一种捷联惯导系统载体航迹仿真设计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种捷联惯导系统载体航迹仿真设计方法，包括建立捷联惯导系统坐标体系；建立激光陀螺误差模型和加速度计误差模型；建立并求解系统微分方程，获得系统姿态、速度、位置以及陀螺角增量、加表比力增量信息，进而得到航迹运行过程中惯性输出信息；获取载体运动航迹并产生载体运行航迹数据。本发明专利技术通过数学建模和计算机仿真，根据系统需要设定载体运动航迹，模拟载体真实条件下的多种不同航行状态，同时产生载体当前条件下的导航数据，包括导航系下载体位置、速度、姿态等信息，并且实时输出相应运动状态下系统陀螺仪和加速度计角增量和速度增量数据，用于支撑捷联惯导系统仿真、误差分析及性能评估工作，具有一定的工程实践应用价值。实践应用价值。实践应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种捷联惯导系统载体航迹仿真设计方法


[0001]本专利技术属于惯性导航
，涉及捷联惯导系统，尤其是一种捷联惯导系统载体航迹仿真设计方法。

技术介绍

[0002]惯性导航系统中，捷联惯导系统具有结构简单、重量轻、体积小、功耗低且便于维护等优点，因此在“海、陆、空、天、民”等诸多领域得到广泛应用。在捷联惯导系统研制过程中，往往会需要大量载体运行数据以及惯性元件(陀螺、加速度计)输出数据，用于支撑系统仿真、误差分析、性能评估以及软件设计开发等多个方面研制工作，但受科研生产进度、试验条件等方面限制，研制过程中很难完全覆盖所有真实条件下载体运行工况，不能获取所有真实条件下系统运行输出。因此，如何通过建立数学仿真平台尽可能地模拟真实条件下载体运行航迹以及惯性仪表输出并应用所生成的仿真数据进行捷联惯导系统分析与评价是目前迫切需要解决的问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目地在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、准确可靠且使用方便的捷联惯导系统载体航迹仿真设计方法。
[0004]本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
[0005]一种捷联惯导系统载体航迹仿真设计方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1、建立捷联惯导系统坐标体系；
[0007]步骤2、建立激光陀螺误差模型和加速度计误差模型；
[0008]步骤3、建立并求解系统微分方程，获得系统姿态、速度、位置以及陀螺角增量、加表比力增量信息，进而得到航迹运行过程中惯性输出信息；
[0009]步骤4、获取载体运动航迹并产生载体运行航迹数据。
[0010]进一步，所述惯性捷联惯导系统坐标体系包括：惯性坐标系、地球坐标系、导航坐标系、载体坐标系、航迹坐标系和航迹水平系，其中：
[0011]惯性坐标系X
i
Y
i
Z
i
为：原点位于地球中心，Z
i
沿地轴方向，X
i
、Y
i
在地球赤道平面内，指向恒星方向并保持不变；
[0012]地球坐标系X
e
Y
e
Z
e
为：原点位于地球中心，坐标轴与地球固联，Z
e
沿地轴方向，X
e
、Y
e
在赤道平面内相互垂直，X
e
指向格林威治子午线，地球系相对于惯性系以地球自转角速率转动；
[0013]导航坐标系X
n
Y
n
Z
n
为：原点位于载体质心，X
n
指东、Y
n
指北、Z
n
指天；
[0014]载体坐标系X
b
Y
b
Z
b
为：原点位于载体质心，X
b
沿载体横轴向右，Y
b
沿载体纵轴向前，Z
b
沿载体立轴向上；
[0015]航迹坐标系X
t
Y
t
Z
t
为：X
t
水平向右，Y
t
与航迹相切指前，Z
t
与Y
t
在铅垂面内；
[0016]航迹水平系X
h
Y
h
Z
h
为：航迹坐标系在水平面投影。
[0017]进一步，所述步骤2建立的激光陀螺误差模型为：
[0018]ω
b
＝U
g
(K
g
N
g-B0)
[0019]其中，ω
b
为陀螺输出角速度载体系投影；U
g
为陀螺安装误差；K
g
为陀螺标度因数；N
g
为陀螺脉冲输出；B0为陀螺零偏；
[0020]所述步骤2建立的加速度计误差模型为：
[0021]f
b
＝U
a
K
a
(N
a-A0)
[0022]其中，f
b
为加速度计输出比力载体系投影；U
a
为加速度计安装误差；K
a
为加速度计标度因数；N
a
为加速度计脉冲输出；A0为加速度计零偏。
[0023]进一步，所述步骤3建立的系统微分方程包括航迹微分方程和仪表惯性信息微分方程，所述航迹微分方程包括姿态微分方程、速度微分方程和位置微分方程，所述仪表惯性信息微分方程包括陀螺输出微分方程和加速度计输出微分方程；其中
[0024]所述姿态微分方程为：
[0025][0026]所述速度微分方程：
[0027][0028]其中，
[0029][0030]所述位置微分方程：
[0031][0032]所述陀螺输出微分方程为：
[0033][0034]其中：
[0035][0036][0037][0038]所述加速度计输出微分方程：
[0039][0040][0041]设：X(t)＝[θ γ ψ V
E V
N V
U L λ h Δθ ΔV]T
，
[0042]则系统航迹参数微分方程：
[0043][0044]通过四阶龙格-库塔求解微分方程，获得系统姿态、速度、位置以及陀螺角增量、加表比力增量信息；利用陀螺角增量、加表比力增量信息，并通过仪表误差模型获得航迹运行过程中惯性输出信息；
[0045]上述公式中，θ为载体俯仰角、γ为载体滚动角、ψ为载体航向角，V
n
为导航系下速度V
n
、V
E
为东速、V
N
为北速、V
U
垂为速、λ为导航系下的经度、L为导航系下的纬度、h为导航系下的高度，ω(t)为姿态变化，a
t
(t)为加速度。
[0046]进一步，所述步骤4的具体实现方法为：根据不同运行状态，选取不同的载体姿态变化ω(t)和加速度a
t
(t)作为输入值，按照所输入的运动时间和控制参数求解系统微分方程，获得相对应的载体运动航迹，产生载体运行航迹数据；其中，运行模式及ω(t)、a
t
(t)输入对应关系如下：
[0047]载体静止或匀速直线运动时：姿态变化和加速度值均为0；则航迹发生器输入：
[0048][0049]载体加速或减速运动时：载体姿态变化为零，沿航迹坐标系前进方向具有常值加速度a，如沿前进方向y方向进行所需要的加减速运动时，则航迹发生器输入：
[0050][0051]载体转弯运动时，设转弯时的速度为v，载体航向角速率ω在t时间内从0逐渐增大ψ到，则航迹发生器输入：
[0052][0053]载体上升或下降运动时，载体沿航迹前进的方向速度保持不变，可将载体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种捷联惯导系统载体航迹仿真设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、建立捷联惯导系统坐标体系；步骤2、建立激光陀螺误差模型和加速度计误差模型；步骤3、建立并求解系统微分方程，获得系统姿态、速度、位置以及陀螺角增量、加表比力增量信息，进而得到航迹运行过程中惯性输出信息；步骤4、获取载体运动航迹并产生载体运行航迹数据。2.根据权利要求1所述的一种捷联惯导系统载体航迹仿真设计方法，其特征在于：所述惯性捷联惯导系统坐标体系包括：惯性坐标系、地球坐标系、导航坐标系、载体坐标系、航迹坐标系和航迹水平系，其中：惯性坐标系X
i
Y
i
Z
i
为：原点位于地球中心，Z
i
沿地轴方向，X
i
、Y
i
在地球赤道平面内，指向恒星方向并保持不变；地球坐标系X
e
Y
e
Z
e
为：原点位于地球中心，坐标轴与地球固联，Z
e
沿地轴方向，X
e
、Y
e
在赤道平面内相互垂直，X
e
指向格林威治子午线，地球系相对于惯性系以地球自转角速率转动；导航坐标系X
n
Y
n
Z
n
为：原点位于载体质心，X
n
指东、Y
n
指北、Z
n
指天；载体坐标系X
b
Y
b
Z
b
为：原点位于载体质心，X
b
沿载体横轴向右，Y
b
沿载体纵轴向前，Z
b
沿载体立轴向上；航迹坐标系X
t
Y
t
Z
t
为：X
t
水平向右，Y
t
与航迹相切指前，Z
t
与Y
t
在铅垂面内；航迹水平系X
h
Y
h
Z
h
为：航迹坐标系在水平面投影。3.根据权利要求1所述的一种捷联惯导系统载体航迹仿真设计方法，其特征在于：所述步骤2建立的激光陀螺误差模型为：ω
b
＝U
g
(K
g
N
g-B0)其中，ω
b
为陀螺输出角速度载体系投影；U
g
为陀螺安装误差；K
g
为陀螺标度因数；N
g
...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵政，陈勇，张君，王俊柱，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零七研究所，
类型：发明
国别省市：