捷联式惯性导航系统概述

逍遥设计自动化

引言
7 t2 ^0 k1 ]$ ~) g) F
4 t. Y/ V- I0 I8 L. V5 g捷联式惯性导航系统因具有成本低、体积小、可靠性高等优点，已成为现代惯性导航系统的主要形式。本文介绍捷联式惯性导航的基本机制和工作原理[1]。
: i' s) c5 @( \; m参考坐标系统
+ s3 q; {0 T$ {5 q( |5 d
  C3 h# D- o, C/ n( Y% A在惯性导航中，由于系统独立于外部环境运行，准确定义参考坐标系统非常重要。主要使用以下参考坐标系：
) x$ {6 ~& b) j) |8 @0 f# A惯性坐标系(i系)：相对于恒星固定的非旋转坐标系，原点位于地球中心，z轴与地球极轴重合。
地球坐标系(e系)：旋转坐标系，原点在地球中心，坐标轴相对地球固定，通常一个轴与地球极轴重合。
导航坐标系(n系)：以系统位置为中心的局部地理坐标系，坐标轴分别指向当地的北、东、地向。
: Q7 P% h# w9 N$ }9 i/ I  k7 ]漂移方位角坐标系(w系)：用于避免极地区域的奇异性，与导航坐标系类似，但真北与x轴之间存在方位角。
载体坐标系(b系)：固定在被测系统上，坐标轴指向前、右、下方向（横滚、俯仰、偏航轴）。
[/ol]导航机制

惯性坐标系导航
8 ~( u0 m/ B$ H: A, t1 b% |在惯性坐标系中，加速度计输出包含两部分：系统实际加速度和重力加速度。其关系表示为：
a = f + g
: q0 F5 H6 {* y) e  O其中：
* o3 x7 D/ B5 b8 L: r4 ta为系统加速度
g为重力加速度
f为加速度计输出（比力）
进行惯性坐标系导航时，需要使用方向余弦矩阵(DCM)将载体坐标系的数据转换到惯性坐标系。
/ D! I; l4 f) p5 x% @

msuy1zkp40d6406208404.png

图1：惯性坐标系中捷联式惯性导航机制框图，展示了载体坐标系和惯性坐标系测量之间的关系。
+ H9 B; l  {3 s2 k导航坐标系机制
2 S" z* H* s/ H. a1 x) s( K
导航坐标系常用于地球表面或近地空间的应用，使用北向、东向、地向分量表示导航数据，同时包含纬度、经度和高度信息。

0ihztdeljor6406208504.png

图2：导航坐标系中捷联式惯性导航机制框图，灰色部分突出显示了与惯性坐标系导航的区别。

系统初始化
5 m& j9 i4 r% ^2 q) h7 P" ^" |$ A) Z正确的初始化对导航精度影响显著。系统需要初始化三个主要参数：

位置

速度

姿态
2 S1 v' ~+ P3 ^+ D( H位置和速度初始化通常需要全球导航卫星系统（GNSS）等外部信息。而当惯性测量单元（IMU）静止时，姿态初始化可通过以下方法实现：

. ]* _2 i1 {. h. K5 s8 i倾角测量
, Y+ Y% D9 }/ p: ]5 x& m0 l) l通过加速度计测量重力方向确定横滚角和俯仰角。该方法对加速度计偏差具有较强的抗干扰能力，当加速度计偏差小于2毫重力加速度时，可实现小于0.1度的横滚和俯仰角误差。

0 O' q) S4 K* v7 q: _. k陀螺仪指北
8 i* j, b5 q  d: j' a通过测量地球自转角速度（约15度/小时）确定偏航角。该方法要求使用高精度传感器。

x4z0rtbsuuv6406208604.png

7 T) X8 G7 Q: {0 K- y6 w* b图3：陀螺仪偏差与偏航角估计误差关系图，显示了不同纬度下估计精度随传感器质量的变化。

磁头测量
0 J7 I7 z% s# T0 Q' \使用三轴磁力计测量地球磁场方向。这种方法虽然较易实现，但面临以下挑战：
. P$ [8 D0 b) b

设备干扰

硬磁和软磁效应

局部磁异常

磁偏角变化
# }$ s1 n% m- y6 O8 \/ P真实偏航角通过测量的磁航向加上磁偏角计算：

ψ = ψ' + α

其中：
% q6 A/ s& M3 w- j: v2 g* H

ψ为真实偏航角

ψ'为测量的磁航向

α为磁偏角
实际应用考虑因素

1 D  X; U+ H0 k/ ^- o* e5 d实施捷联式惯性导航系统时需要考虑以下因素：
1. 初始化质量：准确的初始化对系统整体性能影响显著。
2. 传感器等级选择：
导航级传感器适用于精确的陀螺仪指北
战术级或消费级IMU通常需要磁头辅助
3. 环境因素：
8 d, S+ |, ?' M& z4 s磁干扰影响航向估计
) I, @/ p2 ?/ V$ ?1 _$ t纬度影响陀螺仪指北精度
1 r. F, l8 ]# m& o# L; w- |+ |局部重力变化影响倾角测量
3 r3 N. {1 ^% x: e4 R6 z9 P4. 集成挑战：
IMU读数与导航结果的非线性关系
误差累积管理
: G, N$ z0 x- v7 I8 L坐标转换精度要求高
结论

5 h- ]7 K! W8 s0 \/ Z: H捷联式惯性导航系统相比传统平台式系统具有可靠性高、结构简单等优势。成功实施这类系统需要：
2 M3 a, J. f1 x

深入理解参考坐标系

正确的初始化程序

合适的传感器选择

考虑环境因素

有效的误差管理策略
" g' D) _$ Q. \多种方法和传感器的集成，结合适当的初始化和校准程序，使系统能在各种应用环境中提供可靠的导航解决方案。
参考来源
, m$ `2 v* O! d/ p6 \* j
[1] Y. Wang and A. M. Shkel, "Strapdown Inertial Navigation Mechanism," in Pedestrian Inertial Navigation with Self-Contained Aiding, IEEE Press Series on Sensors. Piscataway, NJ, USA: IEEE Press, 2021.
' v$ @# e( X* ~  S7 K8 D  V" hEND
9 L0 q4 t" A5 q8 U' ?6 Z3 L! t2 m+ S( C
软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
点击左下角"阅读原文"马上申请
% t" a5 k/ b' M; r9 T
欢迎转载
( k5 P, H  i/ F* a
转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！

3qseql0kwy36406208705.gif

关注我们
- S/ B" G. d5 \6 J, r3 V

; a* ~9 {5 u8 ^/ u tdjc2iq0cjg6406208805.png , r: A) G9 y$ E% x4 d! U

. _( q. u1 T7 Y5 r' Q0 M pqgxtnsj1k16406208905.png 1 k* D) v' r* ^$ \- t2 E) U

ufxjncbgle36406209005.png ; l' d1 E  H: Z3 x6 U9 ~  o

                     
, x5 H+ `: S2 s# n: D# h
( C2 U0 |# o8 i: V3 G! C

) F* ]6 ^  r) P, t; K关于我们：
4 a  t' F; v: N3 j2 ^深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
4 T( P& x- J- j  y; D6 h1 H/ @8 o$ S
8 D4 Y9 F. b' D- e7 `http://www.latitudeda.com/
（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）