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极区捷联惯导动基座初始对准方法研究

摘要

在矿产资源日渐紧缺和国际局势严峻的当下，极区已经成为世界各国资源开发和军

事扩张必争的战略重地。捷联惯导系统是保障各类海洋运载器实现极区到达、安全航行

的核心导航设备，而动基座初始对准则是实现捷联惯导系统高精度姿态初始化的关键技

术。极区经度放大、惯导误差模型与力学编排间地球建模方式不统一等人为附加定义引

起的误差导致对准精度下降。极区重力矢量与地球旋转矢量趋于同向导致罗经效应减

弱，动基座粗对准航向误差增大，变成大失准角。极区特殊物理场环境极易对各类基于

光学、电学原理的导航系统造成影响，导致极区可选辅助导航手段有限，观测信息品质

难以控制，进而导致极区动基座对准精度下降甚至失败。

为保障极区捷联惯导系统初始对准的精度和环境适应性，以惯导系统极区动基座初

始对准方法为研究对象，围绕极区惯性系粗对准算法、组合精对准滤波器设计及低品质

观测环境下极区动基座对准处理方法展开研究。论文的主要工作如下：

首先，针对极区经度误差放大导致经度参与解算的传统惯性系粗对准算法航向误差

b

增大的问题，提出一种横向惯导建模辅助惯性系粗对准算法。通过格网角和横向角

V

的联系探寻横向和格网两类导航基准体系的内在联系，综合对比分析二者在极区应用情

b

况，选取更适用于极区的导航基准坐标体系；以多普勒计程仪速度为辅助信息，通

V

过构建横向地球坐标系下惯性坐标系，推导无经度参与解算的横向惯导建模惯性系对准

算法，以提升极区粗对准航向精度，设计仿真实验验证算法性能；通过理论与仿真分析

相结合的方式，明晰极区粗对准航向精度实际下降程度，并分别以有无外部航向辅助信

息为前提，探寻构建极区组合精对准算法的思路。

其次，在有外部航向信息辅助的前提下，针对人为附加定义引起的误差导致组合精

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对准精度下降的问题，提出一种偏振光航向声学测速辅助极区组合精对准算法。通过分

析偏振光导航工作原理，探索其极区可用性，针对极区经度误差放大导致经度参与解算

的偏振光导航航向误差增大的问题，通过引入亦受极区经线误差放大而误差增大的横向

角，补偿偏振光航向，提出横向坐标体系下的偏振光导航优化算法，以达到提高偏振光

导航航向精度的目的；针对横向惯导力学编排与滤波模型间地球建模方式不同导致组合

对准滤波模型中存在原理性误差，组合对准精度下降的问题，推导椭球体地球模型下的

横向惯导误差微分方程，重建滤波模型，以消除原理性误差，提升组合对准精度；通过

设计仿真和半实物实验验证算法性能。

哈尔滨工程大学博士学位论文

然后，在无外部航向信息辅助的前提下，针对罗经效应减弱导致组合对准航向初值

包含大失准角误差，组合对准模型呈非线性的问题，提出一种声学测速辅助极区非线性

组合精对准算法。通过推导大方位失准角下横向惯导非线性误差微分方程，以构建非线

性组合对准滤波模型；针对大方位失准角下多普勒计程仪量测精度随滤波更新迭代显著

提升导致量测方差阵过大，对量测信息利用程度不足，进而影响组合对准精度的问题，

设计自适应量测方差阵，以合理利用多普勒计程仪量测信息，提升组合对准精度；通过

全局可观测性分析方法，分析极区非线性组合对准系统姿态可观测性，以明晰姿态可观

测情况下对应的载体机动方案；通过设计仿真和半实物实验验证算法性能。

最后，针对极区特殊物理场环境影响的观测量长期无法提供将导致动基座对准失败

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的问题，提出一种极区动基座回溯对准算法。分析由第章粗对准算法和第、章精

对准算法构成的极区动基座对准方案其回溯对准思路；然后推导回溯对准思路中涉及的

横向惯导逆向导航算法、极区逆向粗对准算法和小失准角下多普勒计程仪测速辅助组合

精对准算法；根