1．目的及意义

本次课题为捷联式惯性导航系统仿真平台的设计与实现。将运载体从起始点引导到目的地的技术或方法称为导航，导航系统提供的信息主要有姿态、方位、速度和位置，甚至还包括加速度和角速率，这些信息可用于运载体的正确操纵和控制。随着技术的发展，导航系统的种类越来越多，比如惯导系统、卫星导航系统、磁罗盘、里程仪/多普勒测速仪/空速计、气压高度表/雷达高度表、地标点/地图匹配等。

作为自主式导航系统代表的惯性导航系统，因其几乎不受天气和人为等干扰因素的影响，无需向外部辐射任何能量，并且能够全程提供载体的姿态信息（偏航角、俯仰角、横滚角），在航空、航天、航海、地面车辆和大地测量等技术领域中得到了广泛的应用。惯性导航技术以牛顿力学为基础，不依赖任何外部参考信息，就能提供导航参数利用惯性通过惯性传感器(陀螺仪和加速度计)来测量载体的线运动和角运动，然后通过一系列数学解算来实时解算运动载体的位置、速度和姿态信息。

目前惯性导航系统有平台式和捷联式两种实现方式。捷联式惯导系统(Strap-down Inertial NavigationSystem，SINS)与平台式惯导系统最大的不同是省去了机电导航平台，将惯性元器件(陀螺仪和加速度计)直接安装在载体上，从而可以省去复杂的机电平台、简化结构、减小系统总体重量、体积和成本，提升可靠性，并且还可通过余度技术提高其容错能力。并且由于诸如激光陀螺、光纤陀螺等固态惯性器件的出，和计算机技术的快速发展和计算理论的日益完善，捷联式惯导的优越性日趋显露。

针对惯性导航系统的开发，传统方式主要以实物实验为主，这导致了系统开发周期长，实验费用也高，并且随着现在陀螺仪等硬件技术的飞速发展，已经越来越不能满足新形势下系统的开发需求。将计算机仿真技术应用于捷联惯性导航系统中将极大的降低成本并且降低研发风险，缩短开发周期。仿真系统可模拟不同的惯性元器件，调整载体的运动轨迹参数与动态特性，从而针对不同的运载体轨迹特点进行有针对性的算法优化，有助于开发出高性能的导航计算机，推动捷联导航技术的发展。由此，开发惯性导航仿真系统可以带来极为可观的效益。

美国是最早将捷联惯性导航系统应用于实际的国家。1969 年，在美国航天局筹划的登月项目中，当阿波罗 13 号服务舱发生爆炸时，捷联惯性导航系统作为宇航飞船的应急备份装置，在将飞船引导到返回地球轨道的过程中起到了决定性作用。1978 年，美国斯佩里航海公司率先研制出MK 16 Mod II 型陀螺稳定器并将其安装于导弹驱逐舰上。该装置由 3 个陀螺仪、3 个加速度计和一台计算机组成，采用了捷联式方案。此后该公司的捷联式技术不断发展，其 MK 49 型系列产品，自 90 年代以来广泛用于水面舰艇和核潜艇上。目前捷联式惯性技术已经大量投入到各国军事应用中，在民用中，随着无人机和自动驾驶技术的发展，惯性导航技术因其造价相对低廉，亦将得到了广泛的应用。但是由于惯性技术主要涉及国防等敏感领域，公开资料较少。且公开的资料主要是导航算法的讲解，工程应用的实例很少。

我国从上世纪 50 年代开始研制惯性仪表，从 70 年代开始研制惯性导航系统，经过了数十年的发展，已经达到了较高的技术水平。目前我国已经在惯性导航系统的各种应用领域中取得了丰硕的理论研究成果，但是在建立捷联惯性导航系统虚拟仿真平台所需的误差模型库、工程基础数学库、各种测试与仿真环境等方面还存在着很大的完善空间。近年来对惯性导航系统研制中使用的仿真技术受到了政府有关部门和多个科研院所的高度重视，南京航空航天大学、西北工业大学等针对组合导航系统进行了半物理仿真和可视化仿真，东南大学自动化研究所针对某种惯性导航系统建立了惯性导航系统训练模拟器。国内对惯性系统仿真主要利用Matlab或 Labview进行导航算法的仿真，在界面上绘制载体的位置、方向角等曲线，但是能够对惯性导航系统的数字测量结果进行可视化显示、可便利地使用虚拟仿真系统对于导航算法进行验证以及对导航系统的性能进行评估的系统到现在为止还很少见。

捷联式惯性导航系统仿真平台将惯性导航技术与计算机仿真技术进行了有机结合，具有很好的应用前景，受到国内外的普遍重视。在捷联惯导系统的研发中恰当的运用计算机仿真技术可以有效降低研发成本，并缩短研发周期。综上，开发出一套功能完备的捷联惯性导航仿真系统具有很大的理论指导意义和工程实用价值。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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1.研究基本内容：

在系统了解和学习捷联式惯性导航系统（SINS）原理后，具体以舰船为应用对象，设计SINS仿真平台。该仿真平台的具体要求如下：

（1）系统可模拟海洋激励下的舰船运动，以生成理想的舰船姿态、速度、加速度以及位置信息；

（2）系统可利用模拟舰船运动信息，逆向导航解算生成SINS惯性测量单元（IMU）的理想测量数据；