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。

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捷联惯导（ Strapdown Inertial Navigation System, SINS）是一种现代导航技术，它将惯性测量单元（IMU）直接安装在飞行器或车辆上，连续地提供位置、速度和姿态信息。严恭敏老师的MATLAB仿真程序旨在帮助学习者深入理解捷联惯导算法和组合导航原理。下面，我们将详细探讨相关知识点。 一、捷联惯导系统的基本原理 1. 惯性测量单元（IMU）：IMU包含加速度计和陀螺仪，用于测量物体的加速度和角速度。加速度计检测物体线性加速度，陀螺仪测量物体的旋转速率。 2. 基于牛顿第二定律和欧拉运动方程：通过IMU的数据，可以推算出物体的位置、速度和姿态变化。 二、捷联惯导算法 1. 数据融合：由于IMU存在误差，需要采用数据融合算法，如卡尔曼滤波，来校正和融合不同传感器的数据，提高导航精度。 2. 无漂移算法：包括零速度更新（ZUPT）、重力辅助更新等，用于减小加速度计的漂移误差。 3. 姿态解算：利用陀螺仪数据进行姿态更新，常见的有四元数法、欧拉角法等。 三、MATLAB仿真的重要性 1. 理论验证：通过MATLAB仿真，可以直观验证捷联惯导算法的正确性，理解其工作过程。 2. 参数敏感性分析：可以研究不同参数对系统性能的影响，优化算法设计。 3. 故障模拟：仿真可以帮助我们预估和处理传感器故障情况，提高系统的鲁棒性。 四、组合导航原理 1. 组合导航：结合多种导航系统（如GPS、磁罗盘、星光导航等），实现优势互补，提高整体导航性能。 2. 误差模型：理解和建立各种传感器的误差模型是组合导航的关键，这包括随机噪声、系统偏差等。 3. 信息融合：使用信息融合技术（如扩展卡尔曼滤波EKF）将不同传感器的数据有效结合。 五、MATLAB仿真程序的结构 严恭敏老师的MATLAB程序可能包含了以下模块： 1. 数据采集模块：模拟IMU输出，包含加速度和角速度信号。 2. 导航解算模块：执行惯性导航计算，包括位置、速度和姿态更新。 3. 数据融合模块：实现卡尔曼滤波或其他滤波算法，对传感器数据进行平滑处理。 4. 误差分析模块：评估和展示导航误差，分析系统性能。 5. 可视化模块：将仿真结果以图形方式展示，便于理解和分析。 通过这样的MATLAB仿真，学习者可以深入探究捷联惯导系统的动态行为，掌握核心算法，并提升在实际工程应用中的问题解决能力。同时，这个仿真环境也为教学和研究提供了宝贵的实践平台。

哈尔滨工业大学 自动化专业课件 根据邓正隆 《惯性技术》编写

本手册主要介绍GPS卫星导航的基本原理，通过代码实现，便于读者基础性的学习GPS知识。

全书共分为十章。前三章介绍了全球定位系统（GPS）的发展概况、系统的构成、导航定位的时空参照系以及GPS卫星的运动学参数；第四章简介了GPS卫星的广播信号；第五、六、七章比较详细地分析了GPS导航定位的观测方程和静、动态定位原理；第八章给出了GPS载体速度和姿态测量的方法；第九章着重阐述了利用卡尔曼滤波对GPS和INS进行组合的方法和几个典型方案，GPS/INS组合导航系统是目前在国防领域实现导航定位的较理想的系统；第十章介绍了GPS技术在一些比较重要的领域的应用知识。

该课程详细描述卡尔曼滤波所要解决的问题，并作为西工大考博的参考书！

以光衢著作，是惯性导航的经典数籍，概述类各类导航、惯性平台的组成、平台式惯性导航、捷联式导航、以及导航的误差分析及初始对准、以及滤波技术、组合导航等

导航原理：第3讲-惯性导航基础概念1.pptx