导航原理基础实验指导书
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I
实验一 惯性测量单元误差标定与分析实验
一、实验目的
1、通过在速率转台上的测试实验，增强动手能力和对惯性测试设备的感性 认识；
2、通过对加速度计数据的分析，对加速度计误差参数的物理意义有清晰的 认识；
3、通过对陀螺仪数据的分析，对陀螺仪误差参数的物理意义有清晰的认识； 4、通过惯性测量单元在速率转台上的数据，完成对惯性测量单元的标定， 对惯性测量单元的误差模型有清晰的认识 5、为在实际工程中应用惯性测量单元和对惯性测量单元进行误差建模与补 偿奠定基础。 二、实验内容
差，标度因数，以及噪声。其中偏差又可分为常值部分与随机部分。单轴加速度
计的误差模型可表示为：
~ fx
fx
bfx
S fx
fx
（1-1）
式中
~ fx
表示加速度计的实际输出，
fx
表示加速度计真实输入，b fx
表示偏差，
S fx 表示标度因数，而 fx 表示噪声。
2、陀螺仪的误差模型
惯性测量单元中的陀螺仪可以测量载体运动的角速度。陀螺仪的误差包括偏 差，标度因数，以及噪声。与加速度计类似，其偏差也可分为常值部分和随机部
实验二 惯性导航静态实验 .................................................................................................................... 5 一、实验目的 ................................................................................................................................ 5 二、实验内容 ................................................................................................................................ 5 三、实验原理 ................................................................................................................................ 5 四、实验器材 ................................................................................................................................ 8 五、实验步骤 ................................................................................................................................ 8 六、实验注意事项......................................................................................................................... 8 七、实验报告要求......................................................................................................................... 8
实验三 导航解算（接收机位置、时间）及结果分析 ........................................................................ 9 一、实验目的 ................................................................................................................................ 9 二、实验内容 ................................................................................................................................ 9 三、实验原理 ................................................................................................................................ 9 四、实验器材 .............................................................................................................................. 13 五、实验步骤 .............................................................................................................................. 13 六、实验注意事项....................................................................................................................... 14 七、实验报告要求....................................................................................................................... 14
4、惯性测量单元误差标定
本实验利用速率转台对惯性测量单元进行标定。利用速率转台可以给惯性测
量单元提供一个与当地水平面（地理坐标系中北向和东向确定的平面）和稳定的
已知旋转速率。式(1-3)和（1-4）可表示为矩阵的形式:
~ ~f x ~f y fz
f f f
x y z
b b b
表示 i 轴加速度计和陀螺仪标度因数， fij ,ij 分别表示 i, j 轴安装误差对 i 轴加速
度计和陀螺仪的影响， fi ,i 分别表示 i 轴加速度计和陀螺仪的噪声误差。对于
不同的理论输入值，我们可以获得不同的观测量方程，从而对式（1-5）和（1-6）
中的误差参数进行计算，已实现对惯性测量单元的标定。
1、根据与惯性测量单元的误差模型，确定利用单轴速率转台上能进行标定 的惯性测量单元误差参数；
2、利用惯性测量单元在单轴速率转台上的数据，进行加速度计和陀螺仪的 误差标定；
3、进行零偏重复性测试； 4、进行加速度计和陀螺仪误差补偿实验。 三、实验原理
1、加速度计的误差模型 惯性测量单元中的加速度计可以测量非引力加速度。加速度计的误差包括偏
by bz
0 0
0 Sy 0
0 0
x
y
0 , yx
Sz z ,zx
, xy 0
,zy
, ,
xz yz
xy
x y
0 z z
（1-6）
式中
~ fi
,
~i
分别表示
i
轴加速度计和陀螺仪的实际输出，
fi ,i
分别表示
i
轴的
加速度计和陀螺仪输入， bfi ,bi 分别表示 i 轴加速度计和陀螺仪偏差， S fi , Si 分别
称为安装误差。惯性测量单元中三轴加速度计和三轴陀螺仪的误差模型可分别表
示为：
I f f bf Sf N f f
（1-3）
I b S N
（1-4）
式中 I f , I 分别表示三轴加速计和陀螺仪的实际输出，f , 分别表示三轴加速 度计和陀螺仪真实输入， bf ,b 分别表示三轴加速度计和陀螺仪偏差， S f ,S 分别 表示三轴加速度计和陀螺仪标度因数，N f , N 分别表示三轴加速度计和陀螺仪的 安装误差，而 f , 分别表示三轴加速度计和陀螺仪噪声。
分。单轴陀螺仪的误差模型可表示为：
~x x bx Sx x
（1-2）
1
式中 ~x 表示陀螺仪的实际输出，x 表示陀螺仪真实输入，bx 表示偏差，Sx 表示标度因数，而 x 表示噪声。
3、惯性测量单元的误差模型
惯性测量单元由三轴相互垂直的加速度计和陀螺仪组成。在加速度计误差和
陀螺仪误差的基础上，惯性测量单元还包括由于三轴不完全垂直所引入的误差，
导航原理基础实验指导书
承担单位：航空航天学院 负责教师：李 滚/杜 爽
2016 年 4 月
目录
实验一 惯性测量单元误差标定与分析实验 ........................................................................................ 1 一、实验目的 ................................................................................................................................ 1 二、实验内容 ................................................................................................................................ 1 三、实验原理 ................................................................................................................................ 1 四、实验器材 ................................................................................................................................ 2 五、实验步骤 ................................................................................................................................ 3 六.实验注意事项............................................................................................................................ 3 七.实验报告要求............................................................................................................................ 3
fx fy fz
S0fx 0
0 S fy 0
0 0
f f
x y
0
f , yx
S fz f z f ,zxபைடு நூலகம்
f ,xy 0
f ,zy
f f
, xz , yz
f f
x y
fx fy
0 f z fz
（1-5）
~x x bx Sx
~~yz
y z
四、实验器材
单轴速率转台、MEMS 陀螺仪（或光纤陀螺仪）、稳压电源、数据采集系统与 分析系统。
2
五、实验步骤 标度因数和零偏测试实验 a. 将惯性测量单元安装在转台上（使 Z 轴和转台旋转轴重合，如下图所示），
实验一 惯性测量单元误差标定与分析实验
一、实验目的
1、通过在速率转台上的测试实验，增强动手能力和对惯性测试设备的感性 认识；
2、通过对加速度计数据的分析，对加速度计误差参数的物理意义有清晰的 认识；
3、通过对陀螺仪数据的分析，对陀螺仪误差参数的物理意义有清晰的认识； 4、通过惯性测量单元在速率转台上的数据，完成对惯性测量单元的标定， 对惯性测量单元的误差模型有清晰的认识 5、为在实际工程中应用惯性测量单元和对惯性测量单元进行误差建模与补 偿奠定基础。 二、实验内容
差，标度因数，以及噪声。其中偏差又可分为常值部分与随机部分。单轴加速度
计的误差模型可表示为：
~ fx
fx
bfx
S fx
fx
（1-1）
式中
~ fx
表示加速度计的实际输出，
fx
表示加速度计真实输入，b fx
表示偏差，
S fx 表示标度因数，而 fx 表示噪声。
2、陀螺仪的误差模型
惯性测量单元中的陀螺仪可以测量载体运动的角速度。陀螺仪的误差包括偏 差，标度因数，以及噪声。与加速度计类似，其偏差也可分为常值部分和随机部
实验二 惯性导航静态实验 .................................................................................................................... 5 一、实验目的 ................................................................................................................................ 5 二、实验内容 ................................................................................................................................ 5 三、实验原理 ................................................................................................................................ 5 四、实验器材 ................................................................................................................................ 8 五、实验步骤 ................................................................................................................................ 8 六、实验注意事项......................................................................................................................... 8 七、实验报告要求......................................................................................................................... 8
实验三 导航解算（接收机位置、时间）及结果分析 ........................................................................ 9 一、实验目的 ................................................................................................................................ 9 二、实验内容 ................................................................................................................................ 9 三、实验原理 ................................................................................................................................ 9 四、实验器材 .............................................................................................................................. 13 五、实验步骤 .............................................................................................................................. 13 六、实验注意事项....................................................................................................................... 14 七、实验报告要求....................................................................................................................... 14
4、惯性测量单元误差标定
本实验利用速率转台对惯性测量单元进行标定。利用速率转台可以给惯性测
量单元提供一个与当地水平面（地理坐标系中北向和东向确定的平面）和稳定的
已知旋转速率。式(1-3)和（1-4）可表示为矩阵的形式:
~ ~f x ~f y fz
f f f
x y z
b b b
表示 i 轴加速度计和陀螺仪标度因数， fij ,ij 分别表示 i, j 轴安装误差对 i 轴加速
度计和陀螺仪的影响， fi ,i 分别表示 i 轴加速度计和陀螺仪的噪声误差。对于
不同的理论输入值，我们可以获得不同的观测量方程，从而对式（1-5）和（1-6）
中的误差参数进行计算，已实现对惯性测量单元的标定。
1、根据与惯性测量单元的误差模型，确定利用单轴速率转台上能进行标定 的惯性测量单元误差参数；
2、利用惯性测量单元在单轴速率转台上的数据，进行加速度计和陀螺仪的 误差标定；
3、进行零偏重复性测试； 4、进行加速度计和陀螺仪误差补偿实验。 三、实验原理
1、加速度计的误差模型 惯性测量单元中的加速度计可以测量非引力加速度。加速度计的误差包括偏
by bz
0 0
0 Sy 0
0 0
x
y
0 , yx
Sz z ,zx
, xy 0
,zy
, ,
xz yz
xy
x y
0 z z
（1-6）
式中
~ fi
,
~i
分别表示
i
轴加速度计和陀螺仪的实际输出，
fi ,i
分别表示
i
轴的
加速度计和陀螺仪输入， bfi ,bi 分别表示 i 轴加速度计和陀螺仪偏差， S fi , Si 分别
称为安装误差。惯性测量单元中三轴加速度计和三轴陀螺仪的误差模型可分别表
示为：
I f f bf Sf N f f
（1-3）
I b S N
（1-4）
式中 I f , I 分别表示三轴加速计和陀螺仪的实际输出，f , 分别表示三轴加速 度计和陀螺仪真实输入， bf ,b 分别表示三轴加速度计和陀螺仪偏差， S f ,S 分别 表示三轴加速度计和陀螺仪标度因数，N f , N 分别表示三轴加速度计和陀螺仪的 安装误差，而 f , 分别表示三轴加速度计和陀螺仪噪声。
分。单轴陀螺仪的误差模型可表示为：
~x x bx Sx x
（1-2）
1
式中 ~x 表示陀螺仪的实际输出，x 表示陀螺仪真实输入，bx 表示偏差，Sx 表示标度因数，而 x 表示噪声。
3、惯性测量单元的误差模型
惯性测量单元由三轴相互垂直的加速度计和陀螺仪组成。在加速度计误差和
陀螺仪误差的基础上，惯性测量单元还包括由于三轴不完全垂直所引入的误差，
导航原理基础实验指导书
承担单位：航空航天学院 负责教师：李 滚/杜 爽
2016 年 4 月
目录
实验一 惯性测量单元误差标定与分析实验 ........................................................................................ 1 一、实验目的 ................................................................................................................................ 1 二、实验内容 ................................................................................................................................ 1 三、实验原理 ................................................................................................................................ 1 四、实验器材 ................................................................................................................................ 2 五、实验步骤 ................................................................................................................................ 3 六.实验注意事项............................................................................................................................ 3 七.实验报告要求............................................................................................................................ 3
fx fy fz
S0fx 0
0 S fy 0
0 0
f f
x y
0
f , yx
S fz f z f ,zxபைடு நூலகம்
f ,xy 0
f ,zy
f f
, xz , yz
f f
x y
fx fy
0 f z fz
（1-5）
~x x bx Sx
~~yz
y z
四、实验器材
单轴速率转台、MEMS 陀螺仪（或光纤陀螺仪）、稳压电源、数据采集系统与 分析系统。
2
五、实验步骤 标度因数和零偏测试实验 a. 将惯性测量单元安装在转台上（使 Z 轴和转台旋转轴重合，如下图所示），