惯导系统 (总结)
三种平台式惯性惯导系统介绍
AN/WSN-5和FIN3110对比
FIN3110
功耗:40W
设备尺寸(cm):19.5×21.6×29 重量(kg):12
AN/WSN-5
功耗:440W
设备尺寸(cm):43.9×53.3×117.6
重量(kg):172.7
捷联惯性导航系统的不足
1.惯性仪表直接固联在载体上，直接承受载 体的振动和冲击，工作环境恶劣； 2.惯性仪表特别是陀螺仪直接测量载体的角 运动，要求捷联陀螺有较大的施矩速度和 高性能的再平衡回路； 3.装机标定比较困难，从而要求捷联陀螺有 更高的性能； 4.计算量较大，要求高性能计算机支持；
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平台控制回路的性能指标（二）
振荡度 定义：平台系统的闭环幅频特性用 表示， 为谐振频率； 为谐振峰值，也称 为振荡度； 振荡度是表示系统动态性能的指标，与时 域设计中的超调量指标相对应； 为了得到更好的系统动态性能，振荡度通 常取1.1~1.5之间。
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平台控制回路的性能指标（三）
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捷联惯性导航系统
Strapdown Inertial Navigation System 把惯性仪表直接固联在载体上，用计算机 来完成导航平台的功能的惯性导航系统。
加速 度计
加 速 度 信 息
姿态矩阵
导航计 算机
位置速 度信息 初始参 数信息
控制 显示
陀螺 仪
角 速 度 信 息
姿态矩 阵计算
简单的二维导航系统
一台陀螺仪 两个加速度计 一台计算机
简单的二维捷联导航系统
简单的二维捷联导航参考坐标系
二维系统在旋转坐标系中的导航
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
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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。
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1.2.3地球坐标系
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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
惯性导航技术简介
惯性导航技术简介什么是惯性导航系统？惯性导航系统（INS，Inertial Navigation System）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。
惯性导航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。
发展进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。
技术组成惯性导航技术主要包括陀螺技术、加速度计技术和航位推测技术。
陀螺技术是利用高速旋转的陀螺提供运载体角位移或角速度技术。
机电陀螺是告诉旋转的转子，载体发生角运动时，转子绕垂直于自转轴的一根轴或两根轴发生进动，从而敏感处载体的角运动。
这种装置具有极高的稳定性。
根据这一原理，将陀螺作为惯性导航的基准和稳定系统。
加速度计技术是测量用在体线加速度的技术。
可以测量出运载体线加速度，并输出与加速度成比例的电信号，供计算和控制运载体位置使用。
航位推测技术是根据已知运载体的初始位置，利用由陀螺和加速度计敏感出的运载体运动航向和加速度推算出运载体当前位置的技术。
其原理是从一已知点的位置根据连续测得的运动体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。
惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中，并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到位移。
惯性导航系统
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目录1.惯性导航系统的概念.........................22.惯导系统的发展历史及发展趋势 (3)惯性导航系统的发展.......................3我国的惯性导航系统.......................5捷联惯导系统现状及发展趋势...............63.惯性导航系统的组成........................104、惯性导航系统的工作原理....................145、惯性导航系统的功能.......................186、惯性导航系统的服务模式与应用模式..........207、惯性导航系统当前的应用情况................218、惯性导航系统的特点 (23)系统的主要优点......................23系统的主要缺点.....................249、惯性导航系统给我们的启示. (24)1惯性导航系统一、惯性导航系统的概念什么是惯性导航或惯性制导呢?惯性导航系统（Ins）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。
在给定的运动初始条件（初始地理坐标和初始速度）下，利用惯性敏感元件测量飞机相对惯性空间的线运动和角运动参数，用计算机推算出飞机的速度、位置和姿态等参数，从而引导飞机航行。
推算的方法是在运载体上安装加速度计，经过计算(一次积分和二次积分)，从而求得运动轨道(载体的运动速度和距离)，进而进行导航。
在运载体上安装加速度计，用它来敏感、测量运载体运动的加速度，经过计算(一次积分和二次积分)，从而求得运动轨道(运载体运动的速度和距离)，并且产生对运载体运动所需要的控制信号，控制运载体按要求弹道运动，称为惯性制导。
惯性导航系统
一、惯性导航系统基本工作原理:根据牛顿定律，利用一组加速度计连续地进行测量，而后从中提取运动载体相对某一选定导航坐标系(可以是人工建立的物理平台，也可以使计算机参处的“数学平台”)的加速的信息；通过一次积分运算（载体初始速度已知）使得到载体相对导航坐标系的即时速度信息；在通过一次积分运算(载体初始位置已知)便得到载体相对导航系统的即时位置信息。
二、组成一个典型的惯性导航系统一般有关行测量装置、专用计算机、葱汁显示器等几大部分组成。
三、分类按关行测量装置在载体上的安装方式，可分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统。
1 平台式惯性导航的基本原理平台式惯性导航系统是将关行测量原件安装在惯性平台（物理平台）的台体上。
体积重量达，结构复杂2 捷联式大大降低了系统的体积、重量和合成本，但对计算机的算法误差要求较高，不超过系统误差的百分之五十。
可靠性高，故障率低。
对惯性器件要求高，要求两次装卸的期间内，器件有较高的参数稳定性。
3 组合式其他导航系统与惯性导航系统组成的整个系统提高导航精度和提高可靠性四、加速度计的测试、标定及评价标准1灵敏度、线性度测试1)加速度计重力场静态翻滚试验2)静态漂移测试：加速度计在静态工作期间（在不同时间）输出值的变化。
首先寻找该加速度计的机械零位，然后将其置于机械零位，并测试其输出，从而得到静态漂移曲线，即标定了加速度计的静态稳定性。
3) 温度性能测试零位漂移测试灵敏度漂移测试2阈值测试3分辨率测试4重复性测试加速度计在通电(或不通电）状态下，经过整栋、冲击、热储存、高低温试验及热冲击等各种不同环境条件下的考核。
在每次考核后，在纪念性加速的计重力场四点法测试，每种环境至少重复三次。
5噪声测试五、硅微加速度计的评价标准1）量程加速度计可测量加速的大小的范围，是1g的倍数。
2）零点漂移当没有加速度输入的时候，加速的机的输出，为±1g的倍数。
3）比例因子和比例因子误差每单位输入加速德的变化所导致的输出变化。
惯导定位的工作原理
惯导定位的工作原理惯导定位技术是一种高精度的导航定位技术，它不受外部环境的影响，可以在无法接收卫星信号的环境下实现精确的定位。
惯导定位技术在军事、民航、航天等领域有着广泛的应用，成为现代导航技术的重要组成部分。
一、惯导定位的基本原理惯性导航系统由加速度计和陀螺仪两部分组成。
加速度计用来测量机体加速度，陀螺仪则用来测量机体的角速度。
通过对加速度和角速度的测量，可以计算出机体在空间中的运动轨迹和位置。
惯导定位系统的基本原理是利用惯性力学和微积分原理，根据机体的加速度和角速度信息计算出机体的位置和速度。
具体来说，惯导定位系统通过对机体在三个方向上的加速度和角速度进行测量，利用微积分原理对机体的运动状态进行积分，从而计算出机体在空间中的位置和速度。
二、惯导定位的应用领域惯导定位技术广泛应用于军事、民航、航天等领域。
具体应用包括：1、军事领域：惯导定位技术在导弹、飞机、坦克等武器装备中得到广泛应用。
在导弹中，惯导定位系统可以提供高精度的导航和制导，确保导弹的精确打击目标。
在飞机和坦克中，惯导定位系统可以提供高精度的定位和导航，确保飞机和坦克在复杂的环境中的安全运行。
2、民航领域：惯导定位技术在民航领域中应用广泛。
在飞机中，惯导定位系统可以提供高精度的导航和定位，确保飞机在飞行中的安全和稳定。
在船舶中，惯导定位系统可以提供高精度的定位和导航，确保船舶在复杂的海洋环境中的安全运行。
3、航天领域：惯导定位技术在航天领域中得到广泛应用。
在卫星中，惯导定位系统可以提供高精度的定位和导航，确保卫星在轨道上的稳定和精确。
在火箭中，惯导定位系统可以提供高精度的导航和制导，确保火箭的精确发射和着陆。
三、惯导定位的优点和不足惯导定位技术有以下优点：1、高精度：惯导定位技术可以提供高精度的定位和导航，不受卫星信号的影响，适用于无法接收卫星信号的环境。
2、高可靠性：惯导定位技术不受外部环境的影响，可以在恶劣的环境下实现精确的定位和导航。
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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。
MEMS 技术制造的惯性传感器成本低廉，它的出现使惯导系统正由贵族产品走向货架产品。
三、系统组成
1、加速度计。
用于测量飞机运动的加速度，一般应由三个加速度计完成三个方向的测量。
2、稳定平台。
为加速度计提供一个准确的安装基准和测量基准，以保证不管载体姿态发生多大变化，平台相对于惯性参考坐标系的方向始终保持不变，即三个加速度计的空间指向是不变的。
例如，某些飞机上的惯导系统要求这个稳定平台在方位上要对正北向，在平面上要和当地水平面平行，使平台的三个轴正好指向东、北、天三个方向。
能够实现这一要求的，只有陀螺仪，所以也叫陀螺稳定平台。
陀螺也就成为稳定平台和惯性导航系统的核心部件。
正因为有了这样一个基准平台，飞机相对该平台在方位上的偏角反映了航向，飞机相对该平台在
水平两个轴向上的偏角反映了俯仰和倾斜（横滚）。
所以稳定平台代替了地平仪、罗盘或航向姿态系统的功能。
3、导航计算机。
用于进行积分、相加、乘除和三角函数等数学计算。
同时，为保证平台始终水平和指北，要随飞机运动和地球自转，不断计算出修正平台位置的指令信号。
还要计算并补偿有害加速度等。
4、控制显示器。
一个功用是向计算机输入飞机初始运动参数和位置参数；另一个功能是显示飞行过程中的导航参数；还可以进行必要的控制操作，以实现惯性导航的更多功能。
四、惯导系统的工作原理
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。
五、惯导系统分类
1、平台式惯导系统。
这种惯导系统存在陀螺稳定平台，加速度计和陀螺都安装在平台上。
2、捷联式惯导系统。
这种系统中没有实际的陀螺稳定平台，加速度计和陀螺直接安装在机体上，使用平台式计算机建立的“数学平台”模型来代替。
六、系统的主要功能
惯性导航系统可以自动测量飞机各种导航参数及控制参数，供飞行员使用，与飞机其他控制系统相配合完成对飞机的人工或自动控制。
这些参数主要包括：基本导航参数、即时位置、地速、航向角、航迹角、航迹误差、偏流角、风速、风向、待飞时间和距离、飞机姿态角和角速率
七、惯性导航的优缺点
1、惯导系统作为一种有效的导航系统，存在很多其他的导航系统无法比
拟的优点，主要包括如下几个方面：
（1）由于它是不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统故隐蔽性好，也不受外界电磁干扰的影响。
（2）可全天流全球、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下。
（3）能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低。
（4）数据更新率高、短期精度和稳定性好。
2、惯性导航系统也不是完美的，受各种因素的影响，同样存在不可避免的缺点，这些缺点主要体现在如下几个方面：
（1）由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差（2）每次使用之前需要较长的初始对准时间
（3）惯导设备的价格较昂贵
（4）不能给出时间信息
八、惯导系统的应用现状
惯导系统作为一种先进的导航系统，工作环境包括空中、地面、水下，因此应用十分广泛，涉及到军民很多行业，现已大量应用于战术制导武器、战斗机、运载火箭、宇宙飞船、民航飞机、舰艇、潜艇等。