[发明专利]一种捷联式惯性导航系统仿真器及其控制方法

说明书

本发明属于惯性导航系统仿真技术领域，公开了一种捷联式惯性导航系统仿真器及其控制方法，捷联式惯性导航系统仿真器包括：数据生成模块，用于采集用户输入的数据；解算操作模块，用于根据用户输入的初始参数，仿真生成惯性测量元件的输出数据，基于捷联式惯性导航解算原理进行静基座下的导航解算，最终计算出载体的姿态、速度、位置信息，并赋值给全局变量；结果显示模块，用于将解算操作模块计算出的信息通过Matalb自带的plot画图函数显示出来，用户通过点击按键选择画图的类别；数据处理模块，用于根据用户选择的路径、格式保存解算数据，或清空缓存空间内的解算数据。本发明开放性强，可以有效降低试验成本，使用更加方便。

技术领域

本发明属于惯性导航系统仿真技术领域，尤其涉及一种捷联式惯性导航系统仿真器及其控制方法。

背景技术

目前，惯性导航系统在导航过程中不依赖于任何外部信息，是一种自主式的导航系统，其导航过程就是要对惯性测量单元的输出进行基于积分的导航解算。其理论基础为牛顿运动定律。如果已知载体沿某一方向行进的加速度与初始速度，可以积分计算得到载体的速度与位移。

通常情况下，计算载体在地理坐标系下的速度和位移才具有实际的导航意义。因此惯性导航系统需要测量载体在地理坐标系下的运动加速度。平台式惯导系统通过力矩电机控制一个机械平台，使其始终与载体所在地的当地地理水平面平行，这样加速度计在平台坐标系中的输出值就可以直接用来进行速度和位置计算。而捷联式惯导系统(Strapdowninertial navigation system，SINS)则需要通过数学计算构建虚拟“平台”，利用数学计算确定载体坐标系与当地地理坐标系的相对姿态，并将加速度计的输出投影到当地地理坐标系上，从而完成导航解算工作。

根据相关文献研究可知，捷联式惯性导航系统的测量元件主要包括陀螺和加速度计(统称为惯性器件)，它们的功能分别是测量载体的角运动和线运动信息。由于惯性导航的基本原理是积分运算，因此在开始导航工作之前还需要确定积分初值，即进行初始对准。在惯导系统出厂时，通常需要对惯性器件误差进行标定和补偿，以尽可能减小测量元件的测量误差。理论上，惯导系统的误差的表现形式是振荡和发散的，其振荡周期主要包括84.4分钟的舒勒周期和24小时的地球周期，引起振荡和发散的主要误差源就是初始对准误差以及惯性测量元件的测量误差。

由于捷联式惯性导航系统对国民经济建设和国防建设都具有极为重要的战略意义，因此非常有必要研究它的误差特性，但是捷联式惯导系统通常工艺复杂、造价昂贵、故障率高，而且利用真实的惯性导航设备研究误差情况时，通常要进行长时间的测试和数据采集，时间成本很高。因此，在某些应用场合(如有关惯导误差特性的认知性教学中)不便利用真实的惯性导航设备反复开展试验，亟需设计一种低成本、高可靠、适于反复运行的惯性导航系统仿真器。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：一、现有捷联式惯导系统通常工艺复杂、造价昂贵、故障率高，不便于开展大规模的测试试验；二、利用真实惯导设备进行测试实验，需要考虑搭建通电电路、实验台等测试环境，准备和保障工作比较繁琐；三、由于惯导系统误差振荡周期很长，利用真实的惯性导航设备研究误差情况时，通常要进行长时间的测试和数据采集，时间成本很高；四、真实惯导设备中的惯性器件已经标定，导致在测试中无法随意调节惯性器件的误差指标，也就无法直观展现器件误差对惯性导航误差的影响；五、真实惯导设备内部的初始对准算法已经固化，而且生产厂家出于商业保护的目的不会开放底层代码，导致无法通过改变初始对准精度来观察初始对准误差对惯性导航误差的影响。综合上述原因，在某些教学科研工作中不适合利用真实的惯性导航设备反复开展试验。

解决以上问题及缺陷的难度为：

利用虚拟仿真软件模拟实际设备的误差特性，在设计中如何尽可能贴近实际，符合真实情况；

仿真器软件规模应当控制，不宜过大，便于推广使用；

在惯导系统仿真器中，如何实现惯性器件误差水平以及惯导系统初始对准精度水平的灵活设置；