基于虚拟螺旋运动坐标系的捷联速度算法研究

Under the highly dynamic environment, noncommutativity of a rotation of a rigid body will lead to negative effects of the sculling term on the velocity calculation for a strapdown inertial navigation system (SINS). Thereafter designing a good strapdown velocity algorithm is important for SINS. Normal algorithms make the approximation in describing the sculling term. Aslo there are limitations of testing input environment in the procedure of optimizing the coefficients. Besides, normal algorithms neglect influences of imperfection of inertial measurement units (IMU) and pre-filter transfer function on algorithm design. To solve the problem that there are approximations in deducing the sculling term from the specific force integral, this project will construct a virtual frame, virtual screw motion frame, which traces the angular velocity and acceleration vectors, and then design the framework based on the virtual screw motion frame. In addition, accounting for the limitation of common testing environments and the neglect of imperfection of IMU and pre-filter transfer function, we will give the dual-screw-motion testing environment with the consideration of IMU working characteristics, and then accomplish the algorithm coefficient design. This project will be meaningful to strapdown velocity algorithm theory and improving the SINS performance.

高动态环境下，刚体转动的不可交换性会使得划船补偿项对捷联惯性导航系统的速度解算产生影响，设计高性能的捷联速度算法至关重要。现有算法在划船补偿项表达上存在简化；在算法待定系数优化过程中存在测试输入环境使用局限性；并且未考虑IMU和预处理滤波器的传递函数不理想对算法设计的影响。不同于现有算法的思路，本项目拟建立虚拟坐标系——虚拟螺旋运动坐标系，实现对于载体角速度和比力的跟踪，并在该坐标系上设计算法的框架结构，整体考虑比力积分增量的计算，解决由比力积分增量推导划船补偿项的过程中存在简化近似的问题。进一步，拟构建双螺旋运动测试输入环境来优化算法，并在优化过程中考虑IMU和预处理滤波器的传递函数，解决现有测试输入环境局限性以及算法设计中忽略IMU和预处理滤波器的传递函数不理想所导致的问题。本项目的研究将丰富捷联速度算法基础理论，同时对提升捷联惯导系统的性能起到重要作用。

对于捷联惯性导航系统来说，刚体转动的不可交换性会使得划船补偿项对其速度解算产生不良影响，设计高精度的捷联速度算法以提升系统速度解算精度进而提升系统性能至关重要。本项目在捷联惯性导航系统捷联速度算法研究中引入虚拟坐标系——虚拟螺旋运动坐标系，实现对于载体角速度和比力的跟踪，并在该坐标系上设计算法的框架结构，整体考虑比力积分增量的计算，解决了由比力积分增量推导划船补偿项的过程中存在简化近似的问题。进一步，我们设计了双螺旋运动测试输入环境，并在该环境下优化算法，在优化过程中考虑IMU的传递函数，解决现有测试输入环境局限性以及算法设计中忽略IMU和预处理滤波器的传递函数不理想所导致的问题。本项目的研究丰富了捷联速度算法基础理论，同时对提升捷联惯导系统的性能起到重要作用。