纬度未知条件下捷联惯导系统动基座初始对准方法研究
摘要
(StrapdownInertialNavigationSystemSINS)
捷联惯性导航系统，在进入工作之前必须
进行初始对准来获得初始姿态信息，初始对准的时间和精度直接决定了SINS的启动时
间和姿态测量的精度。初始对准分为粗对准和精对准两个阶段，粗对准和精对准的主要
指标分别为速度和精度。初始对准需要依靠外部设备提供纬度信息，在深山、隧道和水
下等卫星信号失锁的情况下，纬度信息很难由外部设备提供，初始对准也将无法进行，
因此在纬度未知的条件下对初始对准的方法进行研究具有一定的意义和价值。本文将在
纬度未知的条件下，对纬度估计的方法和初始对准的方法展开研究。
首先，介绍了SINS的工作原理，接着介绍了初始对准过程中常用的坐标系以及坐
标系转换的方法，推导了SINS的位置、速度和姿态更新算法。最后介绍了无迹卡尔曼
滤波(UnscentedKalmanFilter，UKF)原理，为后续算法的研究提供了基础。
其次，介绍了纬度估计的方法。在静基座的条件下，采用陀螺仪和加速度计的输出
进行纬度估计，分析了纬度估计的误差。在摇摆基座的条件下，运用不同时刻重力加速
度在惯性空间的投影和地球自转角速度的几何关系实现了纬度估计，分析了纬度估计误
差，通过仿真得出摇摆基座纬度估计方法易受加速度计输出噪声的干扰，基于此本文设
计了三种改进的纬度估计方法，仿真实现了三种改进的纬度估计方法。在动基座的条件
(DopplerVelocityLogDVL)
下，使用多普勒计程仪，测得载体的外速度，通过外速度补偿
惯性空间的速度进而完成动基座纬度估计，通过仿真和实验验证了动基座纬度估计方法。
然后，在纬度未知的条件下对粗对准方法进行了介绍。首先在纬度未知的条件下对
传统的粗对准方法进行了详细的推导，包括适用于静基座条件下的解析式粗对准方法、
适用于摇摆基座条件下的惯性系粗对准方法和适用于动基座条件下的外速度辅助惯性
系粗对准方法，仿真验证了传统的粗对准方法的性能。针对传统动基座粗对准方法对准
结果不稳定的问题，本文提出了一种基于奇异值分解的动基座粗对准方法，在使用多矢
量定姿的条件下将纬度估计和粗对准同时进行，通过仿真和实验验证了本文所提出的粗
对准方法的性能。
最后，在纬度未知的条件下，设计了一种基于UKF的精对准方法，首先通过速度
微分方程和欧拉角微分方程推导了直接法精对准的系统模型和量测模型，对模型进行了
详细的分析，实验验证了该精对准算法的性能。但是使用欧拉角进行建模时，会产生奇
/
异性的问题，通过正反欧拉角微分方程建立两组不同的系统方程并实时进行切换避免
/
了奇异性的问题，通过轨迹发生器验证了使用正反欧拉角切换可以避免系统的奇异性。
关键词：捷联惯性导航系统；初始对准；纬度未知；矢量定姿；无迹卡尔曼滤波
纬度未知条件下捷联惯导系统动基座初始对准方法研究
ABSTRACT
StrapdownInertialNavigationSystem(SINS)hadtoconductinitialalignmenttoobtain
initialattitudeinformationbeforeitentereditswork.Thetimingandaccuracyoftheinitial
alignmentdirectlydeterminethestartuptimeandaccuracyofSINSattitudemeasurement.
Initialalignmentcanbedividedintotwostages:coarsealignmentandfinealign