惯性导航PPT汇总

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1.2导航-发展历程
罗盘导航、地标导航
中国航海所使用的是磁针浮于水面的‘水罗盘’； 欧洲改进，发展出具有固定支点的磁针，即‘旱罗盘’；
18世纪末，‘液体磁罗经’出现，其罗盘悬浮于盛满液体的罗盘中，因 液体的浮力作用，罗盘支撑轴针与轴承间的摩擦力大大减小，提高了系 统的灵敏度和稳定度。
早期的地标导航：利用在地图或海图上已标明位置的地物、地标，在载 体上用光学等方法，用测向或测距法定出载体的地理位置。
惯性导航的主要器件是陀螺仪和加速度计。
线运动用“加速度计”来测量。
角运动用“陀螺仪”来测量。 有了上述信息，就可以把加速度分解到惯性系， 积分计算速度、位置等。
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1. 3 惯性导航
惯性导航
惯性导航就是用陀螺仪和加速度计敏感的角速
率和比力信息确定载体运动姿态、位置、速度
等导航参数的过程。
利用测量得到的角速度和加速度，通过积分和推算，
获得载体的位置、速度、姿态。 优点：高度自主（惯性是物体自身固有特性）
缺点：长期工作稳定性差（误差随时间发散）
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1.3 供航行体的导航
参数，如位置、速度、姿态等； 制导( Guidance) ━━ 根据预定的航程（目 的地和航线），控制引导载体到达终点的过程
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1.2 导航-发展历程
一、导航——发展历程
发展历程：不同的导航手段 ①指路：最简单的导航方式，其特点是依赖于我们对周围环
境已知特征或固定物体的观察和识别，并在他们之间运动。通常
这些特征物的位置称为“航路点”
②地图：通过观察地图上的地理特征（如道路、山谷、河流
等）来确定自己的位置。这些特征可根据网格系统（即坐标系）
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1.3 惯性导航
导航： 只负责提供载体的运动信息, 如位置、速度、姿态
制导： 建立航迹参数（如位置、速度、航向等）；
根据测量的载体实际运动参数，自动产生控制 （制导）信息，传输给载体的相应控制部件。
位置 速度 姿态
控制器
执行器
导航（信息反馈）
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1.3 惯性导航
导航： 提供载体的运动信息, 如位置、速度、姿态等
仪的设计开始完善——舒拉调谐；
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1.4 惯性技术发展史
理论和基础：
6、1939年，苏联－布尔佳科夫通讯院士出版：“陀螺
仪实用理论”，认为是陀螺仪实用理论的奠基性著作。 7、1949年，J. H. Laning, Jr.发表名为“The vector analysis of finite rotations and angles” 的报告，建立了捷联式惯性导航的理论基础；
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1.2导航-发展历程
卫星导航
通过围绕地球运行的人造地球卫星
向地球表面发射经过编码和调制的无线电信号（编码中：载有卫星 信号的时间和星座中各个卫星在空间的位置、姿态等信息）
安装在载体上的卫星导航接收机接收卫星信号，并计算 出自身的位置、速度等导航信息。
卫星导航的发展以美国和俄罗斯/前苏联为主导，欧洲和 中国于最近十余年才开始建立自己的卫星导航系统。
④推算：根据初始位置和速度、方位的测量来计算当前位置。 ⑤惯性导航：利用惯性敏感器（陀螺仪和加速度计）测量
相对于惯性坐标系的转动和平移来完成。
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1.2导航-发展历程
指南针：北宋初期。
罗盘针：把指南针固定在方位盘中。
战国时期，利用磁石制成，确定南北方位。
指南针的始祖——司南
中国古代罗盘针
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1.2导航-发展历程
与其他类型的导航系统不同（如卫星导航系统、
无线电导航系统等），惯性导航系统的导航过 程是完全自主隐蔽的，它不需要从外部接收任 何信息（声、光、电、磁），同时不受自然天 气因素的干扰。
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1.3 惯性导航
惯性导航
以牛顿力学为基础，只依靠安装于载体内的惯性测量传感器 和相应的配套系统，建立基准坐标系，
导航：引导一个物体从一个地方航行到另一个地方。
确定载体的位置、速度、姿态 导航：
引导载体到达目的地的指示或控制过程。
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1.1导航
一、导航——分类
自主式导航： 不需要外部辅助，譬如惯性导航、多普 勒导航和天文导航等； 非自主式导航： 需要有关的地面或空中设备配合完成， 如无线电导航、卫星导航。
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1.1导航
一、导航——两种工作状态
指示状态： 导航系统提供的信息仅供驾驶员操作和引导载体 之用，导航系统不直接对载体进行控制。 自动导航状态：导航系统直接提供载体自动驾驶控制系统所 需的信息，由其操纵和引导载体。 在这两种工作状态下：导航系统的作用只是提供导航参数，为 自动控制和导引载体按预定轨迹准确 到达目的地的制导过程提供信息保障。
一、导航——任务与系统
提供载体运动的空间6自由度导航参数：即3维位置和3 维角度，决定一个物体在三维空间的位置和姿态。 导航系统：能提供导航参数，实现导航任务的系统。 早期导航系统：主要由功能单一的仪表组成. 当前导航系统：由各种传感器构成的高精度多功能系统
导航装置通常分为陆基和星基两大类。
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1.1导航
性导航奠定了理论基础；
2、1765年俄国欧拉院士出版了著作《刚体绕定点运动 的理论》，首次利用解析的方法对定点转动刚体作了 本质解释，创立了陀螺仪理论的基础； 3、1778年法国拉格朗日在《分析力学》中建立了在重
力力矩作用下定点转动刚体的运动微分方程组。
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1.4 惯性技术发展史
理论和基础：
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1.2导航-发展历程
地形辅助导航(地形匹配)
系统通过高度/图像（视觉）传感器获得所 在区域的相对高度和图像信息
与系统预存的该地域的3D数字地图/图像信息 进行高度/图像的高精度对比、匹配 通过求取最佳匹配点
获得载体当前的位置、速度、姿态
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1.2导航-发展历程
地形辅助导航
在某些特殊环境与条件下（对无线电波干扰严重的情况，如： 人为干扰、山区） 基于无线电信号的导航系统易受人为或自然干扰的影响，导 致导航系统精度明显降低 因此，地形辅助/视觉导航系统应运而生，并日益受到重视 与应用
这种方法简单，但易受气候和地域条件的限制。
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1.2导航-发展历程
无线电导航
利用无线电波在均匀介质和自由空间直线传播及恒速两大特性进行导航。
两种定位方式： （1）通过设置在载体和地面上的收发系统，测量载体 相对地面台站的距离、距离差、相位差进行定位。 （2）通过载体上的接收系统，接收地面台站发射的无线
有一定规模。
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1.4 惯性技术发展史
惯性技术
在我国的航空、航天、兵器、航海和陆地车辆的导航和
定位中得到了广泛的应用。 惯性技术还在以下民用领域里获得了成功应用： 大地测量 海洋勘探 石油钻井 航空测量
摄影等
海、陆、空、天
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1.4 惯性技术发展史
理论和基础：
1、1687年牛顿提出了力学三大定律和引力定律，为惯
8、1920年前后，出现了供飞机使用的转弯速率指示器、
人工水平仪和方位陀螺；
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1.4 惯性技术发展史
理论和基础：
9、二战期间，德国V2火箭用两个二自由度陀螺和一个
加速度计构成惯性制导系统，这是惯性技术在导弹制 导上的首次应用。但由于惯性器件精度低，设计粗糙， 无法实现舒拉调谐要求，因此在轰炸伦敦的过程中， 1/4的V2火箭提前掉入大海。 10、1949年，美国将纯惯性导航系统试验安装到一架 B-29远程轰炸机上，首次实现了横贯美国大陆的全自
导航、制导与控制之间的关系:
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1.4 惯性技术发展史
惯性技术
是一项涉及到多学科（机电、光学、数学、力学、控制
及计算机等学科）交叉的高新尖端技术，又是现代武器 系统中的一项核心支撑技术，是在先进科学理论和制造 工艺支持条件下发展起来的。
世界上只有为数不多的国家有能力研制惯性技术产品。
我国惯性技术在自力更生为主的基础上，发展至今已具
4、1852年法国科学家傅科根据上述理论发现了陀螺效
应， 观察到了地球自转，并首先使用“Gyro” (Gyroscope－转动＋观察)这个名词；开创了人们对工 程实用陀螺的研究和开发。 5、1923年，舒拉发表了论文《运载工具的加速度对于 摆和陀螺仪的干扰》，提出了84.4分的无干扰理论， 为惯性技术的发展起到了关键的理论指导作用，陀螺
六分仪
天文经纬仪
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1.2导航-发展历程
导航系统的发展过程：
古代：指南针、天文、时钟、地形标识
早期飞行依靠磁罗盘，速度表等导航仪表
30年代各种无线电导航的问世
60-70年代惯性导航系统、多普勒导航系统
80年代末全球定位导航系统问世
90年代惯性/卫星组合导航系统大量推广
21世纪新型导航系统和容错组合导航系统
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1.3 惯性导航
惯性导航
空间6自由度（6D）的导航参数： 3个正交的位置自由度 可能为位置、速度或加速度 3个正交的角自由度 可能为角速度、角加速度 6自由度确定了一个物体的位置和状况!
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1.3 惯性导航
惯性导航
建立在牛顿经典力学定律的基础之上。
（①惯性定律 ②F=ma ③ F vs -F）
早期的天文导航只能通过观测天空中的星体来确定载体的位置。无法 连续定位，工作方式受星体可见度的限制。 射电天文等精确仪器 当前： 脉冲星导航
惯性/天文组合导航
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1.2导航-发展历程
组合导航
载体机动性增大、航程加长，对导航系统提出了高精度、 长航时/航程、高可靠性的要求。
各种导航系统在不同程度上存在不足与缺陷。 导航系统迫切需要实现多信息的融合，以提高其冗余度和 容错能力。 以惯性导航为主的组合导航系统，子系统取长补短，使组 合后的导航精度远高于子系统单独工作的精度，大大扩大 了导航系统的使用范围，提高了系统的精度和可靠性。