惯性导航系统

目录1.惯性导航系统的概念 (2)2.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 (6)3.惯性导航系统的组成 (10)4、惯性导航系统的工作原理 (14)5、惯性导航系统的功能 (18)6、惯性导航系统的服务模式与应用模式 (20)7、惯性导航系统当前的应用情况 (21)8、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 (24)9、惯性导航系统给我们的启示 (24)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。

这就是说，惯性制导是对运载体进行测量和控制，使其沿预定的轨道运动。

作为一种自主式的导航方法，惯性导航是完全依靠载体上的设备自主地确定出载体的航向、位置、姿态、和速度等导航参数。

并不需要外界任何的光、电、磁参数。

因此，惯性导航系统具有隐蔽性好、全天候工作能力等独特优点。

对飞行器、舰船和地面移动载体（特别是用于军事目的）等尤为重要。

所以在近三十年来，在航空、航天、航海、交通和大地测量中惯性导航系统都得到了广泛的应用。

近今年来由于捷联技术在惯导系统中的应用为惯导系统在民用领域中的应用和发展开辟了更广阔的前景。

二、惯导系统的发展历史及发展趋势1、导航系统的发展1942年德国在V2火箭上首先应用了惯性导航原理，即采用两台陀螺仪和一台横向加速度表，再加上一台模拟计算机来调整火箭飞行的方位。

根据测量数据，模拟计算发出信号调整4个位于垂直尾翼上的外部方向舵来控制火箭的飞行。

这是闭环导航系统的一个创新。

二战结束之后，以冯•布劳恩为首的500多名德国火箭科学家，加上他们的设计图纸、实验设备都去了美国，1945年他们在德克萨斯的布利斯空军基地开始了在美国的火箭研制工作，1950年到达了阿拉巴马州的亨茨维尔市，继续从事火箭研究。

在50年代早期，美国空军的西部研发中心邀请麻省理工学院(MIT)的仪器仪表实验室(即后来的德雷伯实验室)设计一种独立的导航系统，该导航系统将安装在康维尔公司的新一代Atlas洲际弹道导弹上，在MIT该项目的负责人是吉姆•弗莱彻(Jim Fletcher)，他后来成为NASA的负责人。

Atlas导航系统当中首先包含了机载自主导航系统与地基跟踪指挥系统。

后来这两种导航系统还导致了长期的争论，最后在洲际导弹上主要采用自主导航系统，而在空间探索过程中，则是采用两种导航系统的混合物。

1952年夏天，Richard Battin和J. Halcombe Laning, Jr两位博士开始在IBM 650计算机上进行利用MAC语言进行导航计算，直到1958年他们才完成了第一个惯性导航计算模型，而MAC语言作为第一种可以人工阅读的计算机语言也在航天方面得到广泛应用，现在的航天飞机上主系统的开发语言HAL/S就来自MAC语言。

1954年，这两位科学家完成了针对Atlas惯性导航系统的最初的分析工作，而这个项目的技术负责人Walter Schweidetzky曾经是冯•布劳恩的手下，参与过V2火箭的研制。

1954年惯性导航系统在飞机上试飞成功。

基本原理是将现在的运行轨迹与预先设置的运行轨迹进行比较，然后调整火箭的姿态保证实际运行轨迹与预先设置的运行轨迹重合，不过由于当时计算机的处理能力和惯性导航系统的测量精度问题，火箭的偏差非常大。

后来在三角洲(Delta)火箭当中的Q系统才真正解决了这个问题。

Q系统最大的特点是可以利用自导驾驶仪当中的速度与方向信号直接进行计算，获得相关导航参数，该系统是在1956年6月21日首次公诸于众，该系统到现在仍然在导弹当中广泛使用。

1958年舡鱼号潜艇依靠惯性导航在北极冰下航行21天，证明了惯性导航不但可以在火箭、飞机上使用，也可以在船舶、潜艇、车辆上使用。

1961年2月，NASA委托MIT为阿波罗登月计划设计导航系统，而对于航天飞机来说，从航天飞机起飞到固体火箭助推器(SRB)分离这个阶段采用开环导航，而固体火箭助推器分析之后，则采用一种叫做PEG4的导航系统。

PEG4实际上是将Q系统与Delta系统当中的PEG导航系统结合在一起，并加上了预测校正功能。

虽然在过去30年里航天飞机的导航系统多次升级，并加上了GPS导航系统，但是航天飞机与空间探索导航的核心系统还是惯性导航。

2、我国的惯性导航系统我国在惯导研究方面起步相对较晚，西安618所冯培德是研制我国第一套采用液浮惯性器件航空惯性导航系统的主要负责人之一，该系统研制成功，为我国航空惯导发展奠定了基础。

但近年来已经取得了长足进步，在军民用的各个领域都发挥了重要作用。

在历届航展上，都展出了多种惯性导航装置，从中我们可以看到目前我国在这方面所取得的一些成就。

参加展出的多家厂商都展出了各自的惯性导航设备，比如航天时代仪器公司的液浮陀螺平台惯性导航系统、动力调谐陀螺四轴平台系统已相继应用于长征系列运载火箭，其它各类小型化捷联惯导、光纤陀螺惯导、激光陀螺惯导以及匹配GPS 修正的惯导装置等也已经大量应用于战术制导武器、飞机、舰艇、运载火箭、宇宙飞船等。

比如新型陀螺稳定平台应用到最新发射的资源卫星上，显著改善了遥感分辨率和测量精度，漂移率0.01-0.02度/小时的新型激光陀螺捷联系统已经在新型战机上试飞，漂移率0.05度/小时以下的光纤陀螺、捷联惯导在舰艇、潜艇航海上应用，以及小型化挠性捷联惯导在各类导弹制导武器上的应用，都极大的改善了军民用装备的性能，反映了惯性导航测量装置在国防和国民经济中的重大作用。

3、捷联惯导系统现状及发展趋势目前，捷联惯导系统已在军民领域被广泛应用，本文仅介绍其在部分飞航式导弹/炸弹上的应用。

对于飞航式战术地地导弹，由于其全程均在稠密大气层内飞行，且射程远，飞行时间长，容易受到大气干扰的影响，因此，采用捷联惯导系统是唯一可选的制导方式；对于中远程的空空导弹，因导弹的发射距离远，具有攻击多目标的能力，捷联惯导系统也是比较理想的中制导方式；中远程地空导弹的制导方式一般为初始制导+中制导+末制导，其中中制导一般采用具有捷联惯导系统的组合导航系统；各类反舰导弹采用捷联惯导系统也可简化设计降低成本，提高性能价格比。

进入20世纪80~90年代，在航天飞机、宇宙飞船、卫星等民用领域及在各种战略、战术导弹、军用飞机、反潜武器、作战舰艇等军事领域开始采用动力调谐式陀螺、激光陀螺和光纤式陀螺的捷联惯导系统，尤其是激光陀螺和光纤式陀螺是捷联惯导系统的理想器件。

激光陀螺具有角速率动态范围宽、对加速度和震动不敏感、不需温控、启动时间特别短和可靠性高等优点。

激光陀螺惯导系统已在波音757/767、A310民机以及F-20战斗机上试用，精度达到1.85km/h的量级。

20世纪90年代，激光陀螺惯导系统估计占到全部惯导系统的一半以上，其价格与普通惯导系统差不多，但由于增加了平均故障间隔时间，因而其寿命期费用只有普通惯导系统的15%~20%。

光纤陀螺实际上是激光陀螺中的一种，其原理与环型激光陀螺相同，克服了因激光陀螺闭锁带来的负效应，具有检测灵敏度和分辨率极高（可达10-7rad/s）、启动时间极短（原理上可瞬间启动）、动态范围极宽、结构简单、零部件少体积小、造价低、可靠性高等优点。

采用光纤陀螺的捷联航姿系统已用于战斗机的机载武器系统中及波音777飞机上。

波音777由于采用了光纤陀螺的捷联惯导系统，其平均故障间隔时间可高达20000h。

采用光纤陀螺的捷联惯导系统被认为是一种极有发展前途的导航系统。

我国惯性导航与惯性仪表队伍已经初具规模，具备了一定的自行设计、研制和生产能力，基本拥有了迅速发展的物质和技术基础。

尽管如此，我国和国外先进技术相比，还有相当的差距。

尽管捷联惯导系统不能避免惯性器件的固有缺点，但由于它具有诸多优点，因此，目前捷联惯导系统在各类民用的航天飞行器、运载火箭、客/货机及军事领域的各类军用飞机、战术导弹等武器系统上都已被广泛采用。

随着航空航天技术的发展及新型惯性器件的关键技术的陆续突破进而被大量应用，捷联惯导系统的可靠性、精度将会更高，成本将更低，同时，随着机（弹）载计算机容量和处理速度的提高，许多惯性器件的误差技术也可走向实用，它可进一步提高捷联惯导系统的精度。

此外，随着以绕飞行体轴旋转角增量为输出的新型高精度捷联式陀螺的出现，用以描述刚体姿态运动的数学方法也有了新的发展，将以经典的欧拉角表示法向四元素表示法发展。

不管惯性器件的精度多高，由于陀螺漂移和加速度计的误差随时间逐渐积累（这也是纯惯导系统的主要误差源之一，它对位置误差增长的影响是时间的三次方函数），惯导系统长时间运行必将导致客观的积累误差，因此，目前人们在不断探索提高自主式惯导系统的精度外，还在寻求引入外部信息，形成组合式导航系统，这是弥补惯导系统不足的一个重要措施。

组合导航系统通常以惯导系统作为主导航系统，而将其他导航定位误差不随时间积累的导航系统如无线电导航、天文导航、地形匹配导航、GPS等作为辅助导航系统，应用卡尔曼滤波技术，将辅助信息作为观测量，对组合系统的状态变量进行最优估计，以获得高精度的导航信号。

这样，既保持了纯惯导系统的自主性，又防止了导航定位误差随时间积累。

组合导航系统不仅在民用上而且在军事上均具有重要意义。

由于飞船、战术导弹及飞机的惯性导航系统具有精度与低成本的要求，所以采用捷联式惯性导航方案是十分适宜的.国外有人把捷联式惯性导航系统列为低成本惯性导航系统。

捷联系统提供的信息全部是数字信息，所以特别适用于各种舰船的数字航行控制系统及武备系统[3][4]。

随着 GPS的普及， SINS /GPS组合导航系统显示出巨大的发展潜力。

该组合导航系统由GPS提供三维位置、三维速度和精确的时间信息，系统的核心是卡尔曼滤波器，它是在线性最小方差下的最优估计。

美国海军在海湾战争发射的"斯拉姆"导弹的惯导系统采用了GPS技术，其命中精度达10~15m之内；美国于20世纪80年代研制的已在"三叉戟"核潜艇上部署的射程达11110km的"三叉戟2"D-5战略导弹，采用了CNS/INS(天文导航系统/惯性导航系统)组合导航系统，其导弹落点圆周概率(CEP)小于185m。