捷联惯导的粗对准误差可达(’)数级,方位失准角为(。^。。)数级。
若在进行粗对准以后进入纯惯导导航,导航误差将迅速发散,需要进一步精对准,减小失角误差。

捷联惯导系统精对准

  1. 令wenb=0w^b_{en}=0wenb​=0
    Cbn:导航系与载体系的转换矩阵wibb:陀螺仪输出,载体系相对于惯性系的角速度wieb:地球自转引起的导航系的旋转C^n_b:导航系与载体系的转换矩阵\\ w^b_{ib}:陀螺仪输出,载体系相对于惯性系的角速度\\ w^b_{ie}:地球自转引起的导航系的旋转Cbn​:导航系与载体系的转换矩阵wibb​:陀螺仪输出,载体系相对于惯性系的角速度wieb​:地球自转引起的导航系的旋转
    C˙bn=Cbn(wnbb×)=Cbn[(wibb−wieb−wenb)×]=Cbn[(wibb−wieb)×]\dot C^n_b=C^n_b(w^b_{nb}×)=C^n_b[(w^b_{ib}-w^b_{ie}-w^b_{en})×]=C^n_b[(w^b_{ib}-w^b_{ie})×]C˙bn​=Cbn​(wnbb​×)=Cbn​[(wibb​−wieb​−wenb​)×]=Cbn​[(wibb​−wieb​)×]

  2. 令vn=0v^n=0vn=0
    fsfb:加速度计输出gn:重力加速度f^b_{sf}:加速度计输出\\ g^n:重力加速度fsfb​:加速度计输出gn:重力加速度
    v˙n=Cbnfsfb+gn\dot v^n=C^n_bf^b_{sf}+g^nv˙n=Cbn​fsfb​+gn

  3. 得到误差方程
    ξn:等效陀螺仪随机常值漂移,当ξb为常值时,ξn也为常值▽n:等效加速度随机常值零偏,可以是为常值Cij:为姿态阵Cbn第i行j列元素\xi^n:等效陀螺仪随机常值漂移,当\xi^b为常值时,\xi^n也为常值\\ \bigtriangledown^n:等效加速度随机常值零偏,可以是为常值\\ C_{ij}:为姿态阵C^n_b第i行j列元素ξn:等效陀螺仪随机常值漂移,当ξb为常值时,ξn也为常值▽n:等效加速度随机常值零偏,可以是为常值Cij​:为姿态阵Cbn​第i行j列元素
    {ϕ˙=ϕ×wien−ξnδv˙=fsfn×ϕ+▽nξn=[ξEξNξU]=[C11ξxb+C12ξyb+C13ξzbC21ξxb+C22ξyb+C23ξzbC31ξxb+C32ξyb+C33ξzb],▽n=[▽E▽N▽U]=[C11▽xb+C12▽yb+C13▽zbC21▽xb+C22▽yb+C23▽zbC31▽xb+C32▽yb+C33▽zb]\begin{cases} \dot \phi=\phi×w^n_{ie}-\xi^n\\ \delta \dot v=f^n_{sf}×\phi+\bigtriangledown^n\\ \end{cases}\\ \xi^n=\left[\begin{matrix} \xi_E\\\xi_N\\\xi_U \end{matrix}\right]= \left[\begin{matrix} C_{11}\xi_x^b+C_{12}\xi_y^b+C_{13}\xi_z^b\\ C_{21}\xi_x^b+C_{22}\xi_y^b+C_{23}\xi_z^b\\ C_{31}\xi_x^b+C_{32}\xi_y^b+C_{33}\xi_z^b \end{matrix}\right],\bigtriangledown^n= \left[\begin{matrix} \bigtriangledown_E\\\bigtriangledown_N\\\bigtriangledown_U \end{matrix}\right]= \left[\begin{matrix} C_{11}&\bigtriangledown^b_x+C_{12}&\bigtriangledown^b_y+C_{13}&\bigtriangledown^b_z\\ C_{21}&\bigtriangledown^b_x+C_{22}&\bigtriangledown^b_y+C_{23}&\bigtriangledown^b_z\\ C_{31}&\bigtriangledown^b_x+C_{32}&\bigtriangledown^b_y+C_{33}&\bigtriangledown^b_z\\ \end{matrix}\right]{ϕ˙​=ϕ×wien​−ξnδv˙=fsfn​×ϕ+▽n​ξn=⎣⎡​ξE​ξN​ξU​​⎦⎤​=⎣⎡​C11​ξxb​+C12​ξyb​+C13​ξzb​C21​ξxb​+C22​ξyb​+C23​ξzb​C31​ξxb​+C32​ξyb​+C33​ξzb​​⎦⎤​,▽n=⎣⎡​▽E​▽N​▽U​​⎦⎤​=⎣⎡​C11​C21​C31​​▽xb​+C12​▽xb​+C22​▽xb​+C32​​▽yb​+C13​▽yb​+C23​▽yb​+C33​​▽zb​▽zb​▽zb​​⎦⎤​

  4. 在基静座下,近似fsfn=−gn=[00gn]f^n_{sf}=-g^n= \left[\begin{matrix} 0&0&g^n \end{matrix}\right]fsfn​=−gn=[0​0​gn​],并将第三步得到的等式展开得到:
    {ϕ˙E=wUϕN−wNϕU−ξEϕ˙N=−wUϕE−ξNϕ˙U=wNϕE−ξUδv˙E=−gϕN+▽Eδv˙N=gϕE+▽Nδv˙U=▽U\begin{cases} \dot \phi_E=w_U\phi_N-w_N\phi_U-\xi_E\\ \dot \phi_N=-w_U\phi_E-\xi_N\\ \dot \phi_U=w_N\phi_E-\xi_U\\ \delta \dot v_E=-g\phi_N+\bigtriangledown_E\\ \delta \dot v_N=g\phi_E+\bigtriangledown_N\\ \delta \dot v_U=\bigtriangledown_U\\ \end{cases}⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎧​ϕ˙​E​=wU​ϕN​−wN​ϕU​−ξE​ϕ˙​N​=−wU​ϕE​−ξN​ϕ˙​U​=wN​ϕE​−ξU​δv˙E​=−gϕN​+▽E​δv˙N​=gϕE​+▽N​δv˙U​=▽U​​
    δv˙U=▽U\delta \dot v_U=\bigtriangledown_Uδv˙U​=▽U​可知:天向速度对失准角不会有任何作用,在基静座天向速度仅用于计算天向速度零偏,分析失准角时,一般可忽略天向通道(天向速度和加速度计天向零偏)。

  5. 建立初始对准空间模型如下:
    {X˙=FXZ=HXX=[ϕEϕNϕUδvEδvNξEξNξU▽E▽N]TF=[0wU−wN00−10000−wU00000−1000wN000000−1000−g00000010g00000000100000000000000000000000000000000000000000000000000]H=[00010000000000100000]\begin{cases} \dot X=FX\\Z=HX \end{cases}\\ X=\left[\begin{matrix}\phi_E&\phi_N&\phi_U&\delta v_E&\delta v_N&\xi_E&\xi_N&\xi_U&\bigtriangledown_E&\bigtriangledown_N\end{matrix}\right]^T\\ F=\left[\begin{matrix} 0&w_U&-w_N&0&0&-1&0&0&0&0\\ -w_U&0&0&0&0&0&-1&0&0&0\\ w_N&0&0&0&0&0&0&-1&0&0\\ 0&-g&0&0&0&0&0&0&1&0\\ g&0&0&0&0&0&0&0&0&1\\ 0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\ \end{matrix}\right]\\ H=\left[\begin{matrix} 0&0&0&1&0&0&0&0&0&0\\0&0&0&0&1&0&0&0&0&0\\ \end{matrix}\right]{X˙=FXZ=HX​X=[ϕE​​ϕN​​ϕU​​δvE​​δvN​​ξE​​ξN​​ξU​​▽E​​▽N​​]TF=⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡​0−wU​wN​0g00000​wU​00−g000000​−wN​000000000​0000000000​0000000000​−1000000000​0−100000000​00−10000000​0001000000​0000100000​⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤​H=[00​00​00​10​01​00​00​00​00​00​]

  6. 系统的观测性矩阵为
    O=[HHF...HF9]=[000100000000001000000−g00000010g000000001gwU00000g0000gwU−gwU00−g00000gwU2−gwNwU00−gwU0000−gwie200000−gwUgwN00..............................]O=\left[\begin{matrix} H\\HF\\...\\HF^9 \end{matrix}\right]= \left[\begin{matrix} 0&0&0&1&0&0&0&0&0&0\\0&0&0&0&1&0&0&0&0&0\\ 0&-g&0&0&0&0&0&0&1&0\\g&0&0&0&0&0&0&0&0&1\\ gw_U&0&0&0&0&0&g&0&0&0\\0&gw_U&-gw_U&0&0&-g&0&0&0&0\\ 0&gw^2_U&-gw_Nw_U&0&0&-gw_U&0&0&0&0\\-gw^2_{ie}&0&0&0&0&0&-gw_U&gw_N&0&0\\ ...&...&...&...&...&...&...&...&...&...\\ \end{matrix}\right]O=⎣⎢⎢⎡​HHF...HF9​⎦⎥⎥⎤​=⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡​000ggwU​00−gwie2​...​00−g00gwU​gwU2​0...​00000−gwU​−gwN​wU​0...​10000000...​01000000...​00000−g−gwU​0...​0000g00−gwU​...​0000000gwN​...​00100000...​00010000...​⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤​
    观察上式可以看出第6行与第7行线性相关,其他7行向量间互不相关。rank(O)=7rank(O)=7rank(O)=7

  7. 根据观测矩阵列出速度测量(及其微分)与状态之间的关系dnZdnt=HFnX(n=0,1,2,...,n)\frac{d^nZ}{d^nt}=HF^nX(n=0,1,2,...,n)dntdnZ​=HFnX(n=0,1,2,...,n)
    {δvE=δvEδvN=δvNδv′E=−gϕN+▽Eδv′N=−gϕE+▽NδvE′′=gwUϕE+gξNδvN′′=gwUϕN−gwNϕU−gξEδvE′′′=δvN′′wUδvN′′′=−gwie2ϕE−gwUξN+gwNξU\begin{cases} \delta v_E=\delta v_E\\\delta v_N=\delta v_N\\ \delta v{'}_E=-g\phi_N+\bigtriangledown_E\\ \delta v{'}_N=-g\phi_E+\bigtriangledown_N\\ \delta v''_E=gw_U\phi_E+g\xi_N\\ \delta v''_N=gw_U\phi_N-gw_N\phi_U-g\xi_E\\ \delta v'''_E=\delta v''_Nw_U\\ \delta v'''_N=-gw^2_{ie}\phi_E-gw_U\xi_N+gw_N\xi_U \end{cases}⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎧​δvE​=δvE​δvN​=δvN​δv′E​=−gϕN​+▽E​δv′N​=−gϕE​+▽N​δvE′′​=gwU​ϕE​+gξN​δvN′′​=gwU​ϕN​−gwN​ϕU​−gξE​δvE′′′​=δvN′′​wU​δvN′′′​=−gwie2​ϕE​−gwU​ξN​+gwN​ξU​​

  8. 在第7步可知,只有δvE,δv′E\delta v_E, \delta v{'}_EδvE​,δv′E​是直接测量可得的,其他系统状态变量值都是通过间接测得的,将系统改写为(如果系统的测量存在干扰,求导次数越多干扰越大):
    {δvE=δvEδvN=δvNϕN=−(δvE′−▽E)/gϕE=(δvN′−▽N)/gξN=[δvE′′−wU(δvN′−▽N)]/gϕU=−[δvN′′+wU(δvE′−▽E)]/(gwN)ξU=[δvN′′′+wie2(δvN′−▽N)+gwUξN]/(gwN)\begin{cases} \delta v_E=\delta v_E\\\delta v_N=\delta v_N\\ \phi_N=-(\delta v'_E-\bigtriangledown_E)/g\\ \phi_E=(\delta v'_N-\bigtriangledown_N)/g\\ \xi_N=[\delta v''_E-w_U(\delta v'_N-\bigtriangledown_N)]/g\\ \phi_U=-[\delta v''_N+w_U(\delta v'_E-\bigtriangledown_E)]/(gw_N)\\ \xi_U=[\delta v'''_N+w^2_{ie}(\delta v'_N-\bigtriangledown_N)+gw_U\xi_N]/(gw_N) \end{cases}⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎧​δvE​=δvE​δvN​=δvN​ϕN​=−(δvE′​−▽E​)/gϕE​=(δvN′​−▽N​)/gξN​=[δvE′′​−wU​(δvN′​−▽N​)]/gϕU​=−[δvN′′​+wU​(δvE′​−▽E​)]/(gwN​)ξU​=[δvN′′′​+wie2​(δvN′​−▽N​)+gwU​ξN​]/(gwN​)​
    因为▽N,▽E,ξE\bigtriangledown_N,\bigtriangledown_E,\xi_E▽N​,▽E​,ξE​是不可观测的,将成为限制可观测状态的误差因素,通过上式求得可观测状态的极限精度如下:
    {ϕE=−▽N/gϕN=▽E/gϕU=tanL∗▽E/g−ξE/wNξN=wU▽N/gξU=−wiesecL∗▽N/g+tanL∗ξE\begin{cases} \phi_E=-\bigtriangledown_N/g\\ \phi_N=\bigtriangledown_E/g\\ \phi_U=tanL*\bigtriangledown_E/g-\xi_E/w_N\\ \xi_N=w_U \bigtriangledown_N/g\\ \xi_U=-w_{ie}secL*\bigtriangledown_N/g+tanL*\xi_E\\ \end{cases}⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎧​ϕE​=−▽N​/gϕN​=▽E​/gϕU​=tanL∗▽E​/g−ξE​/wN​ξN​=wU​▽N​/gξU​=−wie​secL∗▽N​/g+tanL∗ξE​​

  9. 为了降低计算量,将▽E,▽N,ξE\bigtriangledown_E,\bigtriangledown_N,\xi_E▽E​,▽N​,ξE​删去,建立7维随机系统模型如下:
    wgib(i=x,y,z):为陀螺角速率白噪声;E[wgib]=0,E[wgib(t)wgib(t)]=qgibδ(t−τ),qgib:角度随机游走waib(i=x,y,z):加速度计比力白噪声,一般设E[waib]=0E[waib(t)waib(τ)]=aaibδ(t−τ),qaib速度随机游走、、VE:东向量测噪声VN:北向量测噪声w^b_{gi}(i=x,y,z):为陀螺角速率白噪声;\\ E[w^b_{gi}]=0,E[w^b_{gi}(t)w^b_{gi}(t)]=q^b_{gi}\delta(t-\tau),\sqrt{q^b_{gi}}:角度随机游走\\ w^b_{ai}(i=x,y,z):加速度计比力白噪声,一般设E[w^b_{ai}]=0\\ E[w^b_{ai}(t)w^b_{ai}(\tau)]=a^b_{ai}\delta(t-\tau),\sqrt{q^b_{ai}}速度随机游走、、 V_E:东向量测噪声\\ V_N:北向量测噪声wgib​(i=x,y,z):为陀螺角速率白噪声;E[wgib​]=0,E[wgib​(t)wgib​(t)]=qgib​δ(t−τ),qgib​​:角度随机游走waib​(i=x,y,z):加速度计比力白噪声,一般设E[waib​]=0E[waib​(t)waib​(τ)]=aaib​δ(t−τ),qaib​​速度随机游走、、VE​:东向量测噪声VN​:北向量测噪声
    {X˙=FX+GWbZ=HX+VX=[ϕEϕNϕUδvEδvNξEξNξU]TF=[0wU−wN0000−wU0000−10wN00000−10−g00000g00000000000000000000]G=[−C11−C12−C1300−−C21−C22−C23000−C31−C32−C33000000C11C12C13000C21C22C23000000000000],W=[wgxbwgybwgzbwaxbwaybwazb]H=[00010000000100],V=[VEVN],\begin{cases} \dot X=FX+GW^b\\Z=HX+V \end{cases}\\ X=\left[\begin{matrix}\phi_E&\phi_N&\phi_U&\delta v_E&\delta v_N&\xi_E&\xi_N&\xi_U\end{matrix}\right]^T\\ F=\left[\begin{matrix} 0&w_U&-w_N&0&0&0&0\\ -w_U&0&0&0&0&-1&0\\ w_N&0&0&0&0&0&-1\\ 0&-g&0&0&0&0&0\\ g&0&0&0&0&0&0\\0&0&0&0&0&0&0\\0&0&0&0&0&0&0\\ \end{matrix}\right]\\ G=\left[\begin{matrix} -C_{11}&-C_{12}&-C_{13}&0&0&-\\ -C_{21}&-C_{22}&-C_{23}&0&0&0\\ -C_{31}&-C_{32}&-C_{33}&0&0&0\\ 0&0&0&C_{11}&C_{12}&C_{13}\\ 0&0&0&C_{21}&C_{22}&C_{23}\\ 0&0&0&0&0&0\\0&0&0&0&0&0\\ \end{matrix}\right],W=\left[\begin{matrix} w_{gx}^b\\w_{gy}^b\\w_{gz}^b\\ w_{ax}^b\\w_{ay}^b\\w_{az}^b\\ \end{matrix}\right]\\ H=\left[\begin{matrix} 0&0&0&1&0&0&0\\0&0&0&0&1&0&0\\ \end{matrix}\right],V=\left[\begin{matrix} V_E\\V_N \end{matrix}\right],{X˙=FX+GWbZ=HX+V​X=[ϕE​​ϕN​​ϕU​​δvE​​δvN​​ξE​​ξN​​ξU​​]TF=⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡​0−wU​wN​0g00​wU​00−g000​−wN​000000​0000000​0000000​0−100000​00−10000​⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤​G=⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡​−C11​−C21​−C31​0000​−C12​−C22​−C32​0000​−C13​−C23​−C33​0000​000C11​C21​00​000C12​C22​00​−00C13​C23​00​⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤​,W=⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡​wgxb​wgyb​wgzb​waxb​wayb​wazb​​⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤​H=[00​00​00​10​01​00​00​],V=[VE​VN​​],

  10. 实际上静座误差下噪声分配阵G近似为常值矩阵,令W=GWbW=GW^bW=GWb
    {X˙=FX+WZ=HX+VW=[wgxbwgybwgzbwaxbwaybwazb00]T\begin{cases} \dot X=FX+W\\Z=HX+V \end{cases}\\ W=\left[\begin{matrix} w_{gx}^b&w_{gy}^b&w_{gz}^b& w_{ax}^b&w_{ay}^b&w_{az}^b&0&0\end{matrix}\right]^T{X˙=FX+WZ=HX+V​W=[wgxb​​wgyb​​wgzb​​waxb​​wayb​​wazb​​0​0​]T

  11. 在对上式进行离散化,再采用Kalman滤波方法进行估计,便可获得失准角的最优估计,实现精对准

  12. 也可以采用双位置方法:就是在初始对准过程中故意将捷联惯导系统转动一定角度。
    实际中常捷联惯导系统的方位轴旋转180度,矫正方法采用12维的惯导系统对准模型如下:
    {X˙=FX+WZ=HX+VX=[ϕEϕNϕUδvEδvNδvUξxbξybξzb▽xb▽yb▽zb]TF=[−(wien×)03×3−Cbn03×3−(gn×)03×303×3Cbn06×12],G=[−Cbn03×303×3Cbn06×6]W=[wgxbwgybwgzbwaxbwaybwazb]TH=[03×3I3×303×6],V=[VEVNVU]T\begin{cases} \dot X=FX+W\\Z=HX+V \end{cases}\\ X=\left[\begin{matrix} \phi_E&\phi_N&\phi_U&\delta v_E&\delta v_N&\delta v_U&\xi^b_x&\xi^b_y&\xi^b_z&\bigtriangledown_x^b&\bigtriangledown_y^b&\bigtriangledown_z^b\\ \end{matrix}\right]^T\\ F=\left[\begin{matrix} -(w^n_{ie}×)&0_{3×3}&-C^n_b&0_{3×3}\\ -(g^n×)&0_{3×3}&0_{3×3}&C^n_b\\ 0_{6×12}\\ \end{matrix}\right],G= \left[\begin{matrix} -C^n_b&0_{3×3}\\ 0_{3×3}&C^n_b\\ 0_{6×6}\\ \end{matrix}\right]\\ W= \left[\begin{matrix} w^b_{gx}&w^b_{gy}&w^b_{gz}&w^b_{ax}&w^b_{ay}&w^b_{az} \end{matrix}\right]^T\\ H=\left[\begin{matrix} 0_{3×3}&I_{3×3}&0_{3×6} \end{matrix}\right],V=\left[\begin{matrix} V_E&V_N&V_U \end{matrix}\right]^T{X˙=FX+WZ=HX+V​X=[ϕE​​ϕN​​ϕU​​δvE​​δvN​​δvU​​ξxb​​ξyb​​ξzb​​▽xb​​▽yb​​▽zb​​]TF=⎣⎡​−(wien​×)−(gn×)06×12​​03×3​03×3​​−Cbn​03×3​​03×3​Cbn​​⎦⎤​,G=⎣⎡​−Cbn​03×3​06×6​​03×3​Cbn​​⎦⎤​W=[wgxb​​wgyb​​wgzb​​waxb​​wayb​​wazb​​]TH=[03×3​​I3×3​​03×6​​],V=[VE​​VN​​VU​​]T
    实际使用时应当注意:
    (1):对于不可观测或者观测性较弱的状态变量,对应初始方差阵应当小些
    (2):在初始失准较大时,应在应滤波反馈修正技术:在滤波过程中不断利用失准角估计值修正惯导计算导航系,使其逼近真实导航系,有利于保持惯导误差方程线性,逼近极限对准精度
    (3):在双位置对准的过程中容易产生线运动干扰,只需要进行kalman滤波量测更新,不需要进行滤波量测更新
    (4):量测噪声大小视实际线运动干扰大小设置,设置偏小,收敛虽快单抗干扰性弱。

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    原理作用 只有准确的获得系统的结构参数和噪声统计特性参数,才能获得最优值的状态估计,实际中往往是不够准确的 可以使用量测输出(输出隐含了系统模型的某些信息)对系统系统模型进行重新估计. 量测噪声方差阵 ...

  9. 捷联惯导系统学习2.6(圆锥误差补偿多子样算法)

    若圆锥运动的四元数更新方程为: Q(tm)=Q(Tm−1).Q(T)Q(t_m)=Q(T_{m-1}).Q(T)Q(tm​)=Q(Tm−1​).Q(T) ( ...四元数乘法) ( Q(T)Q(T)Q ...

  10. 捷联惯导系统学习2.2(等效旋转矢量)

    二 等效旋转矢量: 1 一些重要的三维矢量运算关系(证明请自己找) $ u为单位矢量 ;u'是u的一阶导数$ (1):V1×(V2×V3)=(V1∗V3)V2−(V1∗V2)V3(1):V_1\tim ...

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