捷联式惯性导航系统初始对准理论与方法

惯性导航作为一类自主导航技术手段，在航空、航天、航海以及车辆导航领域有着重要的应用。初始对准技术一直是惯性导航的核心和关键技术之一，对准精度、对准速度以及方法的稳定性在很大程度上决定了导航系统性能。《捷联式惯性导航系统初始对准理论与方法》系统地阐述了捷联式惯性导航初始对准的原理和方法，共分为10章，主要内容包括绪论、SINS导航解算与误差传播规律、初始对准的基本原理与方法、解析对准法、罗经法对准、组合对准、传递对准以及地磁场辅助解析对准等。

前言
第1章 绪论 1
1.1 惯性导航系统与捷联式惯性导航系统 1
1.1.1 惯性导航系统 1
1.1.2 捷联式惯性导航系统 2
1.2 惯性导航系统的初始对准 3
1.2.1 初始对准问题的描述 3
1.2.2 初始对准方法的综述 4
1.2.3 初始对准中基座运动的定义与分类 7
1.3 本章小结 7
第2章 SINS导航解算与误差传播规律 8
2.1 引言 8
2.2 地球描述与常用坐标系的定义 8
2.3 SINS导航解算算法 10
2.3.1 SINS姿态更新 10
2.3.2 SINS速度更新 11
2.3.3 SINS位置更新 11
2.4 SINS误差传播方程 12
2.4.1 仪表误差模型 12
2.4.2 姿态误差方程 13
2.4.3 速度误差方程 15
2.4.4 位置误差 16
2.4.5 SINS常用误差模型 16
2.5 静止条件下的SINS误差模型 17
2.5.1 误差模型与误差动态特性 17
2.5.2 系统误差时域解 20
2.6 本章小结 23
第3章 SINS初始对准的基本原理与方法 24
3.1 引言 24
3.2 初始对准的基本原理 24
3.2.1 姿态矩阵与失准角的描述 24
3.2.2 地球运动与初始对准的信息源 26
3.2.3 已对准设备与初始对准信息源 31
3.2.4 地磁场信息与初始对准信息源 32
3.3 初始对准的基本方法 33
3.3.1 数学解析法 33
3.3.2 反馈控制法 34
3.4 Kalman滤波理论与方法 35
3.4.1 Kalman滤波原理 35
3.4.2 非线性滤波器EKF 38
3.5 本章小结 40
第4章 基于双矢量定姿的静基座解析对准 41
4.1 引言 41
4.2 基于重力加速度与地球自转的解析粗对准 41
4.2.1 双矢量选择 41
4.2.2 解析粗对准的精度分析 43
4.3 基于重力视加速度的解析对准 46
4.3.1 基于重力视加速度的解析对准原理 46
4.3.2 基于重力视加速度的解析对准精度分析 48
4.3.3 双矢量定姿中矩阵病态性分析 51
4.3.4 两种解析方法的比较分析 53
4.4 基于重力视加速度解析对准的改进 54
4.4.1 基于重力视速度的解析对准方法 54
4.4.2 基于参数辨识与视加速度重构的解析对准方法 55
4.4.3 基于重力视加速度解析对准方法改进前后的比较 58
4.5 无纬度条件下的基于重力视加速度解析对准方法 58
4.5.1 基于重力视加速度无纬度解析对准基本原理 58
4.5.2 基于重力视加速度无纬度解析对准算法 59
4.6 本章小结 61
第5章 基于多矢量定姿的动基座解析对准 63
5.1 引言 63
5.2 导航坐标系速度辅助条件下的多矢量解析对准 63
5.2.1 运动基座条件下的比力方程与初始对准 63
5.2.2 基于四元数描述的多矢量定姿问题 66
5.2.3 Wahba问题求解 67
5.3 载体坐标系速度辅助条件下的多矢量解析对准 69
5.4 本章小结 70
第6章 基于经典控制理论的罗经法对准 71
6.1 引言 71
6.2 静基座条件下的罗经法对准 71
6.2.1 水平精对准 71
6.2.2 方位精对准 75
6.2.3 罗经法对准参数设置 78
6.3 运动基座条件下的罗经法对准 80
6.3.1 基于外部速度/位置辅助的行进间罗经对准设计 80
6.3.2 运载体机动与回路参数设计 81
6.4 基于存储数据/回溯计算的罗经法对准 82
6.4.1 SINS数学平台与数据回溯利用的原理 82
6.4.2 基于存储数据/回溯计算的罗经法设计与实现 83
6.5 本章小结 86
第7章 基于现代控制理论的组合对准 88
7.1 引言 88
7.2 组合对准的原理与方案设计 88
7.2.1 组合对准的基本原理 88
7.2.2 组合对准中状态量的选择 89
7.2.3 组合对准过程校正方式的选择 90
7.2.4 滤波参数的设计选择 92
7.3 基于运载体零速约束的组合对准 92
7.3.1 基于比力匹配的组合对准 93
7.3.2 基于零速约束的组合对准 97
7.3.3 零速约束条件下的比力匹配与速度约束方案比较 102
7.4 基于外部线运动信息辅助的组合对准 102
7.4.1 基于导航坐标系速度信息辅助的组合对准 102
7.4.2 基于位置信息辅助的组合对准 105
7.4.3 基于导航坐标系速度+位置信息辅助的组合对准 108
7.4.4 基于载体坐标系速度信息辅助的组合对准 109
7.5 组合对准与罗经法对准的比较分析 111
7.5.1 相似性分析 111
7.5.2 相异性分析 113
7.6 本章小结 113
第8章 组合对准中的可观测性分析 114
8.1 引言 114
8.2 线运动匹配的组合对准中误差解析条件分析 114
8.2.1 速度匹配基本原理 114
8.2.2 速度匹配中的各状态量解析条件分析 115
8.2.3 基于速度匹配的组合对准问题再分析 119
8.3 本章小结 122
第9章 基于现代控制理论的传递对准 123
9.1 引言 123
9.2 传递对准的基本原理 123
9.2.1 传递对准中的时空一致性问题 123
9.2.2 传递对准的匹配模式与机理 124
9.3 主/子惯性导航系统之间信息空间一致性问题建模 125
9.3.1 主/子惯性导航系统之间安装误差问题 125
9.3.2 主/子惯性导航系统之间准静态挠曲变形 126
9.3.3 主/子惯性导航系统之间高频挠曲变形 126
9.3.4 主/子惯性导航系统之间杆臂效应 128
9.4 测量参数匹配 129
9.4.1 加速度计测量参数匹配 129
9.4.2 陀螺仪测量参数匹配 136
9.4.3 加速度计/陀螺仪测量参数组合匹配 141
9.5 计算参数匹配 142
9.5.1 姿态匹配 142
9.5.2 速度匹配 148
9.5.3 位置匹配 148
9.5.4 速度+姿态匹配 149
9.6 组合参数匹配 151
9.7 舰载环境下基于速度+航向匹配的对准方案设计 152
9.7.1 问题分析 152
9.7.2 传递对准中的速度+航向对准方案 152
9.8 本章小结 155
第10章 地磁场辅助解析对准 156
10.1 引言 156
10.2 地磁场辅助解析对准方法及分析 156
10.2.1 地磁场分布特点 156
10.2.2 地磁场辅助解析方位对准方法 156
10.2.3 地磁场辅助解析方位对准的精度分析 157
10.3 磁力计的误差分析与标定补偿 158
10.4 基于互补滤波方法的地磁场辅助解析对准 160
10.5 本章小结 160
参考文献 161