[发明专利]一种捷联惯导系统模拟器的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及SINS和GNSS/INS的仿真领域，尤其涉及一种捷联惯导系统模拟器的设计方法。

背景技术

在惯性导航系统及其组合导航的仿真研究中，惯性器件(陀螺和加速度计)的数据源仿真和运载体的轨迹仿真是项基础性工作，特别是研究高精度的SINS(Strapdown Inertial Navigation System，捷联惯导系统)和GNSS/INS算法，更是需要高精度的数据模拟器作为支撑。传统的基于运动轨迹参数的惯性器件数据源仿真，拼接处易出现与实际情况不符的现象，效果不够逼真。此外，传统的基于运动轨迹参数的惯性器件数据源仿真很难实现复合运动的仿真。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种捷联惯导系统模拟器的设计方法，设计出的SINS模拟器一方面能够依靠惯导机械编排算法给出更加平滑且准确的仿真轨迹真值，另一方面能够基于真实运动和IMU误差产生更符合真实环境的IMU仿真数据，进而满足高精度惯性导航或组合导航(如GNSS/INS)对惯导数据源仿真精度的要求。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种捷联惯导系统模拟器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、依据设定好的运动轨迹，根据运动学原理，生成v系相对n系的角速度和加速度a^v；表示v系相对于n系的地球自转角速度变化投影到v系的向量,a^v表示v系相对于n系的加速度变化投影到v系的向量；设定好的运动轨迹是由多个轨迹段拼接而成，每个轨迹段由轨迹矩阵设定；轨迹矩阵的第一列代表所在行设置的轨迹类型；对应了选定轨迹类型，该行的其余参数将按照该轨迹类型特定的参数设定方式设定该轨迹参数；

步骤2、将和a^v转化为v系相对i系的角速度和比力和基于以下公式：

式一

式二

是从v系到n系的方向余弦矩阵，是从b系到n系的方向余弦矩阵，是从v系到b系的方向余弦矩阵，是从n系到v系的方向余弦矩阵；

式三

表示e系相对于i系的旋转角速度在n系下的投影向量，ω_e是地球自转角速度，其值约为15deg/h；是当地纬度；

式四

表示n系相对于e系的旋转角速度在n系的投影向量，v_E、v_N分别为n系下的东向和北向的速度，R_M、R_N分别为子午圈曲率半径和卯酉圈曲率半径，h为高程；

式五

式六

表示e系相对于i系的旋转角速度在v系的投影向量，表示n系相对于e系的旋转角速度在v系的投影向量；

式七

g^v表示重力加速度在v系的投影向量，gⁿ表示重力加速度在n系的投影向量；

式八

式九

为科里奥利力在n系的投影，为科里奥利力在v系的投影，vⁿ为n系下的速度向量；

式十

式十一

表示v系相对于i系的旋转角速度在v系的投影向量，表示v系相对于i系的比力在v系的投影向量；

步骤3、首先将和结合得和其次将和在v系内加入真实运动(如振动)得和再结合得和最后在b系内加入IMU误差，即可构成含仿真场景误差和IMU误差的IMU输出(和)；

步骤4、结合前一历元的导航信息和步骤S3所得和进行惯导机械编排解算，推算出当前历元的导航信息(包含位置、速度、姿态等)，即可得到平滑且准确的仿真轨迹信息。

在上述的一种捷联惯导系统模拟器的设计方法，所述步骤1中，依据设定好的运动轨迹，根据运动学知识和角速度、加速度的梯形积分来推算v系相对n系的角速度和加速度。

在上述的一种捷联惯导系统模拟器的设计方法，所述步骤3中，在v系内加入仿真场景误差和在b系中加入IMU误差。

在上述的一种捷联惯导系统模拟器的设计方法，所述步骤4中，依据步骤3得到的和进行积分得到角度和速度增量信息，采用惯导机械编排算法来给出平滑、准确的仿真轨迹；其本质是采用成熟精确的惯导机械编排算法来保障仿真数据(IMU数据和轨迹真值)的自洽。