捷联惯导算法与组合导航原理讲义.doc

捷联惯性导航系统（SINS）是一种不依赖外部信息、可独立运行的导航系统。它通过加速度计和陀螺仪等惯性传感器测量载体的运动状态，并利用一系列算法计算出载体的位置、速度和姿态信息。组合导航是将SINS与其他导航系统（如全球定位系统GPS、天文导航等）组合起来，利用各自的优势，提高导航精度和可靠性。 捷联惯导算法是实现SINS的核心，包括姿态算法、更新算法和误差分析等。姿态算法主要涉及姿态更新的数学模型，通常采用四元数表示法来解决三维空间中姿态更新的非奇异性和计算量问题。姿态更新算法会利用陀螺仪的角速度信息，通过数学变换和积分，实现对载体姿态的实时计算。更新算法还包括速度和位置的更新，通常通过加速度计测量值的积分来实现速度更新，再通过速度与时间的积分来计算位置信息。 捷联惯导系统中的误差来源多样，包括传感器误差、安装误差、温度变化引起的误差等。误差分析是为了了解这些误差对导航精度的具体影响，进而采取相应的补偿措施。例如，误差方程会考虑载体动力学模型和传感器特性，利用数学方法建立误差模型，通过分析误差模型，找到误差的来源，并进行误差补偿。 卡尔曼滤波是一种有效的动态系统状态估计方法，它在SINS中有广泛应用。卡尔曼滤波原理是基于系统模型和观测模型，通过递推最小二乘法，对系统的状态进行最优估计。卡尔曼滤波方程是处理不确定系统状态估计问题的数学模型，包括状态更新和误差协方差的更新两个步骤。连续时间随机系统的离散化和连续时间卡尔曼滤波的应用，让卡尔曼滤波能够处理更广泛的动态系统模型。此外，卡尔曼滤波的变种算法，如遗忘滤波、平方根滤波、自适应滤波等，都是为了提高滤波在特定情况下的性能。 初始对准是SINS导航前必须进行的一个步骤，目的是确保导航系统启动时姿态角的准确性。初始对准方法包括矢量定姿、解析粗对准和间接粗对准等。矢量定姿原理是基于已知方向的参考矢量来确定载体的初始姿态。解析粗对准方法利用数学模型解析计算姿态角，而间接粗对准方法则通过间接测量或观测来获取姿态信息。精对准是在粗对准基础上的进一步精确化，要求更高的精度。 组合导航技术的发展，使得SINS可以与多种其他导航系统结合，以弥补单一系统在精度、成本、可用性等方面的局限。惯性/卫星组合导航可以利用卫星提供的精确位置和时间信息，进行误差补偿，提升系统性能。车载惯性/里程仪组合导航是一种成本较低的导航解决方案，通过里程仪测量车辆行驶的距离，与惯性传感器数据相结合，进行航位推算。低成本姿态航向参考系统（AHRS）通常用于消费电子领域，通过对地磁场的测量，实现对载体姿态的估计。 由于惯性技术的广泛应用，相关的研究和开发队伍不断壮大，促使惯性技术不断进步。高校学生、爱好者和工程技术人员都对加入惯性技术的研发表现出浓厚的兴趣。严恭敏和翁浚编著的这本讲义，为读者提供了一个系统而深入的理解捷联惯导算法和组合导航原理的机会，并能够将这些基本算法应用于实际问题解决中。