平台式惯性导航系统解算仿真平台

资 源 简 介

本项目是一个基于MATLAB开发的完整平台式惯性导航解算仿真平台，专门用于模拟平台式惯导系统的物理运动、传感器数据采集及导航参数解算全过程。系统不仅包含了载体运动状态的模拟，还细致实现了平台框架的物理平衡维护逻辑。程序内部集成了陀螺仪和加速度计的输出数据仿真模块，能够根据设定的运动轨迹生成包含常值漂移、随机游走及白噪声的传感器原始原始测量值。解算核心部分严格按照平台惯导力学编排方程进行编写，实现了从原始比力数据到速度、位置以及姿态角的一系列实时计算。程序具备高度的自包含性，用户可以直接运行主脚本观测载体在

详 情 说 明

平台式惯性导航系统解算仿真系统

项目介绍

本项目是一个用于模拟平台式惯性导航系统（PINS）物理特性、传感器建模及导航解算全过程的综合数值仿真工具。系统通过构建高精度的地球物理模型和载体运动学方程，复现了平台式惯导系统在预设轨迹下的动态响应。核心算法实现了物理平台的水平和航向维护逻辑，涵盖了比力方程解算、重力补偿、舒勒补偿以及地球自转补偿等关键惯性导航技术。该系统不仅能计算实时的导航参数（位置、速度、姿态），还能对由于传感器漂移和随机噪声引起的导航误差增长进行深入的量化分析。

功能特性

1. 高保真运动轨迹仿真：系统能够生成包含匀速直线运动与加速机动状态的载体理想轨迹，并计算对应的理想航行参数。
2. 传感器误差综合建模：针对陀螺仪和加速度计，实现了包含常值漂移（Bias）、随机游走（Random Walk）以及高斯白噪声的误差模型，模拟真实物理器件的输出特性。
3. 平台坐标系物理模拟：不同于捷联惯导，本系统通过更新平台与导航系之间的转换矩阵，模拟了平台稳定回路维持导航坐标系对准的物理过程。
4. 导航力学编排解算：完整实现了平台式惯导的力学编排方程，包括位置敏感的地球曲率修正、哥氏加速度补偿以及高度相关的重力模型计算。
5. 实时误差传播分析：自动对比导航解算值与运动真值，生成位置和速度误差随时间演化的曲线，直观展示惯导系统的漂移特性。
6. 多维数据可视化：提供三维运动轨迹图、三轴速度解算曲线、平台失准角分析图以及误差累积统计图。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
2. 基础工具箱：安装有 MATLAB 基础运算功能，无需特殊工具箱。
3. 硬件建议：4GB RAM 或以上，支持图形加速的显示输出。

实现逻辑与算法结构

系统的执行流程严格遵循惯性导航系统的物理与数学逻辑，分为以下五个阶段：

1. 参数与环境初始化

系统首先定义 WGS-84 地球模型参数，包括长半轴、扁率、地球自转角速度以及重力常数。同时设置仿真频率为 100Hz，并定义传感器指标（如 0.02 deg/h 的陀螺漂移和 1e-4g 的加速度计零偏）。

1. 轨迹生成与理想数据计算

在循环中根据预设的机动指令（如 200s 至 400s 间的北向加速度）更新载体状态。基于当前纬度计算子午圈和卯酉圈曲率半径，并反导出在导航系下维持平台对准所需的理想比力和指令角速度。此步骤为后续解算提供了参考基准。

1. 传感器测量值仿真

将理想的比力和指令角速度叠加误差模型。随机误差通过白噪声序列经过采样周期缩放（除以采样时间的平方根）后生成，以确保在不同采样率下具有统计一致性。

1. 核心解算器逻辑

解算器在每个仿真步长执行以下操作：

• 补偿项计算：依据当前估计的纬度和速度，计算地球自转角速度在导航系的分量和由于载体运动导致的转动角速度（运载频率）。
• 平台失准维护：模拟平台控制回路。通过陀螺仪测量值减去指令角速度获取偏差，利用反对称阵更新平台坐标系到导航坐标系的姿态阵，从而模拟物理平台的失准现象。
• 比力和加速度解算：将传感器采集的比力转换至导航系，补偿掉哥氏加速度和重力加速度，得到载体相对于地球的真实加速度。
• 运动状态更新：采用梯形积分方法（均值积分）依次更新载体的东-北-天三向速度以及纬度、经度和高度。

1. 误差计算与后处理

对比解算出的地理坐标与真实轨迹，将经纬度偏差转换为以米为单位的物理距离，并利用绘图引擎输出分析报告，展示舒勒周期振荡特征。

关键算法细节说明

1. 舒勒补偿与地球率计算

程序通过实时解算 RM（子午圈半径）和 RN（卯酉圈半径），确保了在不同纬度下导航参数更新的准确性。通过将计算得到的运载角速度和地球自转角速度反馈至平台角速度指令中，实现了物理上的舒勒补偿，有效地抑制了由于重力分量引起的计算回路不稳定。

1. 平台姿态阵更新

采用了基于失准角增量的微分方程近似解。通过构造失准角向量的反对称矩阵，以一阶修正的方式更新平台与导航系间的变换矩阵。这一过程体现了平台式惯导“物理对准”的特点，即平台通过跟踪指令角速度来尝试抵消地球自转和载体运动的影响。

1. 重力模型

系统采用了随纬度变化的重力公式，考虑了地球扁率对重力加速度的影响。这种动态重力补偿对于高精度导航、防止高度通道发散具有重要意义。

1. 位置积分算法

系统在处理经纬度更新时，考虑了经向更新随纬度余弦值变化的几何特性，确保了在不同地理位置下运动模拟的正确性。同时，通过平均速度积分有效降低了由于离散采样引入的积分误差。