主动雷达导引头速度信息辅助捷联惯导的组合系统性能分析

弹载有源相控阵雷达的应用

相控阵雷达又被称为相位控制阵列，是通过改变雷达波相位来改变雷达波束方向，也被称为电扫雷达。相控阵雷达目前分为整体馈源的无源相控阵，和子阵带独立馈源的有源相控阵。有源相控阵被通称为AESA ，也是电扫相控阵雷达技术的高端产品。相控阵的优点是可以取消机械方向指向机构，波束依靠电控偏转的指向灵活，无惯性，数据更新速率快，适合与数字式信号处理系统综合，还具有功能转换速度快，可靠性高和抗干扰能力强的优点，但也存在工艺技术难度比较大，阵面成本较高的弱点。AESA 现在已经成为机载雷达应用的尖端技术，弹载AESA 的很多技术也已经接近或达到实用标准，美国、日本、俄罗斯和西欧国家均已开始具体应用项 目的研究。中国作为军用航空电子技术的后起之秀，也逐步具备了第二梯队的技术实力。 主动雷达导引头的技术特征 主动雷达是第四代雷达制导空空导 弹的代表特征，是现代战术导弹雷达导引头的主流，也是实现复合制导和全向搜索功能的技术基础。现有采用主动雷达导引头的战术导弹，导引头大都是由天线、机械位标器和发射机组成，雷达天线依靠机械位标器运动实现扇面扫描。 常规机扫雷达的技术成熟，重量轻，成本较低，机械扫描的工作角度范围大， 弹体轴线大偏角扫描的距离衰减率也较低。机械扫描的优点不少，但机扫天线 需要结构复杂的方向和滚转稳定装置，天线运动时还要克服惯性的影响。同时，雷达罩内必须留出够天线自由转动的半球形空间，致使雷达罩的尺寸和外形都受到限制，无法根据气动要求进行最优化处理。雷达天线机械扫描的覆盖范围大，天线阵面不透波的技术特点，也限制了不同导引方式的集成。现有采用复合制导技术的雷达制导战术导弹，大都将雷达作为主要导引措施，红外制导则大都安装在弹体侧面以避开雷达天线 （如“标准”Ⅱ和“雄风”Ⅱ），或采用缩小 天线/光学窗口尺寸的方式，将两种导引头集中安装在弹头的不同位置，结果就是要么限制辅助导引系统的工作视场，要么影响导引系统的可用窗口面积，最终都要限制复合制导技术的综合效果。 相控阵天线的技术特点 AESA 天线的优点是采用集中式收/ 发机模块，天线阵面可以集成大量功能单元体，功率密度比平板缝隙天线要高得多，并可依据电扫描方式实现较大的天线尺寸。如果用通俗的对比描述雷达的原理，可以用电筒作为例子。 常规的平板缝隙雷达类似于用灯泡的普通电筒，灯泡就等同于雷达的馈源。灯泡发出的光通过反射镜头（波导 管）反射，由点形成面后产生等镜头的光束前向照射，照射的光（雷达波）是集中的光/波束。普通的平板缝隙雷达天线是这样，无源相控阵则是采用背光板的方式，把集中的能源分配给排列成阵的无源反射体。有源相控阵雷达则类似平板背板上密集安装着LED 灯的电筒，每个灯都有独立的光源和反射体，密集排列的点光源共同组成等镜头的照射波束。通过类比描述的过程，现有的雷达系统，无论是平板缝隙还是相控阵，形成的雷达波束都是集中的，相控阵虽可利用不同的单元形成多个照射波束，但波束分解后单独波束的功率是降低的，探测距离显然无法和集中波束相比。相控阵天线阵组件的数量取决于波长和天线面积，单独T/R 模块的功率则由材料决定。现有相控阵天线T/R 组件大都采用传统的GaAs （砷化镓），该材料技术和生产工艺相对比较成熟，应用广泛，综合性能还有提高的潜力，近年来已找到更适合的新材料。弹载雷达的T/R 组件如果采用GaN （氮化镓）和SiC （碳化硅）替代目前的GaAs ，T/R 组件可输出的功率理论上能提高近10倍（甚至超过10倍），雷达的探测和稳定跟踪距离都将有很大的提高。 材料的改进可以获取很大的性能收益，但对空间和能源供应条件不好的弹载雷达，高性能材料往往还要受其它因素限制。同时，雷达性能的改善程度往 弹载有源相控阵雷达的应用 文/中秋 ◎日本AAM-4B 空空导弹，由于采用的主动相控阵雷达比较耗电，导弹需要增加燃料而导致体积重量加大 Ordnance Knowledge 54 往无法与材料单纯的性能平衡。按照正常的技术原理计算的结果，AESA 的功率与探测距离的变化并不等同。用现有AESA 天线技术作为依据，雷达天线辐射的总功率增加10倍后，集中波束的探测距离只能增加0.87倍。正是考虑到地球曲面和远距离角测量精度的影响，机载雷达的功率与搜索距离之间必须找到最佳平衡点。增大搜索距离对作战平台有价值，但付出的电源和冷却代价，却限制了相控阵雷达增加功率的实用条件，工作环境更恶劣的弹载雷达面对的困难显然要比机载雷达更大。相控阵主动雷达导引头的发展常规雷达需要进行方向和俯仰扫描，这就要给雷达天线提供机械扫描的驱动装置，盘形天线的两轴运动会形成一个半球形空间。如果将雷达用于高速运动的飞行器，就需要为天线提供一个低阻力的空腔透波结构。飞机的雷达天线罩和导弹的导引头舱，都采用了低阻力的尖顶或卵形回转体外形。雷达罩的截面积要明显大于包容的天线面积，前向收缩的曲面也要受天线旋转的球面限制。如果用飞机作为例子去对比，追求雷达全向扫描的战术飞机大都采用轴对称外形的雷达，专用的对地攻击飞机（如图-22M 和F-111）不需要雷达有大的上视扫描范围，雷达罩上方可采用接近平面的非对称外形。现有战术导弹雷达导引头大都采用单脉冲体制，现役先进空空导弹的雷达导引头基本都采用了平板缝隙天线，下一代或现役改进型则会选择AESA 天线。相控阵雷达用固定阵面就能实现高于±45度的扫描范围，这就有条件通过对固态天线阵面的设计，省下机械扫描装置和天线活动的空间，更好的利用导弹全弹径的截面积，使雷达天线形状尽可能与气动外形相适应。现有导弹雷达制导天线大都是轴对称的正圆形，这是为了适应弹体的结构和简化气动控制，也是为满足导弹大过载俯仰和滚转时雷达天线的稳定要求。如果实现固定阵面的全电扫，雷达天线将成为弹体结构的一部分，这就能依据导弹的特点和控制要求，采用扁圆甚至碟形截面的升力弹体，实现中、远距导弹小/无翼的高升力气动布局，为导弹选择低阻力和低信号特征的异形天线罩，最◎主动相控阵雷达T/R 组件数量，“阵风”的RBE-2雷达（左）约840个，“台风”的Captor-E 雷达（右）接近1500个，但雷达性能并非简单由此决定 ◎F-111（左）和图-22M （右）不需要雷达有大的上视扫描范围，雷达罩上方可采用接近平面的非对称外形 兵器知识2016年2期 55

捷联惯导系统粗对准方法比较

捷联惯导系统粗对准方法比较 魏春岭 张洪钺 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院 北京 100083 摘 要 通过误差分析对三种捷联惯导系统解析粗对准方法进行了比较。指出在 相同的传感器精度条件下,利用正交向量计算捷联矩阵比传统方法有更高的对准 精度,直接计算法不仅精度高,而且计算简单,更适合工程应用。 主题词 捷联惯导系统 解析粗对准 Comparison of Analytic Coarse Alignment Methods Wei Chunling Zhang Hongyue Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing100083 Abstract Three analytic coarse alignment methods to strapdo wn inertial navigation system are com pared via error analysis.The later two are superior to the traditional one because their east level dri f t misalignment angles are not corrupted b y gyro uncertainty.Due to its high ac- curacy and com putation e ff iciency,the direct method is more suitable for practical applica- tions. Subject terms Strapdown inertial navigation systems Analytic coarse alignment 作为一种航迹推算系统,惯性导航系统对初始解算条件有较高要求,初始对准误差会直接影响导航的精度。对于捷联式惯性导航系统,初始对准的目的就是要确定捷联矩阵C n b。解析粗对准就是利用加速度计和陀螺仪对重力加速度和地球自转角速度的测量值估算C n b,为精对准提供初始条件,因此选择算法简单、精度更高的粗对准方法有其实际意义。本文通过误差分析与计算机仿真比较了三种解析粗对准方法,指出直接计算法更适合工程应用。 1 解析粗对准方法 假定当地纬度 已知,地理系采用东北天坐标系,则重力加速度g和地球自转角速度 收稿日期 1999年12月 16

相控阵雷达导引头动力学特性对隔离度的影响

相控阵雷达导引头动力学特性对隔离度的影响 制导系统的核心任务之一是获取基于惯性空间下的制导信息，但是弹体扰动若耦合进入制导信息中，将造成对目标的测量误差，因此导引头在工作中需要隔离弹体的运动。以往隔离度的研究不考虑相控阵导引头各环节的动力学特性，而相控阵雷达导引头波控系统动力学与角速率陀螺动力学的不一致也是造成全捷联相控阵导引头隔离度的重要原因，故而文章在考虑了相控阵雷达导引头动力学的基础上，分析各环节性能对隔离度的影响，并通过仿真加以验证。 标签：全捷联；相控阵雷达导引头；隔离度；动力学特性 1 概述 全捷联导引头的不完全解耦是产生隔离度问题的根本原因[1]。国内外对导引头不完全解耦的分析只停留在导引头测角系统与角速率陀螺刻度尺误差方面，并没有深入考虑测角系统与角速率陀螺动力学特性对隔离度的影响。文章就以全捷联相控阵雷达导引头为研究对象，针对导引头测角系统与角速率陀螺的动力学特性对导引头隔离度的影响进行分析。 在图1的角度关系中，理想情况下，？着=0，也就是波束轴完全跟踪目标，即得到？兹B=？兹。当弹体存在角运动时，由导引头量测信息得到波束轴相对弹体轴的角速度，理论上将此与角速率陀螺测量得到的相加就可实现弹体角运动的解耦，从而得到基于惯性空间的弹目视线角速度为[2]： 其中，因为导引头测得的视线角速度信息是波束轴相对于弹体轴的角速，此时可以认为弹体的姿态摆动已经完全耦合到探测器输出中，包含于探测器输出？兹的微分中，只有角速率陀螺测量的弹体摆动角速度与探测器输出微分中的弹体摆动角速度分量完全一样时，才能实现对弹体扰动的完全解耦。当两者测量的弹体摆动角速度不一致时，就产生了视线角速度的偏差[3]～[7]。 2 相控阵雷达导引头各环节动力学特性的 2.1 测角系统动力学 考虑相控阵雷达导引头测角系统波束宽度、测角周期、计算延时、失调角量化特性、测量噪声及零位等因素建立相控阵雷达导引头测角系统的功能模型[8]～[12]，如图2所示。 图2中，？着为失调角真值；？着max为半波束宽度；T为失调角测量周期；？子为失调角计算延时；K为失调角测量刻度因子；？驻？着为导引头失调角测量量化单位；？着0为失调角测量系统误差；？着n为失调角测量随机噪声。 2.2 波束控制器动力学

第六章 捷联惯导

第六章捷联惯导

6-1捷联惯导的原理?捷联惯导系统概述 ?捷联惯性技术的发展过程 ?捷联惯导系统与平台惯导系统的对比 ?捷联惯导系统的基本力学编排方程?捷联惯导系统的算法概述 ?捷联惯导系统原理框图的说明 ?姿态方程的解算 （1）姿态和航向角的计算 （2）姿态矩阵的微分方程 （3）四元数的运动学微分方程 （4）等效旋转矢量法及其微分方程 （5）位移角速率方程 （6）速度方程

?导航位置方程 （1）游动方位系与地球系之间的方向余弦矩阵 （2）载体位置计算 （3）方向余弦矩阵计算 ?垂直通道阻尼 ?捷联惯性器件的余度技术?单自由度陀螺仪的配置方案 （1）四陀螺仪配置方案 （2）六陀螺仪系统 ?二自由度陀螺仪的配置方案

?捷联惯导的数值计算方法?数值积分法 （1）欧拉法 （2）四阶龙格－库塔法 ?角速率信息的提取

“ 捷联（Strapdown）”这一术语的英文原义就是“捆绑”的意思。因此，所谓捷联惯性系统也就是将惯性敏感元件（陀螺与加速度计）直接“捆绑”在载体上，从而完成制导和导航任务的系统。 V-2导弹 “阿波罗-13”宇宙飞船 “海盗”火星降落器

从捷联技术的发展过程中我们已经看到捷联系统的优越性已越来越突出的显示出来，并在许多方面已日渐代替平台系统。为什么会出现这种情况呢？为了回答这一问题，这里从生产与使用的角度将捷联系统与平台系统做一对比。 （1）硬件和软件的复杂程度 由于捷联系统没有平台框架及相连的伺服装置，因而简化了硬件；代价是增加了计算机的负担，需要一个比较复杂的实时程序。 （2）可靠性 捷联系统的可靠性要比平台系统高，其原因是它的机械构件少，加之容易采用多敏感元件配置，实现余度技术。 （3）成本与可维护性 由于平台系统在机械结构上要复杂得多，而对于捷联系统只是算法复杂些，因而从制造成本上看捷联系统的成本要比平台系统低。从市场供应的情况来看，数字计算机的价格一直在下降，而平台系统的价格一直在上升。 此外，捷联系统比平台系统具有较长的平均故障间隔时间，加之模块设计简化了维修，从而捷联系统的可维护性比平台系统大为提高了。

相控阵导引头微带天线阵设计及单元功率容量计算概要

第30卷第6期 2010年12月 弹箭与制导学报 J o u r n a l o f P r o j e c t i l e s,R o c k e t s,M i s s i l e s a n d G u i d a n c e V o l.30N o.6 D e c2010 相控阵导引头微带天线阵设计及单元功率容量计算* 郝媛,潘英锋,唐志凯 (空军雷达学院,武汉430019 摘要:文中重点研究了微带天线的功率容量能否满足相控阵导引头的要求。首先,根据课题需要进行了相 控阵导引头天线阵的总体设计;然后,根据典型参数和需要的探测距离,计算出导引头天线阵中每个单元的发 射功率;接着,对矩形微带天线的功率容量进行了研究,并给出了矩形微带天线功率容量随关键参数变化的曲 线,该曲线对于矩形微带天线的设计具有参考价值,研究结果表明微带天线的功率容量可以满足相控阵导引 头的应用要求。

关键词:相控阵;导引头;相控阵导引头;功率容量 中图分类号:T J765.3文献标志码:A A r r a y D e s i g n a n d E l e m e n t’s P o w e r C a p a c i t y C a l c u l a t i o n f o r H o m i n g S e e k e r’s M i c r o s t r i p A n t e n n a A r r a y HA O Y u a n,P A N Y i n g f e n g,T A N G Z h i k a i (A i r F o r c e R a d a r A c a d e m y,W u h a n430019,C h i n a A b s t r a c t:W h e t h e r m i c r o s t r i p a n t e n n a’s p o w e r c a p a c i t y c a n m e e t p h a s e d a r r a y h o m i n g s e e k e r’s r e q u i r e m e n t w a s s t u d i e d.F i r s t l y, a n t e n n a a r r a y u s e d b y p h a s e d a r r a y h o m i n g s e e k e r w a s s y s t e m a t i c a l l y d e s i g n e d,t h e n t r a n s m i t t i n g p o w e r o f e a c h u n i t o f s e e k e r’s a n t e n n a a r r a y w a s c a l c u l a t e d a c c o r d i n g t o t y p i c a l p a r a m e t e r s a n d t h e r e q u i r e d d e t e c t i o n r a n g e;A f t e r t h a t t h e p o w e r c a p a c i t y o f r e c-t a n g u l a r m i c r o s t r i p a n t e n n a w a s s t u d i e d a n d t h e c u r v e o f c a p a c i t y c h a n g e w i t h k e y p a r a m e t e r c h a n g e w a s g i v e n,w h i c h i s h e l p f u l f o r d e s i g n o f r e c t a n g u l a r m i c r o s t r i p a n t e n n a.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t m i c r o s t r i p a n t e n n a’s p o w e r c a p a c i t y c a n m e e t t h e n e e d o f p h a s e d a r r a y s e e k e r. K e y w o r d s:p h a s e d a r r a y;s e e k e r;p h a s e d-a r r a y s e e k e r;p o w e r c a p a c i t y 0引言

捷联式惯性导航系统

1 绪论 随着计算机和微电子技术的迅猛发展，利用计算机的强大解算和控制功能代替机电稳定系统成为可能。于是，一种新型惯导系统--捷联惯导系统从20世纪60年代初开始发展起来，尤其在1969年，捷联惯导系统作为"阿波罗"-13号登月飞船的应急备份装置，在其服务舱发生爆炸时将飞船成功地引导到返回地球的轨道上时起到了决定性作用，成为捷联式惯导系统发展中的一个里程碑。 捷联式惯性导航(strap-down inertial navigation)，捷联（strap-down）的英语原义是“捆绑”的意思。因此捷联式惯性导航也就是将惯性测量元件（陀螺仪和加速度计）直接装在飞行器、舰艇、导弹等需要诸如姿态、速度、航向等导航信息的主体上，用计算机把测量信号变换为导航参数的一种导航技术。现代电子计算机技术的迅速发展为捷联式惯性导航系统创造了条件。惯性导航系统是利用惯性敏感器、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式航位推算导航系统。在工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰破坏。它完全是依靠载体自身设备独立自主地进行导航，它与外界不发生任何光、声、磁、电的联系，从而实现了与外界条件隔绝的假想的“封闭”空间内实现精确导航。所以它具有隐蔽性好，工作不受气象条件和人为的外界干扰等一系列的优点，这些优点使得惯性导航在航天、航空、航海和测量上都得到了广泛的运用[1] 1.1 捷联惯导系统工作原理及特点 惯导系统主要分为平台式惯导系统和捷联式惯导系统两大类。惯导系统（INS）是一种不依赖于任何外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统，具有隐蔽性好，可在空中、地面、水下等各种复杂环境下工作的特点。 捷联惯导系统（SINS）是在平台式惯导系统基础上发展而来的，它是一种无框架系统，由三个速率陀螺、三个线加速度计和微型计算机组成。平台式惯导系统和捷联式惯导系统的主要区别是：前者有实体的物理平台，陀螺和加速度计置于陀螺稳定的平台上，该平台跟踪导航坐标系，以实现速度和位置解算，姿态数据直接取自于平台的环架；后者的陀螺和加速度计直接固连在载体上作

捷联惯导Matlab程序

捷联惯导程序，依据加表和陀螺仪的输出数据来求解飞行器的姿态 clc; clear; format long; %设置数据精度为15位小数 Data=importdata('temp.txt'); % 导入实验所采集的数据，以矩阵形式赋给Data变量，temp.txt 必须与该M文件在同一个文件夹中 Px=Data(:,3); % Px,Py,Pz为陀螺仪的输出值 Py=Data(:,4); Pz=Data(:,5); Nx=Data(:,6); % Nx,Ny，Nz为加速度计的输出值 Ny=Data(:,7); Nz=Data(:,8); % 陀螺仪模型参数标定如下： Sx = -4.085903e-006 ; Sy = -4.085647e-006 ; Sz = -4.085170e-006 ; Mxy = 5.059527e-003 ; Mxz = -1.031103e-003 ; Myx = -3.355451e-003 ; Myz = 3.508468e-003 ; Mzx = -1.266671e-003 ; Mzy = -2.318244e-004 ; Dx = -2.009710e-006 ; Dy = 8.156346e-007 ; Dz = -5.749059e-007 ; GyroCali_A = [ 1 -Mxy -Mxz ; -Myx 1 -Myz ; -Mzx -Mzy 1 ]; % 加速度计模型参数标定如下： Kx = 9.272930e-004 ; Ky = 9.065544e-004 ; Kz = 9.443748e-004 ; Ixy = 6.533872e-003 ; Ixz = 9.565992e-004 ; Iyx = -6.319376e-003 ; Iyz = -6.902339e-004 ; Izx = -1.144549e-003 ; Izy = -3.857963e-004 ; Bx = -3.400847e-002 ; By = -8.916341e-003 ; Bz = -9.947414e-003 ; AccCali_A = [1 -Ixy -Ixz ; -Iyx 1 -Iyz ; -Izx -Izy 1 ]; Delta_t = 0.05; %采样时间为0.05秒 Delta_Theta_x = 0; Delta_Theta_y = 0; Delta_Theta_z = 0; %定义陀螺仪输出的角度增量 Delta_Vx = 0; Delta_Vy = 0; Delta_Vz = 0; %定义加速度计输出的速度增量 L = zeros(1,12001); L(1)= 45.7328*pi/180 ; %纬度用L表示，纬度的初始值划为弧度形式，因为后面计算位置矩阵更新 L(2)= 45.7328*pi/180 ; %时需要用到前两次的L值来计算当前L值，所以在此定义2个初始L值 Lamda = 126.6287*pi/180 ; %经度用Lamda表示，经度的初始值划为弧度形式

捷联惯导的解算程序

%====本程序为捷联惯导的解算程序(由惯性器件的输出解算出飞行器的位置、速度、姿态信息)====== clear all; close all; clc; deg_rad=pi/180; %由度转化成弧度 rad_deg=180/pi; %由弧度转化成度 %-------------------------------从源文件中读入数据 ---------------------------------- fid_read=fopen('IMUout.txt','r'); %path1_Den.dat 是由轨迹发生器产生的数据 [AllData NumofAllData]=fscanf(fid_read,'%g %g %g %g %g %g %g %g %g %g %g %g %g %g %g %g',[17 inf]); AllData=AllData'; NumofEachData=round(NumofAllData/17); Time=AllData(:,1); longitude=AllData(:,2); %经度单位：弧度 latitude=AllData(:,3); %纬度单位：弧度 High=AllData(:,4); %高度单位：米 Ve=-AllData(:,6); % 东向、北向、天向速度单位：米/妙 Vn=AllData(:,5); Vu=AllData(:,7); fb_x=AllData(:,9); %比力（fx，fy，fz） fb_y=AllData(:,8); %指向右机翼方向为x正方向，指向机头方向为y正向，z轴与x轴和y轴构成右手坐标系单位：米/秒2 fb_z=-AllData(:,10); %右前上 pitch=AllData(:,11); %俯仰角（向上为正）单位:弧度 head=-AllData(:,13); %偏航角（偏西为正） roll=AllData(:,12); %滚转角（向右为正） omigax=AllData(:,15); %陀螺输出（单位：弧度/秒，坐标轴的定义与比力的相同） omigay=AllData(:,14); omigaz=-AllData(:,16); %-------------------------------程序初始化 -------------------------------------- latitude0=latitude(1); longitude0=longitude(1); %初始位置

捷联惯导作业

一、原理分析： 捷联式惯导系统是将惯性器件（陀螺仪和加速度计）直接固连在载体上的系统。图1为捷联式惯导系统的原理图，陀螺仪和加速度计输出分别送入姿态矩阵计算和由载体坐标系至平台坐标系的方向余弦矩阵的计算。有了姿态矩阵，其一可以实现把载体坐标系轴向加速度信息变换到导航坐标系轴，进而可以进行所需的导航参数计算，其二利用姿态矩阵的元素，提取方位和姿态信息。 图1. 捷联式惯导系统的原理图 姿态速率微分方程为: 12b tb ωΛ=Λ (1) 其中； () b b b t t tb ib t ie et C ωωωω=-- (2) b ib ω为陀螺仪测量经补偿后的值；

0cos sin t iex t t ie iey ie t ie iez L L ωωωωωω?? ? ????? ??==???????????? ，为地球自转角速率； tan t ety t yt etx t t t etx et ety xt t etz t etx xt V R V R V L R ωωωω??-?? ? ???? ????? ??==?????????????????? ，为地理坐标系相对地球坐标系的转动角速率； 导航坐标系到载体坐标系的姿态矩阵为： cos cos sin sin sin sin cos cos sin sin cos sin sin cos cos cos sin cos sin sin sin cos sin sin cos sin cos cos cos t t C ψ?ψθ? ψ?ψθ? θ?ψθ ψθ θ ψ?ψθ? ψ?ψθ? θ?-+-?? ?? =-?? ??+-?? (3) 对应的四元素初值为: 0123cos cos cos sin sin sin 2 2 2 22 2 cos sin cos sin cos sin 2 2 2 2 2 2 cos cos sin sin sin cos 2 2 2 2 2 2 cos sin sin sin cos cos 2 2 2 2 2 2ψ θ ? ψ θ ? λψ θ ? ψθ ? λψ θ ? ψ θ ? λψ θ ? ψ θ ? λ? =-???=-???=+???=+? (4) 四元素姿态矩阵为： 22220123120313022 2 2 2 12030123 230122221302230101232() 2()2() 2()2() 2() b t C λλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλ?? +++++?? =--+-+????----+? ? (5) 将姿态速率微分方程展开成矩阵形式： 0112233001020b b b tbx tby tbx b b b tbx tbz tby b b b tby tbz tbx b b b tbz tby tbx λλωωωλλωωωωωωλλωωωλλ???? ??---??????-??????=??????-??????-???????????? (6)

车载捷联惯导系统基本原理

车载捷联惯导系统基本原理 一、捷联惯导系统基本原理 捷联惯导系统基本原理如图2-1所示： 图中陀螺和加速度计直接与载体系b固联，用来测量载体的角运动信息和线运动信息。导航解算的本质是根据初值进行积分的过程，通过求解姿态微分方程完成对姿态和航向角的积分，通过求解比力微分方程完成对速度的积分，通过求解位置微分方程实现对位置的积分。捷联惯导的姿态矩阵C n 相当于“数学平台”，取代了平台惯导中的实体平台，而ω?相当于对数学平台“施矩”的指令角速率。

二、捷联惯导微分方程 （一）姿态微分方程 在捷联惯导系统中，导航坐标系n 和载体坐标系b 之间的角位置关系通常用姿态矩阵、四元数和欧拉角表示，相应也存在姿态矩阵微分方程、四元数微分方程和欧拉角微分方程三种形式。 姿态矩阵微分方程的表达式为：

在欧拉角微分方程式(2.2-7)中，当俯仰角θ趋于90o时，cosθ趋于0，tanθ趋于无穷，方程存在奇异性，所以这种方法不能在全姿态范围内正常工作；姿态矩阵微分方程式(2.2-1)可全姿态工作，但姿态矩阵更新相当于求解包含9个未知量的线性微分方程组，计算量大；四元数微分方程式(2.2-6)同样可以全姿态工作，且更新算法只需求解4个未知量的线性微分方程组，计算量小，算法简单，是较实用的工程算法。 （二）速度微分方程 速度微分方程即比力方程，是惯性导航解算的基本关系式： 三、捷联惯性导航算法 捷联惯导解算的目的是根据惯性器件输出求解载体姿

态、速度和位置等导航信息，实际上就是求解三个微分方程的过程，相应存在姿态更新算法、速度更新算法和位置更新算法。 （一）姿态更新算法 求解微分方程式(2.2-6)可得四元数姿态更新算法为：

光纤陀螺捷联惯导多位置系统级标定方法

光纤陀螺捷联惯导多位置系统级标定方法 标定技术是捷联惯导系统领域的一项关键技术,本质上是一种误差补偿技术。按照观测量的不同可以分为分立式标定和系统级标定,由于前者在研究方法上比后者更加趋于成熟,因此常常采用分立式标定来确定惯组的数学模型。分立式标定依靠高精度三轴转台来进行一系列实验来得出陀螺仪与加速计模型中的各项 参数,实验步骤多、标定时间长,且标定精度受转台限制无法进一步提升。为使标定更有效率,越来越多的学者转向系统级标定方法的研究。 本文介绍了两种系统级标定的一般方法,分别是滤波法和解析法,代表了系 统级标定的两种不同思路。相较于解析法,运用滤波的方法来求解标定模型不仅原理简单,而且不涉及复杂的数学推导,精度高,标定路径编排较少。因此本课题以卡尔曼滤波为基础来进行系统级标定方案的设计。直接将惯组的待标定参数扩充到状态量中,得到的是一个30维的大系统。 为降低试验设计难度,提高滤波精度,本文对其进行降维处理。通过引入了一种基于行初等变换的可观测性分析方法,运用该方法可以直观地识别出状态方程中哪些状态独立可观测、哪些状态不可观测、哪些状态非独立可观测。基于可观测性的分析结果,在原有的状态方程中,保留独立可观测量,剔除不可观测量、合并非独立可观测量,从而达到简化系统方程,降低系统维数的目的。最后依据降维后的系统,设计出了6个静态位置与6个单轴旋转位置,并对此进行了仿真试验,仿真试验结果表明该方案具有理论可行性。 之后进行了实际转台试验,将其与分立式标定结果进行比较。通过对比四组五级海况实验的姿态变化曲线,可以清晰的看出系统级方案的补偿效果整体上优于分立式标定,故而这种基于降维后的系统级标定滤波方案具有一定的工程实践价值。

Matlab捷联惯导

哈尔滨工业大学《导航原理》课程 捷联惯导程序，依据加表和陀螺仪的输出数据来求解飞行器的姿态 clc; clear; format long; %设置数据精度为15位小数 Data=importdata('temp.txt'); % 导入实验所采集的数据，以矩阵形式赋给Data变量，temp.txt 必须与该M文件在同一个文件夹中 Px=Data(:,3); % Px,Py,Pz为陀螺仪的输出值 Py=Data(:,4); Pz=Data(:,5); Nx=Data(:,6); % Nx,Ny，Nz为加速度计的输出值 Ny=Data(:,7); Nz=Data(:,8); % 陀螺仪模型参数标定如下： Sx = -4.085903e-006 ; Sy = -4.085647e-006 ; Sz = -4.085170e-006 ; Mxy = 5.059527e-003 ; Mxz = -1.031103e-003 ; Myx = -3.355451e-003 ; Myz = 3.508468e-003 ; Mzx = -1.266671e-003 ; Mzy = -2.318244e-004 ; Dx = -2.009710e-006 ; Dy = 8.156346e-007 ; Dz = -5.749059e-007 ; GyroCali_A = [ 1 -Mxy -Mxz ; -Myx 1 -Myz ; -Mzx -Mzy 1 ]; % 加速度计模型参数标定如下： Kx = 9.272930e-004 ; Ky = 9.065544e-004 ; Kz = 9.443748e-004 ; Ixy = 6.533872e-003 ; Ixz = 9.565992e-004 ; Iyx = -6.319376e-003 ; Iyz = -6.902339e-004 ; Izx = -1.144549e-003 ; Izy = -3.857963e-004 ; Bx = -3.400847e-002 ; By = -8.916341e-003 ; Bz = -9.947414e-003 ; AccCali_A = [1 -Ixy -Ixz ; -Iyx 1 -Iyz ; -Izx -Izy 1 ]; Delta_t = 0.05; %采样时间为0.05秒 Delta_Theta_x = 0; Delta_Theta_y = 0; Delta_Theta_z = 0; %定义陀螺仪输出的角度增量 Delta_Vx = 0; Delta_Vy = 0; Delta_Vz = 0; %定义加速度计输出的速度增量 L = zeros(1,12001); L(1)= 45.7328*pi/180 ; %纬度用L表示，纬度的初始值划为弧度形式，因为后面计算位置矩阵更新 L(2)= 45.7328*pi/180 ; %时需要用到前两次的L值来计算当前L值，所以在此定义2个初始L值

捷联惯导详细讲解

捷联惯导系统从20世纪60年代初开始发展起来，在1969年，捷联惯导系统作为"阿波罗"-13号登月飞船的应急备份装臵，在其服务舱发生爆炸时将飞船成功地引导到返回地球的轨道上时起到了决定性作用，成为捷联式惯导系统发展中的一个里程碑。 捷联式惯性导航(strap-downinertialnavigation)，捷联（strap-down）的英语原义是“捆绑”的意思。因此捷联式惯性导航也就是将惯性测量元件（陀螺仪和加速度计）直接装在导弹需要诸如姿态、速度、航向等导航信息的主体上，用计算机把测量信号变换为导航参数的一种导航技术。 一、捷联惯导系统工作原理及特点 惯导系统基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，之后将其变换到导航坐标系，得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位臵信息等。 捷联惯导系统（SINS）是一种无框架系统，由三个速率陀螺、三个线加速度计和微型计算机组成。由于惯性元器件有固定漂移率，会造成导航误差，因此导弹通常采用指令、GPS或其组合等方式对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位臵参数。如采用指令+捷联式惯导 捷联惯导系统能精确提供载体的姿态、地速、经纬度等导航参数，是利用惯性敏感器、基准方向及最初的位臵信息

来确定运载体的方位、位臵和速度的自主式航位推算导航系统。在工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰破坏。它完全是依靠载体自身设备独立自主地进行导航，它与外界不发生任何光、声、磁、电的联系，从而实现了与外界条件隔绝的假想的“封闭”空间内实现精确导航。所以它具有隐蔽性好，工作不受气象条件和人为的外界干扰等一系列的优点。 除此以外捷联惯导系统的最大特点是没有实体平台，即将陀螺仪和加速度计直接安装在机动载体上，在计算机中实时的计算姿态矩阵，通过姿态矩阵把导航加速度计测量的载体沿机体坐标系轴向的加速度信息变换到导航坐标系，然后进行导航计算。同时，从姿态矩阵的元素中提取姿态和航向信息．由此可见，在捷联惯导系统中平台的作用已由计算机及其软件的作用代替了，捷联式惯导系统采用的是数学平台。力学编排就是按照合适的数学模型由观测量计算出导航定位参数。具体地讲，利用陀螺仪测得的载体相对于惯性参照系的旋转角速度，计算出载体坐标系至导航计算坐标系之问的坐标转换矩阵；将测量的比力(加速度计测量载体相对于惯性空间的线加速度)变换至导航坐标系，并经过两次积分得到所需的速度位臵信息。 二、捷联惯导系统有以下独特优点： （1）去掉了复杂的平台机械系统，系统结构极为简单，

导航原理_捷联惯导系统

导航原理作业（惯性导航部分）

一枚导弹采用捷联惯性导航系统，三个速率陀螺仪Gx, Gy, Gz 和三个加速度计Ax, Ay, Az 的敏感轴分别沿着着 弹体坐标系的Xb, Yb, Zb轴。初始时刻该导弹处在北纬 45.75度，东经126.63度。 第一种情形：正对导弹进行地面静态测试（导弹质心相对地面静止）。 初始时刻弹体坐标系和地理坐标系重合，如图所示，弹体的Xb轴指东，Yb轴指北，Zb轴指天。此后弹体坐标系Xb-Yb-Zb 相对地理坐标系的转动如下： 首先，弹体绕Zb（方位轴）转过-10 度； 接着，弹体绕Xb（俯仰轴）转过15 度； 然后，弹体绕Yb（滚动轴）转过20 度； 最后弹体相对地面停止旋转。 请分别用方向余弦矩阵和四元数两种方法计算：弹体经过三次旋转并停止之后，弹体上三个加速度计Ax, Ay, Az的输出。取重力加速度的大小g = 9.8m/s2。 第二种情形：导弹正在飞行中。 初始时刻弹体坐标系仍和地理坐标系重合；且导弹初始高度200m，初始北向速度1800 m/s，初始东向速度和垂直速度都为零。 陀螺仪和加速度计的输出都为脉冲数形式，陀螺输出的每个脉冲代表0.00001弧度的角增量。加速度计输出的每个脉冲代表1μg，1g = 9.8m/s2。陀螺仪和加速度计输出的采样频率都为10Hz，在200秒内三个陀螺仪和三个加速度计的输出存在了数据文件gaout.mat中，内含一矩阵变量ga，有2000行，6列。每一行中的数据代表每个采样时刻三个陀螺Gx, Gy, Gz和三个加速度计Ax, Ay, Az 的输出的脉冲数。格式如下表（前10行）

将地球视为理想的球体，半径6371.00公里，且不考虑仪表误差，也不考虑弹体高度对重力加速度的影响。选取弹体的姿态计算周期为0.1秒，速度和位置的计算周期为1秒。 （1）请计算200秒后弹体到达的经纬度和高度，东向和北向速度； （2）请计算200秒后弹体相对当地地理坐标系的姿态四元数； （3）请绘制出200秒内导弹的经、纬度变化曲线（以经度为横轴，纬度为纵轴）； （4）请绘制出200秒内导弹的高度变化曲线（以时间为横轴，高度为纵轴）。 二、程序设计说明及代码 1.第一种情形 （1）方向余弦矩阵法 1)程序代码 clear;clc; thetax=15*pi/180;thetay=20*pi/180;thetaz=(-10)*pi/180; A0=[0;0;-9.8]; Theta=[0,-thetaz,thetay;thetaz,0,-thetax;-thetay,thetax,0]; theta0=sqrt(thetax^2+thetay^2+thetaz^2); S=(sin(theta0))/theta0;C=(1-cos(theta0))/theta0^2; CT=eye(3)+S*Theta+C*(Theta^2); CTN=inv(CT); A1=CTN*A0 2)输出结果 （2）四元数法 1)程序代码

捷联惯导详细讲解

捷联惯导系统从20 世纪60 年代初开始发展起来，在1969年，捷联惯导系统作为"阿波罗"-13 号登月飞船的应急备份装臵，在其服务舱发生爆炸时将飞船成功地引导到返回地球的轨道上时起到了决定性作用，成为捷联式惯导系统发展中的一个里程碑。 捷联式惯性导航(strap-downinertialnavigation) ，捷联( strap-down )的英语原义是“捆绑”的意思。因此捷联式惯性导航也就是将惯性测量元件(陀螺仪和加速度计)直接装在导弹需要诸如姿态、速度、航向等导航信息的主体上，用计算机把测量信号变换为导航参数的一种导航技术。 一、捷联惯导系统工作原理及特点惯导系统基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，之后将其变换到导航坐标系，得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位臵信息等。 捷联惯导系统(SINS)是一种无框架系统，由三个速率陀螺、三个线加速度计和微型计算机组成。由于惯性元器件有固定漂移率，会造成导航误差，因此导弹通常采用指令、GPS或其组合等方式对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位臵参数。如采用指令+捷联式惯导 捷联惯导系统能精确提供载体的姿态、地速、经纬度等导航参数，是利用惯性敏感器、基准方向及最初的位臵信息来确定运载体的方位、位臵和速度的自主式航位推算导航系统。在工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰破坏。它完全是依靠载体

自身设备独立自主地进行导航，它与外界不发生任何光、声、磁、电的联系，从而实现了与外界条件隔绝的假想的“封闭” 空间内实现精确导航。所以它具有隐蔽性好，工作不受气象条件和人为的外界干扰等一系列的优点。 除此以外捷联惯导系统的最大特点是没有实体平台，即将陀螺仪和加速度计直接安装在机动载体上，在计算机中实时的计算姿态矩阵，通过姿态矩阵把导航加速度计测量的载体沿机体坐标系轴向的加速度信息变换到导航坐标系，然后进行导航计算。同时，从姿态矩阵的元素中提取姿态和航向信息．由此可见，在捷联惯导系统中平台的作用已由计算机及其软件的作用代替了，捷联式惯导系统采用的是数学平台。力学编排就是按照合适的数学模型由观测量计算出导航定位参数。具体地讲，利用陀螺仪测得的载体相对于惯性参照系的旋转角速度，计算出载体坐标系至导航计算坐标系之问的坐标转换矩阵；将测量的比力（加速度计测量载体相对于惯性空间的线加速度）变换至导航坐标系，并经过两次积分得到所需的速度位臵信息。 二、捷联惯导系统有以下独特优点： （1）去掉了复杂的平台机械系统，系统结构极为简单，减小了系统的体积和重量，同时降低了成本，简化了维修，提高了可靠性。 （2）无常用的机械平台，缩短了整个系统的启动准备时间，也消除了与平台系统有关的误差。 （3）无框架锁定系统，允许全方位（全姿态）工作。 （4）除能提供平台式系统所能提供的所有参数外，还可以提供