捷联惯导系统轨迹发生器设计与坐标转换

"捷联惯导系统的轨迹发生器设计涉及导航解算验证和组合导航研究。通过假定载体运动轨迹，在不同坐标系下利用姿态矩阵算法计算出惯性仪表的理论输出值，同时模拟载体的位置、速度、姿态以及传感器的输出，附加随机误差以增加仿真真实感。文中介绍了地理坐标系、导航坐标系、平台坐标系、机体坐标系、地心惯性坐标系和地球坐标系之间的关系，并给出了地球自转角速度和飞行器运动引起的角速度分量的表达式。" 在惯性导航系统中，捷联惯导（ Strapdown Inertial Navigation System, SINS）是一种现代的导航技术，它不再依赖于机械平台，而是直接将传感器（陀螺仪和加速度计）安装在载体上。轨迹发生器在捷联惯导中的作用是生成模拟的载体运动数据，用于测试导航算法的正确性和评估性能。 1. 坐标系定义： - 地理坐标系（t）：以载体质心为原点，轴向东，轴向北，轴向上。 - 导航坐标系（n）：与地理坐标系相同，但轴可能与地球自转轴有游动方位角差异。 - 平台坐标系（p）：在无误差情况下与导航坐标系重合，存在误差时与导航坐标系有三个姿态失准角。 - 机体坐标系（b）：以载体质心为原点，轴向右，轴向前，轴垂直于载体并向上。 - 地心惯性坐标系：原点在地心，轴指向春分点，轴与地球自转轴重合。 - 地球坐标系：固定在地球上的坐标系，与地心惯性坐标系同步旋转。 2. 捷联惯导系统数学模型： - 地球自转引起地理坐标系的角速度分量由地球自转角速度决定。 - 飞行器运动导致地理坐标系相对于地球坐标系的角速度变化，可以通过飞行速度和地理位置计算得到。 - 轨迹发生器需要考虑这些角速度来计算载体在各个坐标系下的运动状态。 - 轨迹发生器还模拟陀螺仪和加速度计的输出，包括随机误差，以模拟实际环境下的测量不确定性。 3. 程序编排示意图： - 捷联惯导系统的程序设计通常包括数据采集、预处理、坐标转换、滤波处理和导航解算等步骤，以实时更新和预测载体的地理位置、速度和姿态。 4. 指北方位系统跟踪角速率： - 计算这个角速率可以帮助确定载体相对于地磁场或固定参考点的方向，这对于导航至关重要。 捷联惯导系统的轨迹发生器是通过复杂的数学模型和坐标变换来模拟真实的载体运动，这在验证导航算法和进行组合导航研究中起到关键作用。通过精确地模拟各种运动参数和传感器输出，可以提高导航系统的可靠性和准确性。