● 摘要
捷联式惯性导航系统是一种十分先进的惯性导航技术，在航空、航天、航海及陆地导航中正得到越来越广泛的应用。捷联惯导系统的一个十分重要的问题是其初始对准问题。现代战争的高机动性对装备的快速反应能力要求越来越严格，因此研究快速、稳定的初始对准算法至关重要。论文围绕捷联惯导系统初始对准方法展开了深入研究，主要研究工作和创新成果表现在以下几个方面：（1）分析了捷联惯导系统自对准的原理和思路，以惯导系统基本方程为基础，用简洁明了的方法推导了初始对准过程中的误差传播方程。在静态单位置对准中，根据所建立的系统误差状态空间模型，利用相似变换法分离出了可观测状态和不可观测状态，并把误差模型分为可观测和不可观测两部分。仿真结果验证了理论分析的正确性。（2）为了实现SINS静基座快速精确对准，给出了SINS进行最优多位置对准的条件及方法。利用李雅普诺夫变换得到的SINS等价误差模型，在对惯性测量单元（IMU）绕正交轴旋转时SINS可观测性进行定量分析的基础上，通过研究惯性器件误差与IMU角位置之间的关系，定量分析了IMU的转动方式，明确了使SINS误差状态达到最优估计时IMU的最佳旋转角位置。最后，通过仿真验证了理论分析的正确性。（3）设计了一种适用于晃动基座的粗对准方法。在晃动基座上，由于惯性敏感器输出信息受到严重干扰，无法采用传统的静基座粗对准方法。针对这一问题，应用惯性凝固假设，根据重力加速度相对惯性空间随地球旋转引起的方向变化信息，并对其进行积分，将有正有负的干扰加速度积分掉，得到速度值作为参考信息，通过定义过渡矩阵间接求取初始姿态阵。仿真验证表明，该算法可以实现晃动基座下SINS的粗对准，且精度较高。（4）在解决了晃动基座粗对准问题的基础上，设计了微幅晃动基座下基于惯性系量测信息的卡尔曼滤波算法和自适应加权最小二乘精对准算法。仿真验证表明，这两种算法能够满足微幅晃动基座下初始对准的要求，其中后者的精度更高一些。针对二者对大幅晃动基座的抗干扰性能差，又进一步提出了对准与姿态更新同步进行的方法，通过将初始对准问题转化成Wahba姿态确定问题，利用姿态更新来实时地反映载体在晃动干扰下的姿态变化，并结合初始姿态的最优估计值得到载体导航前的姿态，从而完成初始对准。仿真验证表明该方法可以实现大幅晃动条件下快速、高精度初始对准的要求。（5）为满足惯导系统的快速反应和高精度要求，针对双轴旋转捷联惯导系统，提出了一种抗晃动快速自对准方法。通过推导不同误差源激励下系统误差受调制作用的解析表达式，直观地揭示了旋转调制对系统误差抑制的本质机理，并通过解析分析及仿真验证，具体分析了各误差项对惯导系统导航精度的影响。其次，研究了旋转调制对惯导系统初始对准性能的影响，并针对不同的旋转调制周期进行了仿真验证。仿真结果表明，当旋转周期远大于舒勒周期时，旋转调制引起的不利和有利影响都很小，可忽略不计；当旋转周期远小于舒勒周期时，旋转调制引起的不利是延长了系统的对准时间，但系统的对准精度得到了提高。最后，采用连续旋转卡尔曼滤波初始对准方法，通过IMU的连续旋转来改变捷联惯导系统误差模型中的系统矩阵，从而提高系统中状态变量的可观测度，仿真验证表明该算法能够实现快速、高精度初始对准的要求。