始调整问题。这种为惯导系统建立初始基准的过程称为初始对准。
捷联式惯导对准使用了在空间不共线的矢量-- 地球旋转角速度 和 重力加速度 作为参考基准量。
计算机对陀螺仪和加速度计的测量输出值，经过滤波处理，解算出姿态矩阵和速度误差，并从速度误差中估计出失准角，待失准角估计达到稳定后，用失准角估计值对姿态矩阵作矫正，初始校准就完成了。这实际上是解析对准，尽管其对准精度也取决于水平加速度计和东向陀螺，但因载体运动的干扰作用特别明显，因而对滤波技术的应用，比平台系统更为重要。

6 捷联式惯导系统的动基座传递对准

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