地心地固坐标系下的惯性导航基础   云浮登高车出租, 云浮登高车租赁, 云浮登高车  本文仅针对SINS进行研究，即本文所述INS均指捷联式INS。惯性导航方程的具体形式取决于所选用的导航解算坐标系(简称导航坐标系)，因此可具体分为：地心惯性系下的导航方程、地心地固坐标系下的导航方程以及当地水平(地理)坐标系下的导航方程(Groves2013)，其中后两者较为常用。不同的导航坐标系所引起的不仅是导航方程的差异，还涉及导航算法实现上的差异，因此导航坐标系的选择是值得关注的问题。与当地水平坐标系相比较，地心地固坐标系下的GNSS/INS紧组合的状态方程与观测方程更为简便，这是因为GNSS观测方程通常是在地心地固坐标系下表示的。较早的研究了地心地固坐标系下的捷联惯性导航算法，他们使用实测数据解算表明：该坐标系下与当地水平(地理)坐标系下的精度相当，但是效率提高30%多。因此，国外许多组合导航领域的硕博论文都直接选取地心地固坐标系作为导航坐标系。国内也有不少学者也已经转向使用地心地固坐标系。知名的GNSS/INS组合导航数据后处理软件IE(InertialExplorer)的说明书中指出，该软件选取的也是地心地固坐标系。综合以上考虑，本文主要研究地心地固坐标系下的相关模型与算法。主要针对地心地固坐标系下的惯性导航基础进行研究，但是本章并非简单重复前人的工作。在梳理惯性导航及组合导航的相关文献后，作者发现这些文献存在如下差异：

     ①各自使用独立的符号系统；②对于坐标系和姿态角的定义和约定不尽相同；③对惯性导航误差的定义不尽相同，其中位置、速度误差的定义又不一定与GNSS误差方程中的一致；④所考虑的陀螺、加速度计具体误差项不同。这些差异使得推导出的惯性导航误差方程存在形式上的区别，误差改正公式也会有所不同。尽管以上差异导致了一些混乱，但只要做到内部自洽即可。本章围绕这些容易混淆和难以区分的地方，旨在形成一套自洽的符号、定义及约定，以避免在组合导航编程实践中出现各种难以解释的问题。

    坐标系及姿态角定义在惯性导航中，必须首先明确各种坐标系、姿态角的定义以及姿态角的表示方法。在不同文献中，坐标系(尤其是当地水平坐标系、载体坐标系)的定义不尽相同、姿态角转动次序和表示方式(欧拉角、方向余弦矩阵、四元数)也有差异。这些差异导致了惯性导航算法具体实现的差异、惯性导航误差方程表示上的差异等。因此，本章首先对它们进行明确，以免引起不必要的混乱。

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    常用坐标系定义惯性导航中主要涉及如下四种坐标系，它们的定义如下：(1)地心惯性坐标系所谓惯性坐标系(ECI)是指相对于宇宙的其他部分，既没有加速也没有转动的坐标系。这种定义下的惯性坐标系是不唯一的。惯性导航中常用地心惯性坐标系，用符号i来表示，它的坐标原点取在地球质心，z轴为地球自转轴并指向北极，x、y轴无加速、无转动并与z轴构成右手坐标系。

   (2)地心地固坐标系地心地固坐标系又称为地球坐标系或地固坐标系，用符号e来表示，其所有轴系都与地球固联并随着地球的转动而转动。地心地固坐标系取地球质心作为坐标原点，即与地心惯性坐标系重合，z轴为地球自转轴并指向北极，x轴指向赤道与零度子午线的交点，y轴与x、z轴构成右手坐标系。

   (3)当地水平坐标系当地水平坐标系又被称为当地地理坐标系或当地导航坐标系，常用符号n来表示，其坐标原点为运动载体的中心，z轴(又称U轴)沿参考椭球的法线方向并指向上，x轴(又称E轴)纬度方向并指向东，y轴(又称N轴)沿经度方向并指向北，如此所定义的当地水平坐标系又被称为东北天坐标系。此外，北东地形式的坐标系也常在当地水平坐标系中被采用，具体的定义可参考相关文献。

  

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