惯性导航基本原理PPT课件
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变化等。 结论：惯导误差随时间迅速增加。
应对措施：建立惯导误差模型，测试标定模型参 数，然后对惯导系统进行补偿。
.
21
7 惯性导航初始对准
1.为何要对准
惯导家族成员均是由加速度计测得的加速度经两 次积分而求得。要进行积分必须要知道初始条件: 初始速度，初始位置，初始姿态。而捷联惯导系统 中初始对准的另一个关键问题是要在较短的时间内 以一定的精度确定出从载体坐标系到地理坐标系的 初始变换矩阵。
陀螺、加速度计固联在载体上。
测量载体相对于惯性系的旋转角速度、加速 度矢量（在载体坐标系中的值）。然后依据初始 时刻载体的位置、速度及姿态，计算出载体坐标 系相对于惯性系的姿态角、加速度，对加速度一 次（二次）积分得到速度（位置）。
.
15
g
R i ( t ) R i ( t )g b ( t )
b
b
ib
3v 3
33
3v 3
f i (t) R i (t)gf b (t)
b
31
31
0
z
y
b ib
z
0 x
y
x
0
其中
R i ：b系至 i系的旋转变换矩阵； b
v b ：捷联陀螺测得的 b系相对于i系旋转角速度矢 ib
量在 b系中的值，、、 为其轴向分量。
x
y
z
.
16
i系： “数学平台”坐标系，b 系中的视加速度 测量值转换至该系，位置、速度参数在该 系中计算。
.
23
8 功能与用途
1、功能
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
2、用途
惯性导航系统用于各种运动机具中，包括飞机、
潜艇、航天飞机等运输工具及导弹，然而成本及复杂
性限制了其可以应用的场合。
惯性系统最先应用于火箭制导，二战期间经德国人冯
布劳恩改进应后，应用于 V-2火箭 制导。战后美国麻
.
8
（3）加速度计测量原理
S
f
a
S 0 刻划
（不受外力）
0 刻划 g
.
9
地球
加速度计不能敏感引力加速度
.
10
加速度计
.
11
4 平台式惯性导航工作原理
Z平
az
ay Y平
ax
X平 平台式惯导系统示意图
.
Leabharlann Baidu12
测量载体在惯性坐标系中的加速度，然后一次积分 得到速度，二次积分得到位置。
av i ( t )
.
22
2.对准要求
精确、快速。传感器精度高，同时对陀螺、加速 度计进行补偿
3.对准方法和过程
过程：分两步即粗对准和精对准
自主对准，不依赖外信息，受控式（依赖外信息）
方法：光的方法，天文的方法
粗对准：利用重力和地球自转角速率，直接估算
初始姿态矩阵。
精对准：精确校正计算参考坐标系n¢与真实参考 坐标系n之间的小失准角f。
以机械陀螺为敏感器件的惯性导航系统的发展； 以光学或微机电陀螺为敏感器件的惯性导航系统的发展。
.
3
（3）系统分类
平台式惯导系统 捷联式惯导系统
（4）系统组成
导航信息 计算机
陀螺 加速度计
.
4
（5）惯导优点
① 依靠自身测量信息进行连续定位； ② 不需接收外部信息，不受外界干扰； ③ 不向外部辐射能量，具有隐蔽性； ④ 可同时确定载体位置/速度/姿态信息。
a f y
v f g(t t )
y
0
y 1 f g(t t ) 2
2
0
g( t t ) 0
a f g g( t t )
x
0
v 1 f g g( t t ) 2
x
2
0
x 1 f g g( t t ) 3
6
0
结论：惯导误差随时间迅速增加。
.
20
三类误差：静态、动态、随机误差。 误差原因：惯性元件不尽完善，安装误差，温度
省理工学院等研究机构及人员对惯性制导进行深入研
究，从而发展成应用飞机、火箭、航天飞机、潜艇的
现代惯性导航系统。
.
24
由角速度测量值及初始时刻转换矩阵、姿态角， 可以计算任意时刻转换矩阵、姿态角。
.
17
捷联式惯性导航系统的特点：
陀螺仪动态范围大； 导航计算量大； 结构简单、体积小、重量轻、成本低等。
.
18
6 误差分析
假设载体沿 y 轴方向做匀加速直线运动。
y′ y f
x′
ε
o
x
.
19
假设视加速度、角速度有常值误差 f、 ，则
.
6
2、控制显示组件：包括导航参数的显示，初 始值的引入，系统实验故障显示和告警等。
3、方式选择组件：主要用来控制系统的工作 状态。
4、备用电池组件:特殊情况下供电。
.
7
3 加速度计测量原理
（1）加速度计功能
测量载体相对于惯性坐标系的视加速度在体坐标系中的值。
（2）加速度计分类
摆式、摆式积分陀螺加速度计……
.
5
2 惯性导航的组成
1惯性导航组件 加速度计 陀螺仪 主要完成导航参数的测量和计算 （1）平台式 一个三轴空间平台，2、3个高精度陀螺仪以及三个 高精度的加速度计，一部数字计算机，其他电子线 路板 （2）捷联式 三个高精度陀螺仪以及三个高精度的加速度计一部 数字计算机，其他电子线路板没有实际的陀螺稳定 平台，将加速度计和陀螺仪直接与飞机机体链接， 用导航计算机计算数学平台。
v f i(t)
gv i ( t )
vv i ( t ) vv i ( t ) t av i ( ) d 0 t0
rv i ( t ) rv i ( t ) t vv i ( u ) d u 0
t0
其中
v f
：视加速度，测量值；gv
：引力加速度。
.
13
平台式惯导系统组成
.
14
5捷联惯性导航工作原理
惯性导航基本原理
.
1
主要内容
1 引言
2 惯性导航的组成
3 加速度计测量原理
4 平台式惯性导航基本原理
5 捷联惯性导航基本原理
6 误差分析
7 惯性导航初始对准 8 功能与用途
.
2
1 引言
（1）惯性导航系统功能
测量载体相对于惯性坐标系的加速度、角速度，通过 积分计算获取载体的导航信息。
（2）惯性导航系统发展
应对措施：建立惯导误差模型，测试标定模型参 数，然后对惯导系统进行补偿。
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7 惯性导航初始对准
1.为何要对准
惯导家族成员均是由加速度计测得的加速度经两 次积分而求得。要进行积分必须要知道初始条件: 初始速度，初始位置，初始姿态。而捷联惯导系统 中初始对准的另一个关键问题是要在较短的时间内 以一定的精度确定出从载体坐标系到地理坐标系的 初始变换矩阵。
陀螺、加速度计固联在载体上。
测量载体相对于惯性系的旋转角速度、加速 度矢量（在载体坐标系中的值）。然后依据初始 时刻载体的位置、速度及姿态，计算出载体坐标 系相对于惯性系的姿态角、加速度，对加速度一 次（二次）积分得到速度（位置）。
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g
R i ( t ) R i ( t )g b ( t )
b
b
ib
3v 3
33
3v 3
f i (t) R i (t)gf b (t)
b
31
31
0
z
y
b ib
z
0 x
y
x
0
其中
R i ：b系至 i系的旋转变换矩阵； b
v b ：捷联陀螺测得的 b系相对于i系旋转角速度矢 ib
量在 b系中的值，、、 为其轴向分量。
x
y
z
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i系： “数学平台”坐标系，b 系中的视加速度 测量值转换至该系，位置、速度参数在该 系中计算。
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8 功能与用途
1、功能
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
2、用途
惯性导航系统用于各种运动机具中，包括飞机、
潜艇、航天飞机等运输工具及导弹，然而成本及复杂
性限制了其可以应用的场合。
惯性系统最先应用于火箭制导，二战期间经德国人冯
布劳恩改进应后，应用于 V-2火箭 制导。战后美国麻
.
8
（3）加速度计测量原理
S
f
a
S 0 刻划
（不受外力）
0 刻划 g
.
9
地球
加速度计不能敏感引力加速度
.
10
加速度计
.
11
4 平台式惯性导航工作原理
Z平
az
ay Y平
ax
X平 平台式惯导系统示意图
.
Leabharlann Baidu12
测量载体在惯性坐标系中的加速度，然后一次积分 得到速度，二次积分得到位置。
av i ( t )
.
22
2.对准要求
精确、快速。传感器精度高，同时对陀螺、加速 度计进行补偿
3.对准方法和过程
过程：分两步即粗对准和精对准
自主对准，不依赖外信息，受控式（依赖外信息）
方法：光的方法，天文的方法
粗对准：利用重力和地球自转角速率，直接估算
初始姿态矩阵。
精对准：精确校正计算参考坐标系n¢与真实参考 坐标系n之间的小失准角f。
以机械陀螺为敏感器件的惯性导航系统的发展； 以光学或微机电陀螺为敏感器件的惯性导航系统的发展。
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3
（3）系统分类
平台式惯导系统 捷联式惯导系统
（4）系统组成
导航信息 计算机
陀螺 加速度计
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4
（5）惯导优点
① 依靠自身测量信息进行连续定位； ② 不需接收外部信息，不受外界干扰； ③ 不向外部辐射能量，具有隐蔽性； ④ 可同时确定载体位置/速度/姿态信息。
a f y
v f g(t t )
y
0
y 1 f g(t t ) 2
2
0
g( t t ) 0
a f g g( t t )
x
0
v 1 f g g( t t ) 2
x
2
0
x 1 f g g( t t ) 3
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0
结论：惯导误差随时间迅速增加。
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三类误差：静态、动态、随机误差。 误差原因：惯性元件不尽完善，安装误差，温度
省理工学院等研究机构及人员对惯性制导进行深入研
究，从而发展成应用飞机、火箭、航天飞机、潜艇的
现代惯性导航系统。
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24
由角速度测量值及初始时刻转换矩阵、姿态角， 可以计算任意时刻转换矩阵、姿态角。
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17
捷联式惯性导航系统的特点：
陀螺仪动态范围大； 导航计算量大； 结构简单、体积小、重量轻、成本低等。
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6 误差分析
假设载体沿 y 轴方向做匀加速直线运动。
y′ y f
x′
ε
o
x
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假设视加速度、角速度有常值误差 f、 ，则
.
6
2、控制显示组件：包括导航参数的显示，初 始值的引入，系统实验故障显示和告警等。
3、方式选择组件：主要用来控制系统的工作 状态。
4、备用电池组件:特殊情况下供电。
.
7
3 加速度计测量原理
（1）加速度计功能
测量载体相对于惯性坐标系的视加速度在体坐标系中的值。
（2）加速度计分类
摆式、摆式积分陀螺加速度计……
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2 惯性导航的组成
1惯性导航组件 加速度计 陀螺仪 主要完成导航参数的测量和计算 （1）平台式 一个三轴空间平台，2、3个高精度陀螺仪以及三个 高精度的加速度计，一部数字计算机，其他电子线 路板 （2）捷联式 三个高精度陀螺仪以及三个高精度的加速度计一部 数字计算机，其他电子线路板没有实际的陀螺稳定 平台，将加速度计和陀螺仪直接与飞机机体链接， 用导航计算机计算数学平台。
v f i(t)
gv i ( t )
vv i ( t ) vv i ( t ) t av i ( ) d 0 t0
rv i ( t ) rv i ( t ) t vv i ( u ) d u 0
t0
其中
v f
：视加速度，测量值；gv
：引力加速度。
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平台式惯导系统组成
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5捷联惯性导航工作原理
惯性导航基本原理
.
1
主要内容
1 引言
2 惯性导航的组成
3 加速度计测量原理
4 平台式惯性导航基本原理
5 捷联惯性导航基本原理
6 误差分析
7 惯性导航初始对准 8 功能与用途
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2
1 引言
（1）惯性导航系统功能
测量载体相对于惯性坐标系的加速度、角速度，通过 积分计算获取载体的导航信息。
（2）惯性导航系统发展