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纬度信息受限下捷联惯导系统初始对准方法的创新与实践

一、引言

1.1研究背景与意义

捷联惯导系统（Strap-downInertialNavigationSystem，SINS）作为一种自主式导航系统，凭借其自主性强、隐蔽性好、输出信息全面且实时性高等显著优势，在航空、航天、航海以及陆地车辆导航等众多领域发挥着关键作用。在航空领域，无论是民用客机确保飞行安全与航线精准，还是军用飞机执行复杂作战任务，捷联惯导系统都为其提供了不可或缺的导航支持；航天任务中，从卫星发射到星际探测器的深空探索，它精确引导航天器的轨道运行；航海方面，各类船舶依靠捷联惯导系统在茫茫大海中准确航行；陆地车辆导航中，特别是在卫星信号易受遮挡的城市峡谷、隧道等区域，捷联惯导系统保障了车辆的持续定位与导航。

初始对准是捷联惯导系统启动运行的首要关键环节，其核心任务是确定载体坐标系与导航坐标系之间的准确变换关系，从而为后续的导航解算提供高精度的初始姿态、速度和位置信息。初始对准的精度和速度直接决定了捷联惯导系统的导航性能。精确的初始对准能够有效降低导航误差的累积，提高导航解算的准确性，确保载体按照预定轨迹稳定运行；而快速的初始对准则能使系统迅速进入工作状态，满足实际应用中对时效性的要求。

在初始对准过程中，纬度信息是至关重要的参数。它不仅用于计算地球自转角速度在导航坐标系中的分量，还对重力加速度的准确建模起着关键作用。然而，在实际应用中，由于各种复杂因素的影响，纬度信息受限的情况频繁出现。例如，在水下航行器执行任务时，由于受到海水的屏蔽，无法接收到卫星导航信号，导致无法直接获取精确的纬度信息；在城市高楼林立的环境中，卫星信号容易受到遮挡和干扰，使得基于卫星导航的纬度测量出现较大误差甚至无法获取；在一些特殊的军事作战场景下，为了保证行动的隐蔽性，可能无法依赖外部卫星导航系统来确定纬度。

当纬度信息受限或不准确时，会对捷联惯导系统的初始对准产生严重的负面影响。在水平对准方面，不准确的纬度会导致重力加速度投影计算出现偏差，进而使水平失准角的估计产生误差，影响载体水平方向的姿态确定精度；在方位对准中，错误的纬度信息会使地球自转角速度分量计算错误，导致方位失准角的估计偏差，最终影响载体的方位确定精度。这些误差会随着导航时间的增加而不断累积，严重降低捷联惯导系统的导航精度，甚至可能导致导航结果完全偏离实际情况，给载体的安全运行带来巨大风险。

鉴于纬度信息受限对捷联惯导系统初始对准的重大挑战以及初始对准在捷联惯导系统中的核心地位，开展纬度信息受限条件下捷联惯导系统初始对准方法的研究具有极为紧迫且重要的现实意义。这一研究旨在突破现有技术瓶颈，寻找有效的解决途径，提高在复杂环境下捷联惯导系统的初始对准精度和可靠性，为各类载体在各种复杂条件下的安全、准确导航提供坚实的技术支撑。它不仅有助于推动捷联惯导系统在更多领域的广泛应用，还对提升国家在航空、航天、航海等关键领域的技术水平和竞争力具有深远的战略意义。

1.2国内外研究现状

在捷联惯导系统初始对准研究领域，国内外学者针对纬度信息受限的复杂情况开展了大量研究，提出了一系列各具特色的方法，这些方法在不同程度上推动了该领域的技术进步，同时也各自存在一定的局限性。

国外方面，一些研究致力于利用地球物理特性实现无纬度信息下的初始对准。例如，部分学者通过深入分析地球重力场和地磁场的分布特性，建立了基于重力异常和地磁模型的对准算法。该算法的优势在于完全不依赖外部获取的纬度信息，自主性极高，可在卫星信号完全不可用的极端环境下工作。然而，地球重力场和地磁场的实际分布极为复杂，且存在长期和短期的变化，这使得基于这些模型的算法精度受到较大限制，难以满足高精度导航的需求。此外，对地球物理场的精确测量需要专业且昂贵的设备，增加了系统的成本和复杂性。

在基于传感器融合的方法研究中，国外团队将捷联惯导系统与其他多种传感器进行融合，如气压高度计、磁力计等。通过融合气压高度计测量的高度信息和磁力计提供的地磁场方向信息，能够间接地辅助确定载体的姿态和位置，从而在一定程度上缓解纬度信息受限的问题。这种方法在一些对精度要求不是特别高的应用场景中表现出较好的实用性，成本相对较低且易于实现。但气压高度计易受大气环境变化的影响，测量精度有限；磁力计则容易受到周围金属物体和电磁干扰的影响，导致测量误差较大，进而影响初始对准的精度。

国内学者在该领域也取得了丰硕的成果。在自适应滤波算法的研究与应用方面，通过对系统状态和观测噪声进行实时估计和调整，显著提高了初始对准的精度和鲁棒性。当纬度信息不准确或存在干扰时，自适应滤波算法能够根据系统的实时运行情况，自动调整滤波参数，有效地抑制噪声的影响，使系统能够更准确地估计载体的姿态和位置。然而，自适应滤波算法的计算复杂