论文以捷联惯性导航系统的非线性初始对准为对象,研究了惯性系内多矢量定姿初始对准技术、惯性系非线性初始对准建模及滤波算法设计、惯性系传递对准和GPS辅助下运动基座初始对准等关键技术。主要研究内容包括:(1)研究了惯性系下基于多矢量定姿原理的最优估计自对准算法。对准算法将晃动基座下时变姿态阵的估计分为三部分:第一部分,是载体系在惯性空间内姿态变化,可利用陀螺仪输出进行姿态跟踪解算;第二部分,是导航系在惯性空间内的姿态变化,是地球自转角速度、对准点纬度和对准持续时间的已知函数,可解析计算;第三部分,是对准开始时刻载体系与导航系相对姿态。利用惯性凝固假设,将对准开始时刻的导航系和载体系凝固为惯性系,利用比力在惯性空间内为一个缓变物理量的特性,可由比力矢量构造多组定姿矢量,利用多矢量定姿算法在惯性系内实现对第三个姿态阵的估计,完成初始对准;对常见多矢量定姿算法的原理及其数值实现方法进行了介绍,并严格推导了一种基于罗德里格参数的简化多矢量定姿算法。(2)在惯性系内,大失准角条件下,以姿态分解的第三部分为估计对象,分别建立了用四元数和罗德里格参数进行姿态误差描述的简化初始对准模型。以惯性系内比力积分计算误差、载体系相对于惯性空间姿态变化跟踪误差、惯性器件误差为基本状态量,然后分别采用四元数、经典罗德里格参数来描述待估计姿态,并将其列入状态,以此建立对准系统方程,得到的系统方程为线性方程;以比力积分在载体惯性系和导航惯性系内投影的等式关系为基础构造量测方程,无论是基于四元数姿态描述还是基于罗德里格参数姿态描述,得到的量测方程均为状态量的二阶多项式函数,具有弱非线性。从而,在惯性系内,建立了两种简化的大失准角非线性初始对准模型。(3)设计了能有效处理系统方程线性、量测方程为状态量二阶非线性函数的滤波算法。针对惯性系内简化的非线性初始对准模型,时间更新采用标准卡尔曼滤波算法完成;对于二阶非线性量测方程,用其二阶泰勒级数展开进行等价描述,然后引入二阶EKF量测方法,完成量测更新。由此得到的滤波方案,在实现形式上与标准卡尔曼滤波完全一致,在数值计算上仅等效于增加了量测新息和量测新息方差阵的修正项,且受益于量测方程的特殊形式,修正项易于计算。进一步,对基于四元数姿态描述的滤波算法,在四元数模约束条件下,详细推导了其最优化实现方式;对基于经典罗德里格参数的滤波算法,讨论了算法中存在的奇异点问题,并给出了对奇异点的判别及处理方案。(4)讨论了惯性系滤波对准算法在传递对准中的应用。针对主子惯导系统相对姿态较大且真值未知情况下的传递对准问题,利用惯性系滤波对准原理,设计了一种惯性系下的传递对准方案。对惯性系下传递对准所使用的匹配量进行了分析和讨论,构造了惯性系下比力、比力积分、角速度和角速度积分四种匹配量;详细给出了采用惯性系比力积分加角速度积分匹配时,惯性系传递对准方案的具体实现,并在摇翼机动条件下对算法有效性进行了仿真验证。(5)研究了基于惯性系滤波对准方案的SINS/GPS运动基座初始对准算法。首先,详细地推导了运动基座初始对准算法的原理及量测量计算公式。其次,设计了惯性系基于罗德里格参数的运动基座初始对准方案。再次,以提高量测精度为目的,介绍了一种基于GPS载波相位时间差分的速度量测计算方法。然后,对运动基座初始对准非线性模型的可观性进行了分析,将状态可观性问题等价转化为一个非线性最小二乘求解问题,得到了针对该模型的可观性判别矩阵。最后,利用低精度MEMS IMU/GPS系统设计了地面验证试验,对算法有效性进行了试验验证。