捷联惯导系统静基座初始对准精度分析及仿真1
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2022-08-03
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捷联惯导系统静基座初始对准精度分析及仿真
严恭敏，秦永元
（西北工业大学自动化学院，陕西 西安 ,&"",!）
摘要：在利用卡尔曼滤波器对捷联惯导系统（-./-）进行静基座初始对准中，由于系统的不完全可观测性，使得有些状态没
有滤波效果，有些状态的估计精度受到限制。对 -./- 静基座初始对准卡尔曼滤波方程进行了可观测性分析，提出了状态降
阶的处理方法，并得到了各状态估计的极限精度公式。最后进行了软件仿真，仿真结果表明：降阶滤波器和全降阶滤波器的
估计精度基本相同，但是前者计算量更小，并且在滤波计算中能够消除不可观测状态的不利影响。
关键词：捷联惯导系统；初始对准；卡尔曼滤波；可观测性；仿真
中图分类号：0!*%1 (’ ’ 文献标识码：2
Initial Alignment Accuracy Analysis and Simulation
of Strapdown Inertial Navigation System on a Stationary Base
32/ 4567 $ 896，:./ 3567 $ ;<=6
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ABSTRACT：.6 BF? @A5J?HH 5C 969B9=E =E9768?6B C5A =6 96?AB9=E 6=L97=B956 H;HB?8（-./-）56 = HB=B956=A; O=H? L9=
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@=@?A，BF? 5OH?AL=O9E9B; C5A BF? 969B9=E =E9768?6B ?S<=B956H 5C -./- 56 = HB=B956=A; O=H? 9H =6=E;T?R，=6R BF?
A?R<J?R $ 5AR?A P=E8=6 C9EB?A 9H ?HB=OE9HF?R G9BF ?=JF HB=B? ?HB98=B967 =JJ<A=J; E989B=B956 @A5@5H?R1 -98<E=B956
A?H<EBH HF5G BF=B BF? A?R<J?R $ 5AR?A P=E8=6 C9EB?A F=H BF? H58? =JJ<A=J; =H BF? BA=R9B956=E C<EE $ 5AR?A ?HB=8=B956
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HB=B?H1
KEYWORDS： -BA=@R5G6 96?AB9=E 6=L97=B956 H;HB?8 （-./-）； .69B9=E =E9768?6B； P=E8=6 C9EB?A967；
UOH?AL=O9E9B;；-98<E=B956
1 引言
捷联惯导系统（-./-）初始对准的目的是为了获得载体
坐标系相对于导航坐标系的坐标变换矩阵，即姿态矩阵，对
准精度将直接影响着惯导系统的导航精度。准确性和快速性
是初始对准的两个重要指标。
-./- 静基座初始对准通常可分
为粗对准和精对准两个阶段。在粗对准阶段，利用地球自转
角速度和重力加速度作为参考量，通过惯性器件的测量输出
建立粗略的导航计算坐标系；在精对准阶段，假设导航计算
坐标系和真实导航坐标系间的失准角误差为小角度误差矢
量，建立失准角误差模型，利用加速度计的输出，通过卡尔曼
滤波估计出失准角，从而获得准确的姿态矩阵。
在
-./- 静基座初始对准卡尔曼滤波器中，水平加速度
计常值零偏和东向陀螺常值漂移是不可观测的，因而它们没
有滤波效果，同时也使得姿态角误差、北向和天向陀螺常值
漂移的估计精度受到限制。本文对卡尔曼滤波方程可观测性
进行了分析，去除方程中不可观测的状态，提出了降阶初始
对准卡尔曼滤波方程，并对滤波器状态的估计精度进行了分
析。最后给出了软件仿真结构图和效果图，仿真结果表明：降
阶滤波器和全降阶滤波器的估计精度基本相同，但是前者计
算量更小，并且能够消除不可观测状态对滤波器的不利影
响。
2 SINS 静基座初始对准模型
首先给出一些文中用到的坐标系的定义：地心惯性坐标
系记为 ! 系；地球坐标系记为 " 系；选取东 # 北 # 天（V/K）地
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