初识惯导系统
惯导(惯性导航系统).
北京七维航测科技股份有限公司 Beijing SDi Science&Technology Co.,Ltd.惯导(惯性导航系统)概述惯性导航系统（INS，以下简称惯导）是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。
其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。
惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
惯性导航系统（英语：INS）惯性导航系统是以陀螺和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统，该系统根据陀螺的输出建立导航坐标系，根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置。
运用领域现代惯性技术在各国政府雄厚资金的支持下，己经从最初的军事应用渗透到民用领域。
惯性技术在国防装备技术中占有非常重要的地位。
对于惯性制导的中远程导弹，一般说来命中精度70%取决于制导系统的精度。
对于导弹核潜艇，由于潜航时间长，其位置和速度是变化的，而这些数据是发射导弹的初始参数，直接影响导弹的命中精度，因而需要提供高精度位置、速度和垂直对准信号。
目前适用于潜艇的唯一导航设备就是惯性导航系统。
惯性导航完全是依靠运载体自身设备独立自主地进行导航，不依赖外部信息，具有隐蔽性好、工作不受气象条件和人为干扰影响的优点，而且精度高。
对于远程巡航导弹，惯性制导系统加上地图匹配技术或其它制导技术，可保证它飞越几千公里之后仍能以很高的精度击中目标。
惯性技术己经逐步推广到航天、航空、航海、石油开发、大地测量、海洋调查、地质钻控、机器人技术和铁路等领域，随着新型惯性敏感器件的出现，惯性技术在汽车工业、医疗电子设备中都得到了应用。
因此惯性技术不仅在国防现代化中占有十分重要的地位，在国民经济各个领域中也日益显示出它的巨大作用。
北京七维航测科技股份有限公司Beijing SDi Science&Technology Co.,Ltd.导航和惯导从广义上讲从起始点将航行载体引导到目的地的过程统称为导航。
第五章惯性导航系统(PPT-70)
第五章 惯性导航系统
一、概 述
用一种叫加速度计的仪表测量到飞机（物体）的运动加速度后，飞
第五章 惯性导航系统
所谓导航，是指在某参考系内将运动物体以一点引导到 另一点的过程。
惯性导航所要解决的基本问题是不断确定载体的姿态、 速度和位置。
任何物质的运动和变化，都是在空间和时间中进行的。物 体的运动或静止及其在空间的位置，是指它相对另一物体而 言。这就是说，在描述物体的运动时，必须选定一个或几个 物体作为参考系。当物体对于参考系的位置有了变化时，就 说明该物体发生了运动。
速度分解为沿地理北向和地理东向两
个分量
vN v cos
vE v sin
飞行速度北向分量vN引起地理坐标系绕 平行于地理东西方向的地心轴转动，其
转动角速度为
vN v cos Rh Rh
飞行速度引起地理坐标系转动
第五章 惯性导航系统
二、有关知识
当地地理坐标系的绝对角速度
第五章 惯性导航系统
一、概 述
第五章 惯性导航系统
一、概 述
实际惯导系统不仅能提供即时速度和即时位置，还可以测量飞机 的姿态。在捷联式惯导系统中可提供多达35个参数，构成惯性基 准系统。
35个参数中主要有：即时经度和纬度；飞机地速，航迹角；飞机 三个姿态角和角速度；沿机体轴的三个线加速度；垂直速度；惯 性高度。此外，在由大气数据系统提供真空速条件下，还输出风 速风向（角）等。
OENζ相对惯性坐标系的转动 角速度应包括两个部分：相 对角速度，它是由于飞机相 对于地球运动而形成的；牵 连角速度，它是地球相对惯 性坐标系运动形成的。
《惯性导航系统》课件
软件温度补偿
通过算法对温度变化引起的误差进 行估计和补偿，提高导航精度。
混合温度补偿
结合硬件和软件温度补偿的优势， 进一步提高导航精度。
05
惯性导航系统发展现状与 趋势
国内外研究现状
国内研究现状
国内在惯性导航系统领域的研究起步较晚，但近年来发展迅速，取得了一系列重要成果。国内的研究 主要集中在技术研发、系统集成和实际应用等方面，涉及的领域包括航空、航天、航海、机器人等。
陀螺仪的精度和稳定性对惯性导航系 统的性能有着至关重要的影响。
它通过高速旋转的陀螺仪能够感知方 向的变化，并将这些变化转化为电信 号，以供其他组件使用。
不同类型的陀螺仪（如机械陀螺仪、 光纤陀螺仪、激光陀螺仪等）具有不 同的特点和应用场景。
加速度计
01
加速度计用于测量物体在惯性参 考系下的加速度。
动态调整初始对准过程中的参数。
动态误差与扰动误差
要点一
动态误差与扰动误差
在动态环境下，惯性导航系统会受到各种扰动因素的影响 ，如车辆颠簸、气流扰动等。这些扰动因素会导致系统输 出数据出现偏差，从而影响导航精度。为了减小这些误差 ，可以采用多种技术手段，如滤波算法、卡尔曼滤波等。
要点二
卡尔曼滤波
卡尔曼滤波是一种基于状态方程和观测方程的递归滤波算 法，可以对系统状态进行最优估计。通过将卡尔曼滤波算 法应用于惯性导航系统中，可以有效减小由于动态环境和 扰动因素引起的误差。此外，还可以采用其他先进的滤波 算法，如扩展卡尔曼滤波、粒子滤波等，根据实际情况选 择最适合的算法来减小动态误差与扰动误差。
案例分析：无人机导航系统
案例背景介绍
介绍无人机导航系统的应用场景和需求，阐述其重要性和挑战。
惯导
惯导系统概述惯性导航系统的概念惯性导航系统（I NS，以下简称惯导）是利用惯性元件和惯性测量原理来测量飞机的飞行参数的一种导航系统。
惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
惯性导航系统的分类从结构上来说，以惯性导航系统中有无惯性平台为依据，可将惯性导航分成以下几种：平台式惯性导航系统——系统的主要特征就是具有由稳定回路隔离运载器使其不受运载器机动干扰的平台，在平台式系统中，由于平台不跟随运载器转动，陀螺的动态范围可以比较小，并且由于由稳定回路隔离运载器的机动干扰，也就易于保证系统的工作精度如图1。
图 1平台式惯导又可分为指北方位惯导系统、自由方位惯导系统和游动方位惯导系统。
指北方位惯导系统，主要指陀螺平台建立的理想平台坐标与地理坐标系完全重合的惯导系统。
这种系统平台台面在水平面内，且有一轴始终指向北方。
指北方位导航系统的特点：（1）由于平台是指北方位的水平平面，因此，它相当于一个高精度的全姿态传感器，可以直接提供俯仰、倾斜和航向信号，取代了用普通陀螺做成的姿态系统、航向系统、速率脱落传感器等。
（2）由于平台稳定在地理坐标系内，加速度计测出沿地理系两个轴的分力，用它们求解导航参数以及指令角速率方程比较简单，因而对计算机要求较低。
（3）系统的缺点是不能在高纬度区工作，这是因为飞机在高纬度地区飞行时，可能引起方位迅速变化，这样给陀螺力矩器的设计和平台稳定回路的设计带来较大的困难，另外计算机在计算方位指令速率时，当纬度接近90º时，计算机会溢出；此外，在极区进行起始对准也很困难。
上述因素限制了指北方位惯导系统的使用范围。
自由方位惯导系统，指陀螺平台保持在当地水平面内，其方位轴指向惯性空间的某一个方向，并保持稳定的惯导系统。
这样的平台系统上的方位陀螺将不施加控制信号，只能对控制平台保持在当地水平面内的陀螺施加控制指令。
惯导系统课件121224讲解
据航海界规定，若同一子午圈上两点的纬度差1' ，则两点
间距离为1海里(nautical mile，简写为n mile），将地球近 似为圆球，则
1nmile 1 6371000 1853.2m 1.85km 60 180
由此可知，同一地点若分别用地理纬度和地心纬度来表示其位置时，则 引起的南北方向的最大偏差为11nmile，约为20km。
1.2 导航坐标系
主讲人：张炎华
航空航天学院 导航、制导与控制 Guidance, Navigation and Control
School of Aeronautics and Astronautics
2019/6/9
1
1.2.1 导航坐标系概述
导航坐标系定义
描述运动物体所在位置和运动规律的参考体基准。
上述地心惯性坐标系（ECI）由于岁差和章动的影响，地球及其质心围 绕太阳做非匀速直线运动，且自转轴的方向不是固定不变的，实际上 并没有满足成为惯性坐标系的条件。 由于导航系统的运行周期远小于地球公转、岁差和章动现象的周期， 所以该坐标系在一小段时间内可以近似为做匀速直线运动的惯性坐标 系。
8
1.2.3地球坐标系
19
1.2.5机体坐标系
机体坐标系Oxc yczc 按图中所示三个 角速度依次相对地理坐标系 OENU 转动，所得三个角度 ,, 分别为 机体的航向角、俯仰角和倾斜角。
机体坐标系相对地 理坐标系的角位置
在飞机上用陀螺仪建立一个地理坐 标系，将它与机体坐标系比较，可 测得飞机的航向角、俯仰角和倾斜 角。
是相当精确的。
6
1.2.2惯性坐标系
地心惯性参考系
– 原点O：地球中心
惯导
惯导系统概述惯性导航系统的概念惯性导航系统（I NS，以下简称惯导）是利用惯性元件和惯性测量原理来测量飞机的飞行参数的一种导航系统。
惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
惯性导航系统的分类从结构上来说，以惯性导航系统中有无惯性平台为依据，可将惯性导航分成以下几种：平台式惯性导航系统——系统的主要特征就是具有由稳定回路隔离运载器使其不受运载器机动干扰的平台，在平台式系统中，由于平台不跟随运载器转动，陀螺的动态范围可以比较小，并且由于由稳定回路隔离运载器的机动干扰，也就易于保证系统的工作精度如图1。
图 1平台式惯导又可分为指北方位惯导系统、自由方位惯导系统和游动方位惯导系统。
指北方位惯导系统，主要指陀螺平台建立的理想平台坐标与地理坐标系完全重合的惯导系统。
这种系统平台台面在水平面内，且有一轴始终指向北方。
指北方位导航系统的特点：（1）由于平台是指北方位的水平平面，因此，它相当于一个高精度的全姿态传感器，可以直接提供俯仰、倾斜和航向信号，取代了用普通陀螺做成的姿态系统、航向系统、速率脱落传感器等。
（2）由于平台稳定在地理坐标系内，加速度计测出沿地理系两个轴的分力，用它们求解导航参数以及指令角速率方程比较简单，因而对计算机要求较低。
（3）系统的缺点是不能在高纬度区工作，这是因为飞机在高纬度地区飞行时，可能引起方位迅速变化，这样给陀螺力矩器的设计和平台稳定回路的设计带来较大的困难，另外计算机在计算方位指令速率时，当纬度接近90º时，计算机会溢出；此外，在极区进行起始对准也很困难。
上述因素限制了指北方位惯导系统的使用范围。
自由方位惯导系统，指陀螺平台保持在当地水平面内，其方位轴指向惯性空间的某一个方向，并保持稳定的惯导系统。
这样的平台系统上的方位陀螺将不施加控制信号，只能对控制平台保持在当地水平面内的陀螺施加控制指令。
《惯性导航系统》学习指南
学习指南《惯性导航系统》课程包括惯性导航基础、惯性元件、惯性平台、平台式惯导原理、捷联式惯导原理等5个单元的内容.由于本门课程具有：涉及知识面宽，与物理学、工程力学、控制科学、材料学、计算机科学等知识联系紧密；教学内容丰富，数学公式复杂,空间关系抽象，逻辑推理和形象思维要求高的课程特点，导致课程在教学过程易于出现教师难教、学生难学的现象。
为帮助大家学好本门课程，我们给出学习建议,供大家参考。
一、课程前后关系1．前置课程本门课程是电气工程及其自动化和自动化等专业的专业基础课,根据专业人才培养方案和课程自身的知识体系结构，学习本门课程需要具备《物理学》、《理论力学》、《电机学》、《电路原理》、《模拟数字电路》、《自动控制原理》和《陀螺原理》等相关课程的专门知识，这些知识是学好本门课程的重要基础。
2．后续课程本门课程的后续课程主要有《飞行控制系统》、《组合导航系统》、《机载航电设备》等.学好本门课程可以为上述课程的学习打下良好的学习基础。
二、主讲教材与参考教材1．主讲教材本门课程的主讲教材是2008年9月国防工业出版社出版的空军航空机务体系统编教材《惯性导航》。
该教材从惯性导航基础、惯性元件、惯性平台、平台式惯导原理、捷联式惯导原理五个知识模块，系统阐述了惯性导航基本概念、基本原理和基本结构.教材针对惯性导航理论抽象、复杂的特点，特别加强了空间概念、坐标系转换和惯导几何位置关系的物理解释，惯性导航方程、力学编排方程、误差方程、对准方程等复杂公式推导过程的物理本质分析，以便于读者加深对惯性导航内涵和实质的理解。
2．参考教材本门课程为广大读者提供了大量辅助参考资料，参考资料包括参考教材、学位论文、学术论文三个类别。
这些参考资料有助于读者全面了解惯性导航及相关领域的知识结构, 惯性导航理论和技术的发展方向。
以下给出的是主要参考教材清单.（1）《惯性导航与组合导航》,张宗麟，北京，航空工业出版社，2000年8月（2）《惯性导航》，秦永元，北京，科学出版社，2006年5月（3)《捷联惯性导航技术》(英）David H.Titterton，北京，国防工业出版社，2007年12月（4）《惯性器件与惯性导航系统》，邓志红,北京，科学出版社2012年6 月（5）《光纤陀螺仪》，(法）Hrtve G。
中国汽车导航概论(惯导篇1)
中国汽车导航概论----惯导篇1惯导（惯性导航系统的简称），一个越来越耳熟能详的汽车导航术语。
因为该技术的存在，汽车可以在GPS信号消失的情况下实现持续定位导航；同时也易于与汽车本身速度、倒车、音响、温控、油耗及其他电子控制单元连接。
为什么惯导会有如此的价值呢？笔者有幸了解了点皮毛，很愿意和大家共享一下。
由于惯导技术是项比较复杂的技术，笔者的认识可能比较浅显，也欢迎大家批评指点。
惯性导航系统由惯导软件和惯导模块构成，而惯导模块则主要由几个元器件构成，它们是：距离传感器、方位传感器、加速度传感器。
距离传感器，也就是我们常说的速度传感器，对于惯导软件来说，失去GPS 时，确认车的位置的很重要的一个参数就是距离，所以这么称呼也是有道理的。
磁电式及光电式传感器是在汽车上应用最多的两种车速传感器，导航系统中较常用的一种车速传感器是霍尔效应传感器。
霍尔效应传感器的工作原理是当车辆开始行驶时，车速传感器会产生一连串的脉冲信号，脉冲的频率将随着车速增加而增加。
通过计数传感器输出的脉冲数和1个脉冲对应的移动距离就能推算出总的移动距离。
一个脉冲对应的移动距离除了与轮胎型号有关外，还与轮胎的磨损度，充气程度等有关。
方位传感器，也就是我们常说的陀螺仪，通过它可以检出车辆角速度。
当物体在水平方向上运动时，有了基准位置、移动距离和偏转的角度，我们就能很容易计算出物体移动后的位置。
陀螺仪传感器有震动陀螺仪、光陀螺仪和Gas Let 陀螺仪，最常用的是震动陀螺仪。
震动陀螺仪测量角速度的原理是当正在运动的物体存在角速度时，运动方向的直角方向上会产生一个物理力，而这个力是和角速度成正比的，这个力通过力敏元件转换成电压，就能得到一个电压和角速度的线性关系。
陀螺仪的误差有很多种，对于导航系统来讲可以归纳为两种：零点漂移误差和系统误差。
零点漂移误差和电子元器件的特性有关，而且随着元器件的消耗磨损也会变化。
系统误差包括陀螺仪安装不规范产生的误差和运行中因为温度、噪声、以及路面颠簸产生的误差。
惯导技术介绍(3篇)
第1篇一、引言随着科学技术的不断发展，导航技术已成为人类活动的重要支撑。
在军事、航天、航海、地质勘探等领域，导航技术发挥着至关重要的作用。
其中，惯性导航系统（Inertial Navigation System，简称INS）作为一种重要的导航手段，因其独特的优点而被广泛应用于各种场合。
本文将对惯导技术进行详细介绍，包括其基本原理、系统组成、工作原理、应用领域以及发展趋势。
二、基本原理惯导技术基于牛顿第一定律，即物体在没有外力作用下，将保持静止或匀速直线运动状态。
惯性导航系统通过测量载体在三维空间中的加速度，进而计算出载体的速度、位置和姿态等信息。
基本原理如下：1. 加速度测量：利用加速度计测量载体在三个正交轴（x、y、z轴）上的加速度。
2. 速度积分：根据加速度和时间的积分，得到载体在每个轴上的速度。
3. 位置计算：根据速度和时间的积分，得到载体在每个轴上的位移，进而得到载体的位置。
4. 姿态计算：利用陀螺仪测量载体在三个正交轴上的角速度，进而得到载体的姿态。
三、系统组成惯性导航系统主要由以下几部分组成：1. 加速度计：用于测量载体在三个正交轴上的加速度。
2. 陀螺仪：用于测量载体在三个正交轴上的角速度。
3. 微处理器：用于处理加速度计和陀螺仪的测量数据，进行积分运算和姿态计算。
4. 系统软件：实现惯性导航系统的算法和功能。
5. 显示设备：用于显示导航信息，如位置、速度、姿态等。
四、工作原理惯性导航系统的工作原理如下：1. 初始化：在系统启动时，通过外部设备（如GPS）获取初始位置、速度和姿态信息，作为惯性导航系统的初始状态。
2. 数据采集：加速度计和陀螺仪实时测量载体在三个正交轴上的加速度和角速度。
3. 数据处理：微处理器对加速度计和陀螺仪的测量数据进行处理，包括积分运算和姿态计算。
4. 信息输出：根据处理后的数据，输出载体的位置、速度和姿态等信息。
5. 误差修正：通过校正算法，对惯性导航系统的测量数据进行修正，提高导航精度。
惯性导航难懂？看懂只需这一篇！全面解读惯性导航系统与技术
惯性导航难懂？看懂只需这一篇！全面解读惯性导航系统与技术惯性导航系统（INS，Inertial Navigation System）是一种利用惯性敏感器件、基准方向及最初的位置信息来确定运载体在惯性空间中的位置、方向和速度的自主式导航系统，也简称为惯导。
惯性导航技术的发展历程第一代惯性导航技术指1930 年以前的惯性技术，奠定了整个惯性导航发展的基础。
牛顿三大定律成为惯性导航的理论。
第二代惯性技术开始于上世纪 40 年代火箭发展的初期，其研究内容从惯性仪表技术发展扩大到惯性导航系统的应用。
70 年代初期，第三代惯性技术发展阶段出现了一些新型陀螺、加速度计和相应的惯性导航系统，其研究目标是进一步提高INS 的性能，并通过多种技术途径来推广和应用惯性技术。
当前，惯性技术正处于第四代发展阶段，其目标是实现高精度、高可靠性、低成本、小型化、数字化、应用领域更加广泛的导航系统。
比如随着量子传感技术的迅速发展，在惯性导航技术中，利用原子磁共振特性构造的微小型核磁共振陀螺惯性测量装置具有高精度、小体积、纯固态、对加速度不敏感等优势，成为新一代陀螺仪的研究热点方向之一。
惯性导航的组成惯性导航包括惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，简称IMU）和计算单元两大部分。
通过IMU感知物体方向、姿态等变化信息，再经过各种转换、补偿计算得到更准确的信息。
比如检测物体的初始位置、初始朝向、初始姿态以及接下来每一刻朝向、角度的改变，然后把这些信息加一起不停地推，推算出物体现在的朝向和位置。
IMU主要由加速度计和陀螺仪组成，可实时检测物体的重心方向、俯仰角、偏航角等信息，如果还加上电子罗盘和气压计等传感器，那IMU的测量信息量与精度也相应地能得到一定的提高。
而计算单元则主要由姿态解算单元，积分单元和误差补偿单元这三部分组成。
惯性导航的工作原理惯性导航的目的是实现自主式导航，即不依赖外界信息，包括卫星信号、北极指引等。
惯导基本知识
T
1
T
1
根据以上关系，可以写出如下矩阵等式：
C C C C I
r 0 r 0 r 0 r 0
T
1
这里 I 为单位矩阵
现把 上式具 体写成
c11 c12 c13 c11 c21 c31 1 0 0 c c c c c c ＝ 0 1 0 21 22 23 12 22 32 c31 c32 c33 c13 c23 c33 0 0 1
按照 类似的方 法，矢量
x0 y 0 z0
R 在 参考坐标 系 ox0 y0 z0 上 的投影 可表示为 xr yr zr
x0 c11 c 21 c3 1 xr 0 y c c c yr Cr 0 12 22 32 z0 c13 c23 c33 zr
c 31 cos( z r , x0 )
c22 cos( yr , y0 )
c32 cos( zr , y0 )
c23 cos( y , z0 ) r
c33 cos( z r , z0 )
பைடு நூலகம்zr
如果把上述九个方向余弦组成一个 3x3 阶矩阵，并且用 C0 或Cr 代表，亦即
式中的六个方程是九个方向余弦之间 的六个关系式。也就是说， 九个方向余 弦之间存在六个约束条件， 因而实际上 只有三个方向余弦是独立的。 但是，由给定的三个方向余弦的数值， 通过约束条件来求其余六个方向余弦 的数值， 实际上很困难， 而且它的解往 往不是唯一的。所以一般地说，仅仅给 定三个独立的方向余弦， 并不能唯一地 确定两个坐标系之间的相对角位置。 为 了解决这个问题， 通常采用三个独立的 转角即欧拉角来求出九个方向余弦的 数值， 这样便能唯一地确定两个坐标系 之间的相对角位置。
惯导实习报告
一、前言惯性导航系统（Inertial Navigation System，简称INS）是一种基于物体自身运动状态进行导航定位的系统。
在军事、民用等领域具有广泛的应用。
为了深入了解惯导系统的原理和应用，我们于近期进行了惯导实习。
以下是对本次实习的总结和报告。
二、实习目的1. 了解惯性导航系统的基本原理和组成；2. 掌握惯导系统的安装、调试和操作方法；3. 通过实际操作，提高动手能力和解决实际问题的能力；4. 为今后从事相关领域的工作奠定基础。
三、实习内容1. 惯性导航系统原理（1）惯性导航系统概述惯性导航系统是利用物体惯性原理进行导航定位的一种系统。
它通过测量物体运动过程中的加速度、速度和位置等参数，实时计算出物体的运动轨迹和位置。
（2）惯性导航系统组成惯性导航系统主要由惯性测量单元（IMU）、数据处理单元和显示单元组成。
2. 惯导系统安装与调试（1）安装将惯导系统按照说明书要求安装到试验平台上，确保安装牢固。
（2）调试连接电源和通信线，启动系统，进行自检。
检查各部件工作状态，确保系统正常运行。
3. 惯导系统操作（1）启动系统按下启动按钮，系统开始工作。
（2）输入初始数据输入起始位置、速度和航向等初始数据。
（3）实时监测观察系统实时显示的加速度、速度和位置等信息，分析系统工作状态。
（4）数据记录记录实验过程中各参数的变化情况，为后续分析提供依据。
四、实习总结1. 通过本次实习，我们掌握了惯性导航系统的基本原理和组成，了解了惯导系统的安装、调试和操作方法。
2. 在实际操作过程中，我们遇到了一些问题，如系统不稳定、数据误差等。
通过查阅资料和请教指导老师，我们找到了解决问题的方法，提高了自己的动手能力和解决问题的能力。
3. 本次实习使我们认识到，惯性导航系统在实际应用中具有重要意义，为今后从事相关领域的工作打下了基础。
五、心得体会1. 实习过程中，我们充分认识到理论知识与实际操作相结合的重要性。
只有将所学知识运用到实际工作中，才能更好地提高自己的能力。
惯导系统-(总结)
我们研究的问题是惯性导航系统，下面我们就从惯导系统的定义、惯导系统的发展历程、惯导系统的组成、工作原理、分类与功能、优点与缺点以及惯导系统的应用现状几个方面来探讨该问题。
一、惯性导航系统的定义:惯性导航系统是一种通过高精度的陀螺和加速度计，测量运动载体的角速率和加速度信息，经积分运算得到运动载体的加速度、位置、姿态和航向等导航参数的自主式导航系统。
二、惯导系统的发展历程：惯导系统发展是以性能价格比为标志的,而性能价格比主要取决于惯性传感器-—陀螺仪和加速度计的精度和成本，尤其是陀螺仪,其漂移率对惯导系统位置误差增长的影响是时间的三次方函数，而高精度的陀螺仪制造困难，成本高昂.因此,惯性技术界一直在寻求各种有效方法来提高陀螺仪的精度,同时降低系统成本从上世纪50年代的液浮陀螺仪到60年代的动力调谐陀螺仪(DTG）, 从上世纪80年代的环形激光陀螺仪（RLG）和光纤陀螺仪（FOG）到90年代的振动陀螺仪，以及目前报道较多的微机械电子系统陀螺仪(MEMSG)，每一种新型陀螺仪的出现都使惯导系统的性能价格比提高一大步，有一代陀螺仪就有一代惯导系统与之对应。
第一代平台惯性导航系统采用精密稳定平台，陀螺仪采用液浮或静电悬浮陀螺仪，不仅体积重量大，而且系统性能受机械结构的复杂性和极限精度的制约，再加上产品可靠性和维护方面的问题，成本十分昂贵,只有战略武器上才使用这类惯导系统；上世纪60年代动力调谐陀螺仪技术成熟,精度达到惯性级，常规武器上才开始大量装备惯导系统，用动力调谐陀螺仪制造的惯性导航系统被称为第二代惯导系统；上世纪80年代激光陀螺仪技术成熟.它的出现为捷联惯导系统提供了理想器件.用它制造的惯性导航系统被称为第三代惯导系统；近10年来微电子技术已被用来制造微机械装置，如各种微传感器和微执行器，微机电系统(MEMS）异军突起,据AIAA报告可以在一块4的硅片上，用化学刻蚀的方法批量生产出4000多个独立的微型惯性仪表,这些微惯性仪表的出现迅速扩大了微惯性测量装置在军事和民用领域的应用。
惯性导航基本原理课件
坐标系及转换
01
02
03
地理坐标系
以地球中心为原点，地球 表面为基准的坐标系。
导航坐标系
以航行载体中心为原点， 载体运动方向为基准的坐 标系。
转换关系
利用旋转矩阵将地理坐标 系下的位置和速度转换为 导航坐标系下的位置和速 度。
陀螺仪和加速度计的工作原理
陀螺仪
通过角动量守恒原理，测量载体在三个轴向的角速度。
• 实时性：惯性导航系统可以提供实时的位置、速 度和姿态信息。
惯性导航技术的优势与不足
不足
误差积累：由于惯性导航系统 依赖于陀螺仪和加速度计等传 感器的测量数据，长时间工作
后会产生误差积累。
精度受限于传感器性能：惯性 导航系统的精度受到传感器性 能的影响，包括陀螺仪和加速 度计的精度、稳定性和交叉耦 合效应等。
惯性导航系统组成
惯性导航系统主要由惯性传感器、数 据处理单元和显示单元等组成。
数据处理单元对传感器数据进行积分 、滤波等处理，计算得到载体的速度 、位置和姿态等运动参数。
惯性传感器包括陀螺仪和加速度计等 ，用于测量载体在三个轴向的角速度 和加速度。
显示单元将运动参数实时显示给用户 ，以便用户了解载体运动状态。
捷联惯导算法
要点一
概述
捷联惯导算法是一种实时性较高的惯性导航算法，通过陀 螺仪和加速度计的测量数据，计算出物体的姿态、速度和 位置等信息。捷联惯导算法不需要外部信息源的辅助，可 以在短时间内实现较精确的导航。
要点二
实现过程
捷联惯导算法通过建立姿态、速度和位置的更新方程，结 合陀螺仪和加速度计的测量数据，进行实时计算。姿态更 新方程包括对加速度计测量值的补偿、速度更新方程包括 对陀螺仪测量值的补偿、位置更新方程包括对速度和时间 的积分。捷联惯导算法需要解决的主要问题是陀螺仪和加 速度计的误差补偿以及导航信息的初始对准。
惯性导航系统(INS)与全球卫星定位系统(GPS)解析
惯性导航系统(INS 与全球卫星定位系统(GPS1摘要目前飞行器所使用的导航系统, 能适应全天候、全球性应用的确实不多。
传统无线电导航,如塔康(TACAN 等,在应用上存有很多的限制和不便之处。
而为改善此缺点, 一套不需要其它外来的辅助装置, 就可提供所有的导航资料, 让飞行员参考的惯性导航系统(Inertial Navigation System ,虽已被成功发展并广为应用, 但其在系统上的微量位置误差会随飞行时间的平方成正比累积, 因此长时间飞行会严重影响到导航精确度, 如果没有适当的修正, 位置误差在一个小时内会累积超过 300米。
另一套精密的导航系统 GPS , 其误差虽不会随时间改变, 但 GPS 并非万能, 有优点, 也有先天的缺陷, 它在测量高机动目标时容易脱锁并且会受到外在环境及电磁干扰,再者 GPS 短时间的相对误差量大于 INS ,若只依靠它来做导航或控制, 会造成相反效果。
所以在导航系统设计上, 常搭配惯性系统来使用,正巧 GPS 与 INS 有互补的作用,可经过一套运算法则,将两者优点保留, 去除缺点, 本文即针对两种导航系统特性进行探讨, 并利用卡尔曼滤波器法则完成简易测量数据关系推导,设计一套“GPS/INS组合式导航系统” 。
2前言早期舰船航行常利用“ 领航方法” 来决定载体的位置及方向, 观察陆地突出物, 来引导船身驶向某处目标。
随着飞行器的问世, 初期飞行也全凭借着飞行员对当时自我方向、距离、高度及速度的感觉来控制驾驶,执行起飞、落地及飞机转场等等动作。
这种控制载体由一个地方到另一个地方其间方向与距离指示的艺术, 就称之为“ 导航” (Navigation 。
然而仅仅依循着人为的导航方式,在天气良好条件下或周遭存有许多明显参考目标物时, 单纯凭目视来判断飞行并不困难; 但如果遇上天气条件不佳、能见度差、参考目标不存在活不明显时, 就得依靠飞行员的经验、技巧及运气来进行方位及位置的判别, 这无形中会造成飞行员的压力, 更会严重影响到飞行安全的诸多不确定因素。
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初识惯导系统本贴旨在对惯导系统有个初步了解基本概念及常识惯性导航是一种完全自主式的导航。
它不要向外界发信号，也不要接收任何外界信号，就能独立地确定自己的位置，就好象把一个人的眼睛蒙上，耳朵堵上，别人带他出门旅行，使用了步行、火车、轮船、飞机等各种交通工具，经过了曲折的旅行路线，数月后要他判断自己在地球上的位置，神奇吗？惯性导航就能作到这一点。
相对性原理：牛顿惯性定律适用的参考系叫做惯性参考系；要求精度不太高时，地球就是一个惯性系，相对此系作等速直线运动的参考系都是惯性系。
在一个静止或作等速直线运动的密闭车厢中，从天花板吊悬的单摆总是铅垂向下，垂直上抛的小球总能重新落回手中，只有打开车窗观看外面的地标才能判断车厢是静还是运。
因此不依赖外部信息，在惯性系中的任何动力学实验都无法测出参考系的速度，这就是伽利略相对性原理。
惯性导航原理但是，当车厢有了加速度，情况就不同了。
单摆会向后偏离铅垂线，垂直上抛的小球也会落到抛出点的后方，因此不依赖外部信息，在运动体的内部可以测出物体的加速度。
考虑相对运动，加上牵连惯性力，可以解释为：是牵连惯性力Q向后拉动小球，如能测出单摆偏角θ，则运动物体加速度是 a=gtanθ在运动物体内部能测出物体加速度的仪器叫做加速度计，单摆就可作加速度计使用，但不方便。
右图的弹簧质点系统，是一种可行方案，当壳体（安装在载体上）沿仪器敏感轴有加速度时，惯性力作用在惯性质量上，使其移动，直至与弹簧恢复力平衡，电位计即有与惯性力成正比的信号输出，因而可测出载体的加速度a。
对所测得的加速度，积分一次可得速度v，积分两次得载体在积分时间间隔中的位移。
如果再考虑初始条件，就能完全确定载体在任一时刻的位置与速度。
加速度计的缺点：加速度计有个缺点，就是不能区分惯性力与引力。
当载体静止，而加速度计相对水平面有一安装倾斜角，作用在惯性质量上的重力分量将引起加速度计的输出，就好象载体有了加速度一样。
这是虚假信号，由此而产生的定位误差还随时间而积累。
所以加速度计一般不直接安装在载体上，而要安装在一个高精度的水平平台上（捷联式惯导航系统中，加速度计直接装在载体上，但要经过复杂的计算将引力分量补偿掉）。
惯导系统分类目前，惯导可分为两大类：平台式惯导和捷联式惯导。
它们的主要区别在于，前者有实体的物理平台。
平台惯导系统原理方块图利用惯导平台可以保证加速度计永处于惯性空间水平面内，并有确定的指向，不受地球重力加速度影响，但构造复杂，造价昂贵。
“捷联（Strapdown）”这一术语的英文原义就是“捆绑”的意思。
因此，所谓捷联惯性系统也就是将惯性敏感元件（陀螺仪和加速度计）直接“捆绑”在运载体的机体上，从而完成制导和导航任务的系统。
在捷联式惯导中，惯性平台的功能由计算机完成，故有时也称作"数学平台"，它的姿态数据是通过计算得到的。
捷联惯导系统原理方块图捷联式惯性导航系统在开始导航之前，必须进行初始对准，也就是确定导航计算的初始条件。
捷联式系统数学平台的水平基准是计算机根据加速度计所测量到的重力加速度水平分量用数学计算方法确定。
在完成水平基准的确定以后，根据陀螺仪跟随地球转动所测量的信息，利用与平台式惯导系统计算罗经法相同的关系确定出数学平台所处的方位，也就完成了捷联式惯导系统的初始对准。
明确坐标系的概念地理坐标系惯导中所涉及的有地理坐标系（即通常的经纬度坐标）和平面坐标系等。
经纬度坐标可以确定地球上任何一点的位置。
如果我们将地球看作一个椭球体，经纬网线就是加在这个椭球表面的地理坐标参照系格网。
由于经纬度坐标系是一种球面坐标系，而度并不是衡量长度的单位，不能来用它测量长度和面积，所以我们需要通过一定的数学方法将这样的球面坐标投影到二维平面，进而形成平面坐标系，也就是航图、地图中采用的坐标系。
这样我们才能对距离、面积进行测量和计算。
把形状不是几何椭球体的地球进行数模化，我们可以得到用严格数学公式表示的地球数学模型即参考椭球体，随着人们对地球的不断认识和探索，对于地球形状的数学模型也在不断地改进，不同时期采用的地球数学模型造成不同时期的坐标基础不同。
不同的参考椭球体使用不同的投影方法在二维平面上得到不同的平面坐标系，进而导致同一个物体在不同的坐标系中的经纬度位置不同。
所谓投影方法就是通过特定的数学方程式将经纬坐标转换为平面坐标。
民航机组目前使用的国内航图，如高空航线图、中低空航线图等均使用北京54国家坐标系。
该坐标系是参照前苏联的克拉索夫斯基参考椭球体所建立。
而在国际上，目前大多数国家普遍采用WGS-84坐标系。
该坐标系由美国国防部研制确定，以国际大地测量与地球物理联合会（IUGG）第 17届大会所确定的WGS-84参考椭球体为参照。
地平坐标系也称为当地垂线坐标系，原点位于运载体所在点，z轴沿的当地地理垂线的方向，x、y轴在当地水平面内沿当地经线和纬线的切线方向。
根据坐标轴方向的不同，地理坐标系的x、y、z的方向可选为“东北天”，“北东地”，“北西天”等右手直角坐标系。
以“东北天(ENU)”坐标系为例，x轴指向东，y轴指向北，z轴垂直于当地水平面，沿当地垂线向上。
载体坐标系原点与载体质心重合，对于飞机、舰船等巡航载体，x沿载体横轴向右，y沿载体纵轴向前，z沿载体竖轴向上。
根据载体坐标系和地平坐标系之间的相对角位置关系，可以定义、并确定载体的姿态角（俯仰角、横滚角和航向角）。
平台坐标系描述平台式惯导系统中平台指向的坐标系，它与惯导平台固连。
如果平台无误差，指向正确，则这样的平台坐标系称为理想平台坐标系。
导航坐标系导航坐标系是惯导系统在求解导航参数时所采用的坐标系。
通常，它与系统所在的位置有关。
对平台式惯导系统来说，理想的平台坐标系就是导航坐标系。
对捷联式惯导系统来说，导航参数并不在载体坐标系内求解，它必须将加速度计信号分解到某个求解导航参数较为方便的坐标系内，再进行导航计算，那么这个坐标系就是导航坐标系。
例如将加速度计信号分解到地平坐标系内进行导航计算，则地平坐标系为此捷联惯导系统的导航坐标系。
惯导有固定的漂移率，这样会造成物体运动的误差，因此长射程的武器通常会采用指令、GPS等对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位置参数。
比如中距空空弹中段采用捷联式惯导+指令修正，JDAM采用自主式的卫星定位/惯性导航组合(GPS/INS)，战斧也采用了GPS/INS+地形匹配的技术，多数运载火箭采用平台式惯导等。
惯性导航通过测量飞行器的加速度(惯性)，并自动进行积分运算，获得飞行器瞬时速度和瞬时位置数据的技术。
组成惯性导航系统的设备都安装在飞行器内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。
简史17世纪，I.牛顿研究了高速旋转刚体的力学问题。
牛顿力学定律是惯性导航的理论基础。
1852年J.傅科称这种刚体为陀螺，后来制成供姿态测量用的陀螺仪。
1906年H.安休兹制成陀螺方向仪，其自转轴能指向固定的方向。
1907年他又在方向仪上增加摆性，制成陀螺罗盘。
这些成果成为惯性导航系统的先导。
1923年M.舒拉发表“舒拉摆”理论，解决了在运动载体上建立垂线的问题，使加速度计的误差不致引起惯性导航系统误差的发散,为工程上实现惯性导航提供了理论依据。
1942年德国在V-2火箭上首先应用了惯性导航原理。
1954年惯性导航系统在飞机上试飞成功。
1958年，“舡鱼”号潜艇依靠惯性导航穿过北极在冰下航行21天。
中国从1956年开始研制惯性导航系统，自1970年以来，在多次发射的人造地球卫星和火箭上，以及各种飞机上，都采用了本国研制的惯性导航系统。
组成惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。
惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪,又称惯性导航组合。
3个自由度陀螺仪用来测量飞行器的三个转动运动；3个加速度计用来测量飞行器的3个平移运动的加速度。
计算机根据测得的加速度信号计算出飞行器的速度和位置数据。
控制显示器显示各种导航参数。
分类按照惯性导航组合在飞行器上的安装方式，可分为平台式惯性导航系统（惯性导航组合安装在惯性平台的台体上）和捷联式惯性导航系统（惯性导航组合直接安装在飞行器上）。
平台式惯性导航系统根据建立的坐标系不同，又分为空间稳定和本地水平两种工作方式。
空间稳定平台式惯性导航系统的台体相对惯性空间稳定，用以建立惯性坐标系。
地球自转、重力加速度等影响由计算机加以补偿。
这种系统多用于运载火箭的主动段和一些航天器上。
本地水平平台式惯性导航系统的特点是台体上的两个加速度计输入轴所构成的基准平面能够始终跟踪飞行器所在点的水平面（利用加速度计与陀螺仪组成舒拉回路来保证），因此加速度计不受重力加速度的影响。
这种系统多用于沿地球表面作等速运动的飞行器（如飞机、巡航导弹等）。
在平台式惯性导航系统中，框架能隔离飞行器的角振动，仪表工作条件较好。
平台能直接建立导航坐标系,计算量小，容易补偿和修正仪表的输出,但结构复杂，尺寸大。
捷联式惯性导航系统根据所用陀螺仪的不同，分为速率型捷联式惯性导航系统和位置型捷联式惯性导航系统。
前者用速率陀螺仪，输出瞬时平均角速度矢量信号；后者用自由陀螺仪，输出角位移信号。
捷联式惯性导航系统省去了平台，所以结构简单、体积小、维护方便，但陀螺仪和加速度计直接装在飞行器上，工作条件不佳，会降低仪表的精度。
这种系统的加速度计输出的是机体坐标系的加速度分量，需要经计算机转换成导航坐标系的加速度分量，计算量较大。
误差修正为了得到飞行器的位置数据，须对惯性导航系统每个测量通道的输出积分。
陀螺仪的漂移将使测角误差随时间成正比地增大，而加速度计的常值误差又将引起与时间平方成正比的位置误差。
这是一种发散的误差（随时间不断增大），可通过组成舒拉回路、陀螺罗盘回路和傅科回路 3个负反馈回路的方法来修正这种误差以获得准确的位置数据。
舒拉回路、陀螺罗盘回路和傅科回路都具有无阻尼周期振荡的特性。
所以惯性导航系统常与无线电、多普勒和天文等导航系统组合，构成高精度的组合导航系统，使系统既有阻尼又能修正误差。
惯性导航系统的导航精度与地球参数的精度密切相关。
高精度的惯性导航系统须用参考椭球来提供地球形状和重力的参数。
由于地壳密度不均匀、地形变化等因素，地球各点的参数实际值与参考椭球求得的计算值之间往往有差异，并且这种差异还带有随机性，这种现象称为重力异常。
正在研制的重力梯度仪能够对重力场进行实时测量，提供地球参数，解决重力异常问题。