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文献综述（或调研报告）：
- GPS定位算法
GPS全球定位系统是一种高精度的全球三维实时导航卫星系统，其导航定位的全球性和高精度，使之成为一种先进的导航设备。但是GPS全球定位系统也存在一些不足之处：难以提取载体姿态信息；GPS接收机的工作受飞行器机动的影响，当飞行器的机动超过GPS接收机的动态范围时，接收机会失锁，或动态误差太大，超过允许值，不能使用；GPS接收机数据更新频率低（一般每秒一次），因而难以满足实时控制的要求。由于上述不足，GPS全球定位系统还只能作为一种辅助导航设备，而不能作为唯一的导航设备使用。但因GPS全球定位系统的全球性和高精度，将其作为惯性导航系统的一种辅助导航设备是一种理想的选择。
惯性系统由于它工作的完全自主性，成为目前各种航行体上应用的一种主要导航设备。其主要缺点是导航定位误差随时间积累，因而难以长时间的独立工作。解决这一问题的途径有两个，一是提高惯导系统本身的精度，另一个是采用组合导航技术。提高惯导系统的精度，主要依靠采用新材料、新工艺、新技术，提高惯性器件的精度，或研制新型高精度的惯性器件。实践证明这需要花费很大的人力和财力，且惯性器件精度的提高是有限的。而组合导航则主要是通过软件技术来提高导航精度，实践证明这是一种很有效的方法。
GPS/惯性组合，克服了各自缺点，取长补短，使综合后的导航精度高于两个系统单独工作的精度。根据不同的应用要求，有不同水平的综合，大体分为松组合和紧组合。
- 卡尔曼滤波
卡尔曼滤波是一种最优估计技术，它能够利用线性系统状态方程，通过系统的输入输出量观测数据。由于观测数据中一般包括系统中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可以看作是滤波过程。卡尔曼滤波是一种递推线性最小方差估计，它的估计准则是线性、无偏、估计的均方误差最小。
在设计卡尔曼滤波器之前，需要先进行系统的可观测性分析，确定卡尔曼滤波器的滤波效果。系统可观测性分析包括两个部分：一是确定系统是否完全可观测；二是对不完全可观测系统大致确定哪些状态变量可观测。在静基座对准时，捷联式惯导系统的卡尔曼滤波模型可近似为线性定常系统。
- GPS系统的工作原理
测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到。
- 捷联式惯导系统的工作原理
惯性导航的工作基础是牛顿力学定律，即惯性元件在载体内部测量出载体加速度，对其积分则可获得载体的速度、位置等信息。传统的平台式惯导系统都有一个惯导平台来跟踪导航坐标系以获取载体的姿态、方位信息。捷联式惯导系统省去了机电式的导航平台，用计算机完成导航平台的功能，在降低系统体积、重量、成本的同时，也提高了提供信息的完整性和可靠性。
- 姿态阵计算
捷联惯导系统使用“数学平台”代替导航平台，其主要技术关键之一就是姿态方位的实时计算。因此，需要借助力学中的刚体定点转动理论确定载体坐标系和地理坐标系之间的方位关系。常用的姿态阵计算按矢量参数的不同可划分为欧拉角法、四元数法及方向余弦法，其中，欧拉角法不能进行全姿态解算，方向余弦法工作量过大，因此工业上一般采用四元数和等效转动矢量结合的方法计算姿态阵，具体使用情况需取决于导航要求。由质量引力和向心力引起的加速度之和即为当地重力矢量，获取重力矢量和由陀螺仪测得的地球自转角速度即可求得姿态阵。
- 比力变换
固连于载体上的加速度计提供载体坐标系中的比力测量值，通过转换阵，可把沿载体坐标系的比力变换成导航坐标系上的比力。
综上：姿态阵计算、比力坐标变换、姿态航向计算统称为捷联式惯导系统的“数学平台”。加上其他部分与平台式惯导系统相同，即位置计算、位置矩阵计算、角速度计算及速度计算，可得捷联式惯导系统程序编排如下：
图1 捷联式惯导系统程序编排
- 捷联惯导系统的误差分析
惯性导航系统的误差源主要有仪表自身误差、仪表安装和标度误差、初始条件误差、系统计算误差及其他干扰导致的误差。其中，对于捷联式惯导系统来说，影响其系统精度的主要是以陀螺仪漂移和加速度计零位偏置为代表的各种随机误差。环境温度的变化会造成明显的漂移和零偏，随机零偏会产生角度输出的均方根值，而角度输出随时间的平方根增长。尤其在光学敏感器中，这种误差造成的影响非常大。同时，由于捷联式惯导系统中惯性仪表是直接固联在载体上，直接承受载体的冲击和振动，因此更易受到环境误差的影响。并且由于使用数学平台代替物理平台，捷联式惯导系统的计算误差，也相对平台式惯导系统更大。但同平台式惯导系统一致，其误差方程也分为姿态角误差方程、速度误差方程和位置误差方程三项。综上，捷联式惯导系统的主要关键技术是提高捷联陀螺的精度并对其进行误差补偿。
- GPS姿态测量解算
图2 GPS姿态测量解算流程
要使GPS具备姿态测量功能，需满足一下条件：
（1）接收机使用两个或更多天线。采用两个或更多天线以构成基线向量。采用两个天线能测量航向和俯仰角，采用不在一条线上的3个天线组合能测量航向、俯仰和横滚角。
（2）采用载波测量数据。GPS接收机所能测量的伪距精度不足以用于测姿，必须使用载波的测量数据。
（3）求解载波周期模糊度。载波周期模糊度无法直接观测，也不能直接计算，只能通过复杂的数学模型从众多的候选值中进行挑选。目前国内外存在不少求解模糊度的数学模型，但绝大多数因为所需的计算量太大而不能用于实时计算，只适用于后加工处理，因而不能用于实时测姿。目前国内外研究这一技术的单位很多，但真正可用于高动态实时导航的算法还很少见。
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资料编号：[194089]
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