基于角速率和速度增量的捷聯慣性導航算法研究

王偉鵬 楊 博 李 方

1．北京航空航天大學宇航學院，北京 1001912.空軍工程大學工程學院，西安 710038

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基于角速率和速度增量的捷聯慣性導航算法研究

王偉鵬1楊 博1李 方2

1．北京航空航天大學宇航學院，北京 1001912.空軍工程大學工程學院，西安 710038

捷聯慣性導航算法一般是基于慣性器件輸出為角速率、比力或角增量、速度增量進行設計的，不能直接應用于陀螺輸出為角速率、加速度計輸出為速度增量的捷聯慣性導航系統。為了解決此問題和滿足精度要求，重新設計了一套捷聯慣性導航算法：姿態更新算法采用了經典的四階龍格-庫塔法，推導出了一種新的速度更新算法，該算法可以有效補償速度計算中的劃槳效應誤差。仿真結果表明，該種速度更新算法仿真速度快、精度高，具有一定的工程實用價值。

角速率；速度增量；四階龍格-庫塔法；劃槳效應

捷聯慣性導航系統(Strap-down Inertial Navigation System，簡稱SINS)廣泛應用在飛機、艦船、坦克、導彈等海、陸、空、天慣性導航與制導領域。為了提高系統的精度，滿足各種載體的導航與制導要求，出現了很多捷聯算法研究[1-6]。

由于陀螺儀輸出有角速率和角增量兩種方式，如微機械陀螺輸出為角速率或角增量方式、激光陀螺輸出為角增量方式、光纖陀螺輸出為角速率方式等；加速度計輸出有比力和速度增量兩種方式。因此，SINS的解算有以下組合方式[7]： 1)角速率和比力； 2)角增量和速度增量； 3)角增量和比力； 4)角速率和速度增量。在實際慣性導航系統中，因工作環境、技術指標及成本等方面的限制，需要選擇不同等級的慣性器件，使得常規的角速率與比力、角增量與速度增量輸出方式為主的SINS導航算法不能滿足實際系統的設計需求。因此，有必要研究其它不同輸出方式的SINS算法，以適應慣性器件多元化的發展[7]。對于慣性器件輸出為角速率和速度增量組合方式的SINS算法，目前尚未有文獻對其報道，若通過角速率提取角增量后再利用基于增量信號SINS算法解算會帶來較大誤差。本文針對這種組合方式的SINS算法進行了速度補償算法方面的研究，鑒于角速率信號能直接連續得到，本文從算法精度和計算量方面綜合考慮，選用四階龍格-庫塔法[8]進行姿態更新，詳細推導出了一種新型速度更新算法，該算法可以補償速度解算中的劃槳效應[9]，并進行了仿真驗證，為后續工程化實現提供了一定的理論依據。

1 新型SINS算法

設i為慣性坐標系，e為地球固聯坐標系，n為導航坐標系(文中取東北天地理坐標系)，b為載體坐標系，T為系統采樣周期。

1.1 姿態更新

通常姿態更新算法有龍格-庫塔法(Range-Kutta)和旋轉矢量法[5]。龍格-庫塔法直接利用角速率計算載體的姿態四元數；旋轉矢量法先利用角增量計算旋轉矢量, 再通過旋轉矢量計算載體的姿態四元數。因此，對陀螺儀以角速率方式輸出的指北方位捷聯慣導系統，姿態更新算法采用龍格-庫塔法計算載體的姿態四元數較為合理。

設q為四元數，則四元數微分方程為[7]

(1)

(2)

1.2 速度更新和補償

取地理坐標系為導航坐標系，速度方程[9-10]為

(3)

在[tk,tk+1]對上式進行積分，得tk+1時刻載體在導航坐標系內的速度為

(4)

(5)

(6)

式中，Δθ(t)為角增量，ΔV(t)為速度增量，ΔVrotk為速度的旋轉效應補償項，該項由運動載體的線運動方向在空間旋轉引起；ΔVsculk為速度的劃槳效應補償項，該項由運動載體沿縱軸作線振動和沿橫軸作同頻同相的角振動引起。對于以角速率和速度增量的方式為輸入的捷聯慣導系統，速度計算時必須考慮旋轉效應和劃槳效應補償項，則不能直接應用式(6)，需重新推導速度的劃槳效應補償項。

(7)

其中，擬合系數分別為a，b，c，A，B，C。

在t∈[tk,tk+1]內，對(7)式積分則

(8)

(9)

在ΔT，2ΔT和3ΔT3個時間段內，速度增量的三子樣采樣值分別為

=AΔT+3BΔT2+7CΔT3

=AΔT+5BΔT2+19CΔT3

(10)

聯立式(9)和(10)，求解得擬合系數

(11)

將式(7)和(8)分別代入(6)式計算得

(12)

(13)

式中ωk(1)、ωk(2)和ωk(3)分別為tk+ΔT、tk+2ΔT和tk+13時刻的角速率采樣值；Vk(1)、Vk(2)和Vk(3)分別為[tk,tk+1]內速度增量的3個等間隔采樣值。

2 仿真驗證

整個系統仿真分為兩步進行，首先設計軌跡發生器[11]模擬出一條載體的航跡，除了輸出載體的姿態、速度和位置等導航參數，還要輸出陀螺儀和加速度計的采樣值，作為SINS系統解算的輸入值。然后以陀螺的角速率、加速度計的速度增量作為仿真輸入，將系統仿真的結果和模擬出的載體航跡相比較，檢驗算法的正確性和補償效果。

假設載體初始位置為北緯34°14.763′，東經108°54.579′，高度380m，初始速度為0，初始俯仰角為90°，航向角、橫滾角為隨機角度。在1500s的仿真時間內，前126s為上升階段，第126s～129s為退出爬升、改平階段，第129s～900s為勻速直線平飛階段(巡航段)，巡航段飛行速度(沿縱向)為4.0Ma。

姿態誤差、速度誤差仿真結果分別如圖1和圖2所示。從仿真結果中可以看出，在導航飛行全過程中由于算法導致的姿態誤差在0.001角分量級，速度誤差在0.01m/s量級。

圖1 姿態誤差

圖2 速度誤差

3 結論

本文提出了一種慣性器件輸出以角速率和速度增量為組合方式的SINS算法，采用經典的四階龍格-庫塔法進行姿態更新，并推導出了一種新的速度更新算法，有效補償速度計算中的劃槳效應誤差項。完成了對捷聯慣導系統的數字全仿真，從軌跡發生器、捷聯解算等方面很好的模擬了捷聯慣導系統的工作過程。

仿真結果表明, 文中采用的導航算法可行，具有較好的精度，滿足實際系統的要求。

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The New Algorithm for Strap-down Inertial Navigation System

WANG Weipeng1YANG Bo1LI Fang2

1.School of Astronautics,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China2.Engineering College,Air Force Engineering University,Xi’an 710038,China

Theangularrate,specificforceorangularincrementandvelocityincrementareoftenusedinthealgorithmsofstrap-downinertialsystem.Thealgorithmcannotbeappliedtostrap-downinertialsystemwhoseoutputsignalsareangularrateandvelocityincrement.Inordertosolvetheproblemandmeetprecisionrequirements,asetofnewnavigationalgorithmsaredeveloped.Thefour-orderRange-Kuttamethodisadoptedinattitudeupdate.Anewvelocityupdatealgorithmisdeducedwhichcancompensatescullingeffect.Theobtainedsimulationresultsshowtheeffectivenessofthisapproach.

Angularvelocity;Velocityincrement;Four-orderRange-Kuttamethod;Scullingeffect

2011-12-01

王偉鵬(1982-)，男，山西汾陽人，碩士研究生，主要研究方向為導航制導與控制；楊 博(1963-)，女，北京人，副教授，主要研究方向為導航制導與控制；李 方(1982-)，男，西安人，講師，主要研究方向為武器系統和制導控制。

V324.2+3

A

1006-3242(2012)03-0003-04