惯性导航初始对准Initial Alignment of Inertial Navigation万德钧房建成著FOG东南大学出版福
U666.12462398Wc9惯性导航初始对准Initial Alignment of Inertinl Navigation房建成万德钧00462398东南大学出版社·南京·
介内容简本书是一·本论还航海和航空、航天等领域广泛应用的惯导系统中的关键技术一一初始对准的专著。书中在对惯导系统进行误差分析的基础上，介绍了经典的初始对准方法和卡尔滤波在静基座和动基座对准中的应用。运用PWCS分析法，深人分析了系统的可观测性与可观测度。对中台式与捷联式两种惯导系统在静基座和动基座上快速精确初始对准的理论与方法作了重点闲述。本书可作为高等院校导航、控制和精密仪器等专业的研究生教材，也可供从事惯导系统研究开发的工程技术人员多考。图书在版编目（CIP）数据DV惯导系统初始对准/万德钧，房建成著，南京：东南大学出版社，1998.12ISBN7-81050-436-3I惯几①万②房加惯性导航-初始瞄准IV.TN96中国版本图书馆CIP数据核字（1999）第06252号1东南人学出版社出版发行（南京四牌楼2号邵编210096）出版人：洪焕兴江苏省新华书店经销南京气象学院印刷1印刷开本：787mm×1092mm1/16印张：12.5字数：296.4千字1998年12月第1版1998年12月第1次印剩定价：25.00元
前言随着国民经济建设与国防建设的发展，惯性导航的应用日益广泛。目前惯性导航系统不仅应用于飞机、舰船、航天器与导弹中，而且已扩展到车辆与移动式机器人等运载体中。惯导系统的初始对准是影响系统使用性能的关键技术之一，对准的精度与速度直接关系到惯导系统的精度与启动特性，因此引起国内外惯导界的重视与关注。许多学者与工程师对初始对准技术进行了精心的研究，取得卓越的成果。在过去几年中，国内外出版了--些有关惯性导航的著作与教材，其中只用有限的篇幅讲述初始对准的基本原理与经典方法。近年来，作者在船舶预研基金与航空基金的资助下，会同课题组成员对初始对准技术进行了系统而深人的研究。本书是对这些研究成果的系统总结。本书共有8章。第1章简述惯导系统的基本原理和初始对准的要求与发展。第2章介绍平台式惯导系统与捷联式惯导系统的误差方程及误差特性分析。第3章论述两种惯导系统初始对准的经典方法与卡尔曼滤波方法。第4章在介绍PWCS可观测性分析理论的基础上，讨论了系统状态变量可观测度分析的特征值方法与奇异值方法。第5章详述PWCS在两种惯导系统动基座对准中的应用。第6、7两章分别讨论惯导系统在静基座与动基座条件下的快速精确初始对准方法。最后-·章对初始对准的新技术作一展望。本书为本论述惯导系统初始对准的专门著作，既可作为有关专业的研究生教材，也可供从事惯性导航的科技人员参考。书中部分内容采用了东南大学房建成博士、徐晓苏博士、王庆博士、程向红博士、高炳祥博士和吴秋平硕士的学位论文研究成果，作者对他们为本书作出的贡献表示诚挚的谢意。东南大学黄林教授对全书进行了审阅，提出了宝贵意见，在本书编写过程中还曾得到陈熙源、吴秋平、马壮和王雷等同志的帮助，在此一并表示衷心的感谢。作者还要感谢船舶基金和航空基金管理办公室的大力支持。惯导系统初始对准涉及的学科面宽，工程性强，加之作者水平有限，书中不足之处请予批评指正。作者1998年10月于南京
目髪录1绪论1.1惯导系统的发展与现状1.2惯性导航的基础知识21.2.1地球形状21.2.2垂线和纬度31.2.3导航用坐标系31.3惯导系统的基本原理D平台式惯导系统的基本原理1.3.141.3.2捷联式惯导系统的基本原理1.4惯导系统的关键技术71.4.1惯性仪表技术惯性仪表误差补偿技术1.4.291.4.3初始对准技术-......1.4.4捷联式惯性系统的姿态矩阵计算91.5惯导系统的初始对准01.5.1初始对准的类别91.5.2初始对准的要求·101.5.3初始对准的发展102惯导系统的误差方程与误差分析112.1引言112.2平台式惯导系统的里角误差方程122.2.1系统的误差方程.+122.2.2平台坐标系与真实地理坐标系的误差角@的计算152.3平台式惯导系统的@角误差方程172.3.1平台姿态误差方程172.3.2速度误差方程182.3.3系统的误差方程192.4平台式惯导系统误差特性及其分析-202.4.1系统误差方程202.4.2系统误差方块图212.4.3系统误差特性分析222.4.4平台式惯导系统误差传播特性242.5捷联式惯导系统的@角误差方程261
26数学平台的误差角方程2.5.1302.5.2速度误差方程30位置误差方程2.5.3302.5.4系统误差方程.322.5.5尤阻尼捷联惯导系统的误差传播特性及分析332.6捷联式惯导系统的里角误差方程342.6.1误差方程的建立352.6.2捷联惯导系统的更角误差模型与@角误差模型之间的关系.362.7本章小结363惯导系统的初始对准方法·363言·373.2平台式惯导系统的经典初始对准方法·373.2.1静基座条件下指北方位惯导系统误差方程:383.2.2单轴水平回路的初始对准·.433.2.3方位罗经对准原理及精度分析3.2.446陀螺漂移的测定3.3捷联式惯导系统的经典初始对准方法48493.3.1解析粗对准3.3.2精对准原理:523.4状态观测器在惯导系统初始对准中的应用583.4.1*状态方程和观测方程的建立。.583.4.2水平对准回路60方位罗经对准间路3.4.3623.5卡尔曼滤波原理.643.5.1卡尔曼滤波与最优估计643.5.2卡尔蔓滤波方程·653.5.3连续系统离散化转移短阵@+1.和系统噪声方差阵Q的计算693.5.4有色噪声条件下的卡尔曼滤波713.5.5非线性系统的卡尔曼滤波723.6惯导系统静基座初始对准的卡尔受滤波方法733.6.1平台式惯导系统静基座初始对准的卡尔曼滤波方法733.6.2捷联惯导系统静基座初始对准的卡尔曼滤波方法783.7惯导系统动基座初始对准的卡尔曼滤波方法803.7.1平台式惯导系统动基座对准误差模型的建立803.7.2捷联惯导系统动基座对准卡尔曼滤波模型的建立813.7.3平台式惯导系统及捷联式惯导系统动基座初始对准的可观测性分析问题823.8本章小结82II
834PWCS可观测性分析理论与方法834.1 引言·844.2PWCS的可观测性矩阵.844.2.1系统可观测性的概念及PWCS的可观测性矩阵:884.2.2PWCS的提取可观测性矩阵4.3PWCS的可观测性分析步骤90964.4系统状态变量可观测度分析的特征值方法4.4.1引言964.4.2误差协方差阵的特征值和特征向量964.4.3P阵的规范化97举例4.4.4984.4.5小结1004.5系统状态变量可观测度分析的奇异值方法1004.5.1可观测性指数1014.5.2奇异值分解有关理论101-4.5.3基于奇异值分解理论的系统可观测性分析1034.5.4举例1054.5.5可观测度的定义1054.6本章小结1065PWCS可观测性分析方法在惯导系统动基座对准中的应用1105.1引言1105.2平台式惯导系统动基座对准的可观测性分析1105.2.1平台式惯导系统动基座对准的误差模型1105.2.2平台式惯导系统动基座对准过程的可观测性分析：1125.2.3平台式惯导系统动基座对准过程的可观测性分析结果:1145.3捷联式惯导系统动基座对准的可观测性分析1155.3.1捷联惯导系统动基座对准的误差模型1165.3.2捷联惯导系统动基座对准过程的可观测性分析..1185.3.3捷联惯导系统动基座对准过程的可观测性分析结果1215.4惯导系统动基座初始对准时状态变量的可观测度分析1225.4.1平台式惯导系统静基座对准时的可观测性和可观测度1235.4.2捷联惯导系统在摇摆基座上初始对准时状态可观测度分析124.5.4.3捷联惯导系统在线加速运动对准时的状态可观测度分析1305.4.4捷联惯导系统在组合运动对准时的状态可观测度分析1315.5本章小结132I
142惯导系统静基座快速精确初始对准方法61426.1引言1426.2平台式惯导系统的静基座快速初始对准方法1426.2.1平台式惯导系统静基座对准的误差模型及可观测性分析1436.2.2平台式惯导系统静基座初始对准的伤真结果及精度分析:1446.2.3-种快速有效的平台式惯导系统静基座初始对准方法1456.2.4快速初始对准方法的精度分析及计算机仿真结果1466.3捷联惯导系统的静基座快速初始对准方法1466.3.1捷联惯导系统静基座对准的卡尔曼滤波模型及可观测性分析1476.3.2捷联惯导系统静基座快速初始对准方法1486.3.3快速初始对准方法的计算机仿真结果与精度分析1496.4捷联惯导系统静基座最优多位置对准149引言6.4.11496.4.2捷联惯导系统的误差模型1506.4.3可观测性分析1526.4.4最优多位置对准小结1546.4.51556.5陀螺随机常值漂移的多级标定法及其在初始对准中的应用155陀螺随机常值漂移的多级标定法6.5.11576.5.2仿真及实验结果1576.5.3陀螺常值漂移多级标定方法在惯导系统初始对准中的应用6.6本章小结1581607惯导系统动基座快速精确对准方法7.1 引1607.2快速初始对准方法在平台式惯导系统动基座（句速平直运动）对准中的应用1607.2.1平台式惯导系统在匀速平点运动情况下的初始对准误差模型及可观测性分析1607.2.2半台式惯导系统在速平直运动时的快速初始对准方法1617.3平台式惯导系统动基座对准的仿真研究1627.4快速初始对准方法在捷联惯导系统动基座（勾速平直运动）对准中的应用*1657.4.1#捷联惯导系统在载体匀速平·直运动情况下的初始对准误差模型及可观测性分析1657.4.2捷联惯导系统在匀速平直运动时的快速初始对准方法：1687.5捷联惯性系统动基座对准的仿真研究1697.5.1捷联系统传感器仿真1697.5.2捷联系统算法仿真J707.5.3捷联系统卡尔曼滤波器仿真170N
1707.5.4捷联系统在静基座对准时卡尔曼滤波仿真o1717.5.5捷联系统在摇摆运动时初始对准的卡尔曼滤波仿真7.5.6捷联惯性系统在线加速运动对准时的卡尔曼滤波仿真1741787.5.7捷联惯性系统在组合运动时的卡尔曼滤波仿真1787.6本章小结183初始对准的展望..81838.1引言·1838.2、自适应卡尔曼滤波器在惯导系统动基座对准中的应用1848.3H。滤波器在惯导系统初始对准中的应用.…8.4神经网络技术在惯导系统初始对准中的应用1851868.5GPS信息辅助惯导系统运动基座快速精确对准方祛187参考文献·
1绪音论1.1惯导系统的发展与现状将舰船、飞机、车辆、导弹、鱼雷或宇审飞行器等运载体按预定的计划与要求，从起始点引导到月的地的过程称为导航。用来完成上述引导任务的设备称为导航系统。惯性导航系统（简称惯导系统）为·种利用加速度计测得的运载体的运动加速度、经过运算求出运载体即时位置的导航设备。实现此种导航定位计算所需的基准坐标系（导航坐标系则依靠陀螺仪来建立。惯导系统可以工作于两种不同的状态：第一种工作状态是向驾驶员提供运载体（舰船、飞机等）的位置与速度等导航参数，然后由驾驶员依据这些参数，靠人工将运载体按照预定的航线引导至目的地；第种工作状态是在提供导航参数的基础上，通过控制系统将运载体自动地按预定的航线引导至日的地，而驾驶员仅起监控作用。在无人操纵的运载体（鱼笛、导弹、火箭等）上，惯性导航与自动控制相结合，将运载体自动导向预定的日标。此时，它的功能与工作在自动导航状态的惯性导航系统（inerialnavigationsystem）相似，但习惯上称之为惯性制导系统（inertialguidancesystem）惯导系统求得导航参数无需依赖何外界信息，而只依靠陀螺仪与加速度计这两种惯性仪表，此是-一种自主式的导航系统。这种系统不受外界的干扰，隐蔽性好。惯导系统还能方便地提供运载体的三维姿态参数，这些参数都是舰艇与飞机上观通系统和火控系统所必需的。惯导系统由于具有上述-系列优点而受到海陆空军、航天和交通运输等部门的青赚和重视。第二次世界大战末期，德国首次将初级的惯性系统装备V-2火箭。其中，利用陀螺仪稳定火箭的姿态与航向，沿着纵轴安装的陀螺积分加速度计提供火箭人轨的初始速度。20世纪50年代初，美国研制成具有三轴陀螺稳定平台的惯导系统，使其向完善化跨上-个新台阶50年代至60年代，惯导系统开始广泛应用于火箭、潜艇和军用飞机上。70年代，惯导系统已步人成熟阶段，逐步推广应用于舰船、飞机、导弹、宇审飞行器以及大地测量等领域。80年代，在计算机与现代控制理论发展的推动下，由数学平台取代机电式平台的捷联式惯导系统迅猛发展。进人90年代，以惯导系统为主的组合导航系统在各种运载体中的应用不断扩大。惯性仪表、计算机、精密机械和电子线路等硬件的不断改进，误差补偿与校正、究余技术等软件的不断完善，使惯导系统的精度和可靠性显著提高。日前，惯导系统已泛应用于潜艇、水面舰艇、军用飞机、战略导弹与战术导弹、战车和人造卫星等领域。随着惯性技术的普及和惯导系统造价的降低，各种民用飞机、移动机器人及地下管道检测小车等运载体都对惯导系统提出了需求。近年来，尽管卫导航、无线电导航和天文导航等技术的发展很快，但是它们不可能完全取代惯性导航的应用。在军用领域内，惯导系统和以惯导为主的组合导航系统始终.1