惯导PPT第一章.
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惯导与GPS导航概述PPT学习教案
统和容错组合导航系统受到极大重视。
第24页/共47页
1.2.1 概述
图1.3 导航系统的演变与发展趋势
第25页/共47页
1.2.2 早期的导航方式 司南：战国时期，利用磁石制成，确定南北方位。
图1.4 汉代‘司南’模型
第26页/共47页
1.2.2 早期的导航方式 指南针：北宋初期。 罗盘针：把指南针固定在方位盘中。
测出地速大小 利用载体上的多普勒/航向系统
输出航向角
把地速分解为地理北向和东向分量
确定载体位置
（多普勒导航原理）
第33页/共47页
1.2.4 多普勒导航
多普勒导航的优点：主动工作、自主性强 （无需地面台站配合）
多普勒导航的缺点： （1）易受干扰、易暴露。（雷达开机发射电波） （2）定位精度与反射面的具体情况密切相关。
第4页/共47页
载体（运载体）在空间运动过程的基本参数？ 位置、速度 、姿态 是载体运动过程的基本参数。
检测和确定这些参数是通过 具有导航功能的系统 完成。
导航的实质： 即是要获取载体的这三个基本参数 或其中一部分参数。
第5页/共47页
1.1.1 导航与导航系统 （1）什么是导航？
导：引导 航：航行（泛指：飞行器、舰船、车辆、人、动物，等）
第16页/共47页
1.1.4 导航与制导的区别
导航与制导 没有本质 的区别。两者的概念就已交叉， 随着科学的发展，更是相互融合。
实行导航时，要确定飞行器的位置，并且航迹是事先确 定的，导航要实时、连续地给出飞行器的位置、速度、 加速度、航向等导航参数。
制导则是利用导航系统输出的加速度、速度、位置和航 向姿态等信息，形成指令信号，控制载体的姿态、航向 或发动机，使其按预定轨道航行并到达目的地。
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1.2.1 概述
图1.3 导航系统的演变与发展趋势
第25页/共47页
1.2.2 早期的导航方式 司南：战国时期，利用磁石制成，确定南北方位。
图1.4 汉代‘司南’模型
第26页/共47页
1.2.2 早期的导航方式 指南针：北宋初期。 罗盘针：把指南针固定在方位盘中。
测出地速大小 利用载体上的多普勒/航向系统
输出航向角
把地速分解为地理北向和东向分量
确定载体位置
（多普勒导航原理）
第33页/共47页
1.2.4 多普勒导航
多普勒导航的优点：主动工作、自主性强 （无需地面台站配合）
多普勒导航的缺点： （1）易受干扰、易暴露。（雷达开机发射电波） （2）定位精度与反射面的具体情况密切相关。
第4页/共47页
载体（运载体）在空间运动过程的基本参数？ 位置、速度 、姿态 是载体运动过程的基本参数。
检测和确定这些参数是通过 具有导航功能的系统 完成。
导航的实质： 即是要获取载体的这三个基本参数 或其中一部分参数。
第5页/共47页
1.1.1 导航与导航系统 （1）什么是导航？
导：引导 航：航行（泛指：飞行器、舰船、车辆、人、动物，等）
第16页/共47页
1.1.4 导航与制导的区别
导航与制导 没有本质 的区别。两者的概念就已交叉， 随着科学的发展，更是相互融合。
实行导航时，要确定飞行器的位置，并且航迹是事先确 定的，导航要实时、连续地给出飞行器的位置、速度、 加速度、航向等导航参数。
制导则是利用导航系统输出的加速度、速度、位置和航 向姿态等信息，形成指令信号，控制载体的姿态、航向 或发动机，使其按预定轨道航行并到达目的地。
惯性导航原理课件
未来惯性导航系统将更加注重 小型化、低功耗和集成化设计 ，以满足各种便携式和嵌入式 设备的需求。
惯性导航技术与其他导航技术 的融合将进一步深化，形成更 加高效、精准、可靠的导航解 决方案。
THANKS 感谢观看
由于制造工艺和环境因素的影响，陀螺仪 的测量结果会存在误差，需要进行误差补 偿。
加速度计的测量结果也会受到多种因素的 影响，需要进行误差补偿。
积分误差
外部干扰误差
由于积分运算本身的误差累积效应，惯性 导航系统在长时间工作时误差会逐渐增大 ，需要进行定期校准。
载体运动过程中受到的外部干扰（如风、 水流等）会影响惯性导航系统的测量结果 ，需要进行相应的误差补偿。
06 总结与展望
本课程总结
01
介绍了惯性导航的基本原理和实现方法，包括陀螺仪
和加速度计的工作原理、误差模型和标定技术等。
02
重点讲解了卡尔曼滤波器在惯性导航系统中的应用，
以及如何进行系统状态估计和误差修正。
03
结合实际案例，分析了不同场景下惯性导航系统的优
缺点和适用性。
惯性导航技术发展趋势
随着传感器技术和微电子技术的不断发展，惯性导航系统的精度和稳定性将得到进 一步提升。
角速度测量
陀螺仪实时测量载体的角速度 ，并输出角速度数据。
加速度测量
加速度计实时测量载体的加速 度，并输出加速度数据。
运动参数计算
控制系统根据角速度和加速度 数据，通过积分运算计算载体 位置、姿态等运动参数。
控制输出
控制系统将计算得到的运动参 数输出到执行机构，以控制载
体运动。
误差分析
陀螺仪误差
加速度计误差
民用领域应用
01
02
惯导系统课件121224讲解
的精度。
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
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
《惯性导航原理》课件
本课程旨在介绍惯性导航的基本原理、技术特点、应用场景和发展趋势，为学生和 从业人员提供全面深入的学习资料。
课程目标
01
掌握惯性导航的基本原理和技术 特点。
02
了解惯性导航在各个领域的应用 情况。
探讨惯性导航的未来发展趋势和 挑战。
03
提高学生对导航技术的兴趣和认 知水平，为未来的学习和职业发
展打下基础。
在深空探测任务中，惯性导航系统为 航天器提供连续、高精度的位置和速 度信息，确保航天器在深空中的精确 导航和科学数据采集。
地球物理学研究
在地球物理学研究中，利用惯性导航 系统进行地震数据采集和地壳运动监 测，推动地质灾害预警和地球科学研 究。
05
惯性导航技术发展
技术现状
惯性导航技术已广泛应用于军事、航 空、航海等领域。
与其他导航手段融合
研究如何更好地将惯性导航与其他导 航手段（如GPS、北斗等）进行融合 ，实现优势互补。
人工智能与大数据的应用
讨论如何利用人工智能和大数据技术 对惯性导航数据进行处理和分析，提 高导航性能。
THANKS
感谢观看
潜艇导航
在潜艇导航中，惯性导航系统用于长时间隐蔽航行，提供连续的定 位信息，保障潜艇作战和战略威慑能力。
无人机导航
无人机依靠惯性导航系统进行长航程、长时间飞行，实现复杂环境 下的精确导航和任务执行。
民用应用
航空交通管制
在航空交通管制中，惯性导航系统为飞机提供精确的位置和速度 信息，确保空中交通安全有序。
的组合方法。
陀螺仪与加速度计
深入探讨了陀螺仪和加速度计的工作 原理、分类及优缺点。
误差分析与校正
讨论了惯性导航中常见的误差来源及 其校正方法。
课程目标
01
掌握惯性导航的基本原理和技术 特点。
02
了解惯性导航在各个领域的应用 情况。
探讨惯性导航的未来发展趋势和 挑战。
03
提高学生对导航技术的兴趣和认 知水平，为未来的学习和职业发
展打下基础。
在深空探测任务中，惯性导航系统为 航天器提供连续、高精度的位置和速 度信息，确保航天器在深空中的精确 导航和科学数据采集。
地球物理学研究
在地球物理学研究中，利用惯性导航 系统进行地震数据采集和地壳运动监 测，推动地质灾害预警和地球科学研 究。
05
惯性导航技术发展
技术现状
惯性导航技术已广泛应用于军事、航 空、航海等领域。
与其他导航手段融合
研究如何更好地将惯性导航与其他导 航手段（如GPS、北斗等）进行融合 ，实现优势互补。
人工智能与大数据的应用
讨论如何利用人工智能和大数据技术 对惯性导航数据进行处理和分析，提 高导航性能。
THANKS
感谢观看
潜艇导航
在潜艇导航中，惯性导航系统用于长时间隐蔽航行，提供连续的定 位信息，保障潜艇作战和战略威慑能力。
无人机导航
无人机依靠惯性导航系统进行长航程、长时间飞行，实现复杂环境 下的精确导航和任务执行。
民用应用
航空交通管制
在航空交通管制中，惯性导航系统为飞机提供精确的位置和速度 信息，确保空中交通安全有序。
的组合方法。
陀螺仪与加速度计
深入探讨了陀螺仪和加速度计的工作 原理、分类及优缺点。
误差分析与校正
讨论了惯性导航中常见的误差来源及 其校正方法。
惯性导航ppt课件
受任何干扰 、隐蔽性强 、输出信息量大 、输出信息实时性强
等优点 ，使其在军事领域和许多民用领域都得到了广泛的应
用 ，已被许多机种选为标准导航设备或必装导航设备 。
一、惯性导航技术的发展历史
图1.4 陀螺仪弹
惯性导航是一门涉及精密机械、计算机技术、微电子、光 学、自动控制、材料等多种学科和领域的综合技术。由于陀螺 仪是惯性导航的核心部件，因此，可以按各种类型陀螺出现的 先后、理论的建立和新型传感器制造技术的出现，将惯性技术 的发展划分为四代。
几种姿态结算是重点
三、惯导系统的分类
Bortz 和 Jordon 最早提出了等效旋转矢量概念用于陀 螺输出不可交换误差的修正， 从而在理论上解决了不可交换 误差的补偿问题， 其后的研究就主要集中在旋转矢量的求解 上 ，根据在相同姿态更新周期内 ，对陀螺角增量等间隔采样 数的不同 、有双子样算法、 三子样算法等 。为减少计算量 Gilmore 提出了等效旋转矢量双回路迭代算法Miller 讨论 了在纯锥运动环境下等效旋转矢量的三子样优化算法， 此后 ，在 Miller 理论的基础上 Jang G. Lee 和 Yong J.Yoon 对等效旋转矢量的四子样优化算法进行了研究。 Y.F.Jiang 对利用陀螺的角增量及前一更新周期采样值的算法进行了研究 ， 研究结果表明， 采样阶数越高，更新速率越快 ，姿态更新 算法的误差就越小。 Musoff 提出了圆锥补偿算法的优化指 标， 分析了圆锥补偿后的算法误差与补偿周期幂次 r 的关系 。 这些理论研究奠定了姿态更新算法的经典理论基础 。
一、惯性导航技术的发展历史
图1.5 惯导技术发展历史
二、惯性传感器的最新发展现状
2.1陀螺仪 定义：传统意义上的陀螺仪是安装在框架中绕回转体的对
惯性导航原理ppt课件
所在位置的东向、北向和垂线方向的坐标 系。地理坐标系的原点选在飞行器重心处， x指向东，y指向北，z沿垂线方向指向天 （东北天）。
5
4. 导航坐标系—— Ox n yn zn 导航坐标系是在导航时根据导航系统工作
的需要而选取的作为导航基准的坐标系。 指北方位系统：导航坐标系与地理坐标系 重合；自由方位系统或游动自由方位系统：
第三章 惯性导航原理
主要—捷联式
1
3.1常用坐标系
惯性导航中所采用的坐标系可分为惯性坐标系与非惯性坐 标系两类，惯性导航区别于其它类型的导航方案（如无线 电导航、天文导航等）的根本不同之处就在于其导航原理 是建立在牛顿力学定律——又称惯性定律——的基础上的， “惯性导航”也因此而得名。而牛顿力学定律是在惯性空 间内成立的，这就有必要首先引入惯性坐标系，作为讨论 惯导基本原理的坐标基准。对飞行器进行导航的主要目的 就是要确定其导航参数，飞行器的导航参数就是通过各个 坐标系之间的关系来确定的，这些坐标系是区别于惯性坐 标系、并根据导航的需要来选取的。将它们统称为非惯性 坐标系，如地球坐标系、地理坐标系、导航坐标系、平台 坐标系及机体坐标系等。
除法四元数基本性质四元数表示转动约定四元数表示转动约定一个坐标系或矢量相对参考坐标系旋转转角为与参考系各轴间的方向余弦值为coscoscos为特征四元数范数为四元数表示转动矢量旋转四元数表示转动矢量旋转如果矢量转动后的矢量为四元数表示转动坐标系旋转四元数表示转动坐标系旋转如果坐标系oxyz发生旋转得到新坐标系oxyz一个相对原始坐标系oxyz不发生旋转变换的矢量zkyjxi在新坐标系上oxyz的投影为zkyjxi在坐标系oxyzoxyz上的映像映象图解zkyjxizkyjxi四元数表示转动方向余弦四元数表示转动方向余弦zkyjxizkyjxi四元数表示转动方向余弦四元数表示转动方向余弦四元数表示转动旋转合成四元数表示转动旋转合成多次旋转的合成对于一个坐标系经过多次旋转后新坐标系和原始坐标系之间的关系等效于一个一次转动的效果相应地有合成转动四元数假定的转轴方向必须以映象的形式给出
5
4. 导航坐标系—— Ox n yn zn 导航坐标系是在导航时根据导航系统工作
的需要而选取的作为导航基准的坐标系。 指北方位系统：导航坐标系与地理坐标系 重合；自由方位系统或游动自由方位系统：
第三章 惯性导航原理
主要—捷联式
1
3.1常用坐标系
惯性导航中所采用的坐标系可分为惯性坐标系与非惯性坐 标系两类，惯性导航区别于其它类型的导航方案（如无线 电导航、天文导航等）的根本不同之处就在于其导航原理 是建立在牛顿力学定律——又称惯性定律——的基础上的， “惯性导航”也因此而得名。而牛顿力学定律是在惯性空 间内成立的，这就有必要首先引入惯性坐标系，作为讨论 惯导基本原理的坐标基准。对飞行器进行导航的主要目的 就是要确定其导航参数，飞行器的导航参数就是通过各个 坐标系之间的关系来确定的，这些坐标系是区别于惯性坐 标系、并根据导航的需要来选取的。将它们统称为非惯性 坐标系，如地球坐标系、地理坐标系、导航坐标系、平台 坐标系及机体坐标系等。
除法四元数基本性质四元数表示转动约定四元数表示转动约定一个坐标系或矢量相对参考坐标系旋转转角为与参考系各轴间的方向余弦值为coscoscos为特征四元数范数为四元数表示转动矢量旋转四元数表示转动矢量旋转如果矢量转动后的矢量为四元数表示转动坐标系旋转四元数表示转动坐标系旋转如果坐标系oxyz发生旋转得到新坐标系oxyz一个相对原始坐标系oxyz不发生旋转变换的矢量zkyjxi在新坐标系上oxyz的投影为zkyjxi在坐标系oxyzoxyz上的映像映象图解zkyjxizkyjxi四元数表示转动方向余弦四元数表示转动方向余弦zkyjxizkyjxi四元数表示转动方向余弦四元数表示转动方向余弦四元数表示转动旋转合成四元数表示转动旋转合成多次旋转的合成对于一个坐标系经过多次旋转后新坐标系和原始坐标系之间的关系等效于一个一次转动的效果相应地有合成转动四元数假定的转轴方向必须以映象的形式给出
惯性导航基本原理
12
1.4惯性导航技术的发展
1.惯性导航技术 涉及多学科（机电、光学、数学、力学、控
制及计算机等学科）的高新尖端技术，是现代武 器系统中的一项基本支撑技术，是在先进科学理 论和制造工艺支持条件下发展起来的。
只有少数国家有能力研制惯性技术产品。 我国惯性技术在自力更生基础上，发展至今 已具有一定规模。
入 大海。
24
25
9）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
陆的全自动飞行，自主飞行时间长达10小时。 10）1958年，美国海军“鹦鹉螺”号核潜艇，从
惯性导航基本的原理
1.1 导航的基本概念 1.2 常见的导航系统 1.3 基础知识 1.4 惯导技术的发展
2
第一章 概 述
1.1 导航的基本概念
导航（Navigation） ：引导载体达到预定 目的地的过程。载体包括车辆、舰船、飞机、导 弹、宇宙飞行器等。
制导（guidance） ：根据导航系统提供的 数据，由控制系统来自动引导载体到达目的地。
3
1.2 常见的导航系统
▪ 陆标导航：根据固定标志物（如灯塔、建筑物等）的位 置坐标及其相对载体的距离方位关系确定载体位置。缺 点：受地形气候条件限制。
▪ 无线电导航：利用无线电技术测量导航参数的系统，如 VOR、DME等。缺点：精度受电磁环境影响。
▪ 卫星导航系统：利用专用于导航的人造地球卫星来实现 ，如GPS、北斗等。缺点同上。
5
不足：惯导系统确定载体位置是由加速度计 测得的加速度经二次积分获得，本质上是一 种推算定位法，误差随时间积累，长时间工 作，误差会超出允许范围，需用其它信息进 行重调和校正；要制造高精度的惯导系统， 必须要求惯性元件有高精度，对制造工艺、 装配工艺要求严格，系统成本高。
1.4惯性导航技术的发展
1.惯性导航技术 涉及多学科（机电、光学、数学、力学、控
制及计算机等学科）的高新尖端技术，是现代武 器系统中的一项基本支撑技术，是在先进科学理 论和制造工艺支持条件下发展起来的。
只有少数国家有能力研制惯性技术产品。 我国惯性技术在自力更生基础上，发展至今 已具有一定规模。
入 大海。
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9）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
陆的全自动飞行，自主飞行时间长达10小时。 10）1958年，美国海军“鹦鹉螺”号核潜艇，从
惯性导航基本的原理
1.1 导航的基本概念 1.2 常见的导航系统 1.3 基础知识 1.4 惯导技术的发展
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第一章 概 述
1.1 导航的基本概念
导航（Navigation） ：引导载体达到预定 目的地的过程。载体包括车辆、舰船、飞机、导 弹、宇宙飞行器等。
制导（guidance） ：根据导航系统提供的 数据，由控制系统来自动引导载体到达目的地。
3
1.2 常见的导航系统
▪ 陆标导航：根据固定标志物（如灯塔、建筑物等）的位 置坐标及其相对载体的距离方位关系确定载体位置。缺 点：受地形气候条件限制。
▪ 无线电导航：利用无线电技术测量导航参数的系统，如 VOR、DME等。缺点：精度受电磁环境影响。
▪ 卫星导航系统：利用专用于导航的人造地球卫星来实现 ，如GPS、北斗等。缺点同上。
5
不足：惯导系统确定载体位置是由加速度计 测得的加速度经二次积分获得，本质上是一 种推算定位法，误差随时间积累，长时间工 作，误差会超出允许范围，需用其它信息进 行重调和校正；要制造高精度的惯导系统， 必须要求惯性元件有高精度，对制造工艺、 装配工艺要求严格，系统成本高。
惯性导航系统概论惯性导航ppt课件
8
2.4 第四代发展阶段 当前，惯性技术目标是实现高精度、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一方面，陀螺 的精度不断提高；另一方面，随着新型固态陀螺仪的逐渐成熟 ，以及高速大容量的数字计算机技术的进步。
9
10
2 我国惯导的发展历程 我国从“六五”开始，原国防科工委就把惯性技术纳人预先
11
3 惯性导航系统的发展方向
惯性导航系统的设计和发展须要考虑权衡的主要因素： 1)必须针对并满足应用的需求。其中导航性能和价格成本是
首要的两个特性指标。价格成本包含系统自身成本、维护 成本和使用寿命。因此对于很多导航应用，合理的价格仍 然被置于应用要求的最前面。导航性能包括：导航的精确 性、连续性、完整性、易用性。易用性是指系统易于使用 和维护、系统的自主性等。 2)实际的应用环境是最大的挑战。系统的体积、功耗、可靠 性和可用性会关系到惯性导航系统能否在具体的应用环境 中被采用。
基本导航参数即时位臵地速航向角航迹角航迹误差偏流角风速风向待飞时间待飞距离飞机姿态角角速率52惯性导航系统基本功能电子信息工程学院15基本导航参数电子信息工程学院16惯性导惯性导航组件航组件自动驾驶仪自动驾驶仪气象雷达气象雷达自动信自动信号引进号引进组件组件更新更新不更新不更新信号器信号器真航向磁航向真航向磁航向备用电池组件备用电池组件大气数据系统大气数据系统调协头调协头航路航路进近转换进近转换测距器测距器dmedme全向信标全向信标vorvor控制显控制显示组件示组件方式选方式选择组件择组件水平状水平状态指示态指示姿态指引姿态指引指示器指示器惯导系统与飞机其它系统的连接电子信息工程学院1753惯性导航系统基本组成和简要原理1
惯性导航原理
1
第五章惯导系统概论
2.4 第四代发展阶段 当前，惯性技术目标是实现高精度、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一方面，陀螺 的精度不断提高；另一方面，随着新型固态陀螺仪的逐渐成熟 ，以及高速大容量的数字计算机技术的进步。
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2 我国惯导的发展历程 我国从“六五”开始，原国防科工委就把惯性技术纳人预先
11
3 惯性导航系统的发展方向
惯性导航系统的设计和发展须要考虑权衡的主要因素： 1)必须针对并满足应用的需求。其中导航性能和价格成本是
首要的两个特性指标。价格成本包含系统自身成本、维护 成本和使用寿命。因此对于很多导航应用，合理的价格仍 然被置于应用要求的最前面。导航性能包括：导航的精确 性、连续性、完整性、易用性。易用性是指系统易于使用 和维护、系统的自主性等。 2)实际的应用环境是最大的挑战。系统的体积、功耗、可靠 性和可用性会关系到惯性导航系统能否在具体的应用环境 中被采用。
基本导航参数即时位臵地速航向角航迹角航迹误差偏流角风速风向待飞时间待飞距离飞机姿态角角速率52惯性导航系统基本功能电子信息工程学院15基本导航参数电子信息工程学院16惯性导惯性导航组件航组件自动驾驶仪自动驾驶仪气象雷达气象雷达自动信自动信号引进号引进组件组件更新更新不更新不更新信号器信号器真航向磁航向真航向磁航向备用电池组件备用电池组件大气数据系统大气数据系统调协头调协头航路航路进近转换进近转换测距器测距器dmedme全向信标全向信标vorvor控制显控制显示组件示组件方式选方式选择组件择组件水平状水平状态指示态指示姿态指引姿态指引指示器指示器惯导系统与飞机其它系统的连接电子信息工程学院1753惯性导航系统基本组成和简要原理1
惯性导航原理
1
第五章惯导系统概论
惯导原理捷联惯导基本算法与误差课件
惯导原理捷联惯导基本算法与误差课件
目录
惯导系统概述捷联惯导系统惯导系统的误差补偿技术惯导系统在各领域的应用未来惯导技术的发展趋势总结与展望
01
CHAPTER
惯导系统概述
惯性导航系统（INS）是一种自主式导航系统，通过测量载体在三个轴上的加速度和角速度，结合初始位置、速度和姿态信息，计算出载体当前的位置、速度和姿态。
总结与展望
随着科技的进步，提高惯导系统的精度是未来的重要发展方向。
更高精度
多模融合
微型化与集成化
人工智能优化
将惯导与其他导航手段（如GPS、北斗等）进行融合，以提高导航定位的可靠性和精度。
随着微电子和集成电路技术的发展，实现小型化、低功耗的惯导系统是未来的趋势。
利用人工智能技术对惯导系统进行优化，提高其性能和适应性。
THANKS
感谢您的观看。
定义
不依赖外部信息，隐蔽性好；可在各种复杂环境中工作；导航信息连续性好；但误差随时间积累，长时间工作导航精度较低。
特点
02
CHAPTER
捷联惯导系统
捷联惯导系统是一种基于陀螺仪和加速度计的导航系统，通过测量载体相对惯性空间的角速度和加速度，计算出载体相对于地球的位置、速度和姿态信息。
陀螺仪能够测量载体相对惯性空间的角速度，加速度计能够测量载体相对于地球的加速度，通过积分运算，可以得到载体的位置、速度和姿态信息。
地球模型误差主要包括地球赤道隆起、地球重力场模型误差等，可以采用高精度地球模型进行减小或消除。
加速度计误差主要包括零点误差、刻度因数误差和非线性误差等，可以采用数字补偿或离线校准等方法进行减小或消除。
捷联惯导系统的误差主要包括陀螺仪误差、加速度计误差、地球模型误差和信号处理误差等。
目录
惯导系统概述捷联惯导系统惯导系统的误差补偿技术惯导系统在各领域的应用未来惯导技术的发展趋势总结与展望
01
CHAPTER
惯导系统概述
惯性导航系统（INS）是一种自主式导航系统，通过测量载体在三个轴上的加速度和角速度，结合初始位置、速度和姿态信息，计算出载体当前的位置、速度和姿态。
总结与展望
随着科技的进步，提高惯导系统的精度是未来的重要发展方向。
更高精度
多模融合
微型化与集成化
人工智能优化
将惯导与其他导航手段（如GPS、北斗等）进行融合，以提高导航定位的可靠性和精度。
随着微电子和集成电路技术的发展，实现小型化、低功耗的惯导系统是未来的趋势。
利用人工智能技术对惯导系统进行优化，提高其性能和适应性。
THANKS
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定义
不依赖外部信息，隐蔽性好；可在各种复杂环境中工作；导航信息连续性好；但误差随时间积累，长时间工作导航精度较低。
特点
02
CHAPTER
捷联惯导系统
捷联惯导系统是一种基于陀螺仪和加速度计的导航系统，通过测量载体相对惯性空间的角速度和加速度，计算出载体相对于地球的位置、速度和姿态信息。
陀螺仪能够测量载体相对惯性空间的角速度，加速度计能够测量载体相对于地球的加速度，通过积分运算，可以得到载体的位置、速度和姿态信息。
地球模型误差主要包括地球赤道隆起、地球重力场模型误差等，可以采用高精度地球模型进行减小或消除。
加速度计误差主要包括零点误差、刻度因数误差和非线性误差等，可以采用数字补偿或离线校准等方法进行减小或消除。
捷联惯导系统的误差主要包括陀螺仪误差、加速度计误差、地球模型误差和信号处理误差等。
惯性导航基本原理课件
03
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。
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。
P01陀螺仪与惯导
加速度(Acceleration)、速度 （ velocity ）和位置（Position） 之间的关系：
t
V
V0
adt
0
t
S
S0
Vdt
0
S0 V0t
t 0
t adt 2
0
不依赖外界信息，只靠对载 体(vehicle)本身的惯性测量 来完成导航任务的技术—— 惯性导航
飞行器的姿态角：航 向、俯仰、横滚
地平仪：建立水平基 准，实现对俯仰、横滚 的测量 航向仪：建立方位基 准，实现对航向角的测 量
陀螺仪在导弹中的最早应用
30年代被 Goddard 用于火箭试验 二战中用于导弹： V1、V2
1942年12月，德国首次试射V1 V1 巡航导弹 V2 弹道导弹
傅科陀螺仪
傅科：法国地球物理学家(1819-1868) 验证地球自转
傅科陀螺仪 (1852)
傅科摆 (1851)
L=67m M=28kg A=6m
原理？
精度较低，无法验证地球自转 之后轴承工艺得到改进
陀螺罗经——航海方面的最早应用
人类早期航海采用磁罗盘（指南针）
19世纪后期，钢质轮船逐渐取代 木质轮船，磁罗盘无法再保证精度
在极地附近磁罗盘也会失灵
寻找能够替代磁罗盘的方位指使仪
如果借助陀螺仪，需要解决实 时、自主寻北的问题
1908年，德国人安休茨 （Anschutz）研制成陀螺罗经 1909年，美国人斯佩里（Sperry）也 独立研制成陀螺罗经
—— 陀螺仪实用技术形成和发展的开端
航空应用——地平仪、航向仪
1920s后 陀螺仪开始应 用在航空，用来测量飞 机的姿态角
t
V
V0
adt
0
t
S
S0
Vdt
0
S0 V0t
t 0
t adt 2
0
不依赖外界信息，只靠对载 体(vehicle)本身的惯性测量 来完成导航任务的技术—— 惯性导航
飞行器的姿态角：航 向、俯仰、横滚
地平仪：建立水平基 准，实现对俯仰、横滚 的测量 航向仪：建立方位基 准，实现对航向角的测 量
陀螺仪在导弹中的最早应用
30年代被 Goddard 用于火箭试验 二战中用于导弹： V1、V2
1942年12月，德国首次试射V1 V1 巡航导弹 V2 弹道导弹
傅科陀螺仪
傅科：法国地球物理学家(1819-1868) 验证地球自转
傅科陀螺仪 (1852)
傅科摆 (1851)
L=67m M=28kg A=6m
原理？
精度较低，无法验证地球自转 之后轴承工艺得到改进
陀螺罗经——航海方面的最早应用
人类早期航海采用磁罗盘（指南针）
19世纪后期，钢质轮船逐渐取代 木质轮船，磁罗盘无法再保证精度
在极地附近磁罗盘也会失灵
寻找能够替代磁罗盘的方位指使仪
如果借助陀螺仪，需要解决实 时、自主寻北的问题
1908年，德国人安休茨 （Anschutz）研制成陀螺罗经 1909年，美国人斯佩里（Sperry）也 独立研制成陀螺罗经
—— 陀螺仪实用技术形成和发展的开端
航空应用——地平仪、航向仪
1920s后 陀螺仪开始应 用在航空，用来测量飞 机的姿态角
惯导原理捷联惯导基本算法与误差课件
时间漂移误差
由于陀螺仪和加速度计随时间变 化的稳定性问题导致的偏差，这 种误差通常需要通过实时滤波和 数据融合技术来减小。
05
提高捷联惯性导航精度的策
略
采用高性能的惯性传感器
陀螺仪
陀螺仪是惯性导航系统中的重要组成部分，能够测量载体在三个轴向的角速度。 采用高性能的陀螺仪可以提高捷联惯性导航系统的精度。
粒子滤波是一种基于贝叶斯推断的非线性滤波算法，能够处理非线性、非高斯系统。采用粒子滤波可以提高捷联 惯性导航系统在复杂环境下的性能。
利用外部信息进行修正
GPS修正
全球定位系统（GPS）是一种高精度的导航系统，能够提供准确的位置和时间信息。利用GPS信息对 捷联惯性导航系统进行修正可以提高其精度。
无线通信修正
利用无线通信网络，接收外部信息对捷联惯性导航系统进行修正可以提高其精度。例如，接收差分 GPS信号、无线电导航信号等。
06
捷联惯性导航发展趋势与挑
战
技术升级与改进
器件性能提升
随着微电子、精密制造等技术的 进步，捷联惯性导航系统的器件 性能得到不断提升，为实现更高
精度的导航提供了基础保障。
算法优化
04
捷联惯性导航误差分析
系统误差
零偏误差
由于陀螺仪和加速度计的 制造和安装偏差导致的固 定偏差，这种误差通常很 难通过校准消除。
刻度系数偏差
由于陀螺仪和加速度计的 刻度系数不准确导致的误 差，需要通过校准消除。
安装误差
由于陀螺仪和加速度计在 系统中的安装位置不准确 导致的误差，这种误差通 常很难通过校准消除。
随机误差
陀螺仪随机漂移误差
由于陀螺仪内部的热噪声和机械噪声导致的随机偏差，这种误差通常需要通过 滤波和数据融合技术来减小。
由于陀螺仪和加速度计随时间变 化的稳定性问题导致的偏差，这 种误差通常需要通过实时滤波和 数据融合技术来减小。
05
提高捷联惯性导航精度的策
略
采用高性能的惯性传感器
陀螺仪
陀螺仪是惯性导航系统中的重要组成部分，能够测量载体在三个轴向的角速度。 采用高性能的陀螺仪可以提高捷联惯性导航系统的精度。
粒子滤波是一种基于贝叶斯推断的非线性滤波算法，能够处理非线性、非高斯系统。采用粒子滤波可以提高捷联 惯性导航系统在复杂环境下的性能。
利用外部信息进行修正
GPS修正
全球定位系统（GPS）是一种高精度的导航系统，能够提供准确的位置和时间信息。利用GPS信息对 捷联惯性导航系统进行修正可以提高其精度。
无线通信修正
利用无线通信网络，接收外部信息对捷联惯性导航系统进行修正可以提高其精度。例如，接收差分 GPS信号、无线电导航信号等。
06
捷联惯性导航发展趋势与挑
战
技术升级与改进
器件性能提升
随着微电子、精密制造等技术的 进步，捷联惯性导航系统的器件 性能得到不断提升，为实现更高
精度的导航提供了基础保障。
算法优化
04
捷联惯性导航误差分析
系统误差
零偏误差
由于陀螺仪和加速度计的 制造和安装偏差导致的固 定偏差，这种误差通常很 难通过校准消除。
刻度系数偏差
由于陀螺仪和加速度计的 刻度系数不准确导致的误 差，需要通过校准消除。
安装误差
由于陀螺仪和加速度计在 系统中的安装位置不准确 导致的误差，这种误差通 常很难通过校准消除。
随机误差
陀螺仪随机漂移误差
由于陀螺仪内部的热噪声和机械噪声导致的随机偏差，这种误差通常需要通过 滤波和数据融合技术来减小。
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– XT and YT are in the equator plane, XT is in the intersection of the equator plane and the Greenwich meridian – ZT is the same axis as the earth rotation axis
XT
YT
返回
2018年8月10日
惯导
24
Space-fixed or Inertial Frame(惯性 坐标系）
Z
– Space-fixed or inertial frame (Galilean)- (a) or (I) or (X,Y,Z)
– X and Y are in the equator plane, X pointing certain star
第一章 惯性导航中的地球、重力和坐标系
第一节 导航和惯性导航
导航及其种类
导航(Navigation)，就是引导航行的简称，是指将载体从一个位置引 导到另一个位置的过程。通常将飞机、舰船、导弹、坦克及宇宙飞行 器等，统称载体，于是也就有了航空导航、舰船导航、陆地导航及航 天制导之分。 导航的基本要素：即时位置(坐标)、航行速度、航行方位(航向)或飞过 距离等。
• 80年代以后到90年代初，以激光陀螺、光纤陀螺为代表的捷联式惯导 系统，得到极其迅速的发展和非常广泛的应用。 • 90年代惯性技术的发展，在系统方面主要是广泛应用惯导与GPS全球 定位系统，以及惯导与其它导航系统的双重和多重组合。
惯性技术的重要性及发展方向
惯性技术的发展表明，作为导航和制导，使用惯性系统有着其它导 航和制导技术无法比拟的优点，尤其自主性、抗干扰性和输出参数的 全面性等，对于军事用途的飞机、舰艇、导弹等有着十分重要的意义。 例如，惯性制导的中远程导弹，一般来说命中精度70％取决于惯性系 统的精度，它基本上决定了导弹是否能打准的问题。对于核潜艇，由 于潜航时间长，其位置和速度是变化的，而这些数据又是发射导弹的 初始状态参数，直接影响导弹的命中精度，因而需要提供高精度的位 置、速度等信号，而唯一能满足这一要求的导航设备就是惯性导航系 统。又如，战略轰炸机，由于要求它经过长时间远程飞行后，仍能保 证准确投放(发射)武器而命中目标，只有使用惯性导航系统才是最为 合适的，因为这样不依赖外界信息，隐蔽性好，不易受到外界干扰， 又不会因沿途经海洋，过沙漠而影响导航精度。
YT
equator
X XT
Ω*t
Greenwich meridian
– This frame is a rotational frame, it rotate with the earth 返回
惯导 26
2018年8月10日
Body Frame (Mobile Frame，机体 坐标系)
ZB • • • Aircraft Body Frame:(XBYBZB) Fixed directions/Aircraft XB :Aircraft longitudinal axis YB :orthogonal to XB,in the wing plan ZB:orthogonal to XB and YB its orientation with respect to the Local-level frame (TGL) is defined by attitude angles - Euler angles: γ - roll - pitch 返回 - heading
equator
– Z is the same axis as the earth rotation axis
– This frame is ‘fixed’ frame
X Y 返回
2018年8月10日
惯导
25
Terrestrial Frame（地球坐标系）
ZT
Ω
– terrestrial frame - (E) or (ECEF) or WGS-84 or (T) or (XT,YT,ZT)
惯导系统用于各类导弹和各类火箭时，主要是利用惯导输出的位置、 加速度,速度或航向姿态信息，形成指令信号，控制载体姿态、航向或 关闭发动机，使其按预定轨道航行。显然这种控制运行是惯导与控制 系统的紧密结合，类似惯性导航中的自动导航状态。但由于导弹、火 箭均无人监控，所以习惯上把无人操纵和监控的运载体上的惯导系统 叫惯性制导系统。 3、由于惯性制导系统用于无人操纵的载体，所以构成上不同于惯性导航， 不设控制显示器。另外，惯性制导系统工作上还有两个特点：一是由 于导弹、火箭运行时间很短，所以导航精度随时问增长而下降的矛盾 便不突出，通常对其陀螺仪和位置精度的要求低于惯性导航一个数量 级；二是导弹、火箭发射时的冲击振动载荷较飞机、舰船大得多，所 以对惯性制导的强度、抗震及可靠性要求特别高。
惯导
YB
•
XB
2018年8月10日
27
Platform frame (平台坐标系）
•Platform Frame:(XP,YP,ZP) •maintained levelled •ZP=ZG:Vertical,Up •XP,YP,:Horizontal
2018年8月10日
Байду номын сангаас
惯导
28
坐标系转换关系（二）
2018年8月10日
惯导
23
Geodetic Navigation Frame(地理 坐标系） Z
T
N
V E
– Geodetic navigation frame ( local-level ) -(TGL) or NED or (e , n,v)
G L
– N and E are horizental, and N pointting to the nother and Epointting to the east direction – V is vertical
2018年8月10日
惯导
30
Coordinate frames/transforms definitions
Geographic to Body Frame transformation:
XB
Pitch
ZB
ZB XG YG ZG γ:Roll XB YB ZB XB
返回
YB
Roll
:Pitch
针对以上要求，必需大力发展以光学陀螺、微机电陀螺和加速度计 等小型惯性仪表为核心的低成本捷联惯性导航与制导系统，突破系统 总体优化设计，快速对准和动态误差补偿等关键技术，同时与卫星定 位系统或数字地图等定位技术相组合，提高惯性系统定位精度，增加 冗余功能。卫星等航天器利用陀螺仪短时测量精度高和光学敏感器没 有累积误差的特性，采用陀螺仪组成的惯性测量单元与光学敏感器共 同组成卫星的姿态测量系统。以获取卫星等航天器持续的高精度的姿 态和姿态角速率测量信息。因此，卫星除了要求陀螺有较高的精度、 耐冲击、耐强振、小体积、低功耗外，还要求寿命及高可靠。根据我 国空间发展计划，到2020年将发射200多颗卫星，同时也将开展高精 度的战场侦查系统、空间作战平台、移动通讯系统等卫星系统的研制。
我国航空惯性导航系统的研制从70年代开始，经过二十多 年的预研与技术攻关，走过了从液浮(陀螺、加速度计)到挠性、 从平台式到捷联式、从纯惯性导航到惯性／GPS组合导航的过 程。目前，我国基本具备了自行设计、研制和生产惯性仪表及 系统的能力和条件。特别是新型洲际导弹的成功发射、载人航 天工程的圆满成功，标志着我国惯性技术已具有相当的水平。 随着惯性技术的不断发展，通过不断形成批量生产，降低成本， 特别是加快微机电惯性仪表的研究，扩大民用领域。到2020年 国内惯性技术的要求与发展是深入研究高精度惯性仪表和系统， 满足新一代武器装备的需求。战略核导弹武器系统主要采用高 精度惯性制导技术，因此，必须进一步提高惯性制导系统精度， 解决惯性技术发展相对落后的局面。以新一代核潜艇为背景， 开展静电陀螺惯性导航系统、海底地形/地貌匹配技术、重力/ 重力梯度修正匹配技术的研究，提高潜艇的重调周期，确保新 型核潜艇长时间水下无源导航能力。武器系统对惯性系统有特 殊要求，如杭冲击震动能力强、可靠性高，具有工作时间和储 存寿命长、成本低廉，反应时间短，动态范围宽，体积小和重 量轻。
惯性技术的发展阶段
1、惯性技术按陀螺仪的发展来分，最早为滚珠轴承式框架陀螺，以后又 出现液浮、气浮支承陀螺以及静电、挠性、激光、光纤陀螺等。 2、惯性技术按惯导系统所使用的陀螺仪来分，经历了这样几个阶段。 • 1942年德国V一2火箭上，用两个二自由度位置陀螺仪控制箭体 的姿态和航向，用一个陀螺加速度计测量沿箭体纵轴方向的加速度。 • 50年代，以液浮和气浮陀螺构成的平台式惯导系统开始在飞机、舰船 和导弹上广泛应用。 • 60年代动力调谐式挠性陀螺研制成功。挠性加速度计代替液浮摆式加 速度计。 • 70年代，在利用高压静电场支承球形转子、取代机械支承的静电陀螺 研制成功后，先后在核潜艇和远程飞机上装备静电陀螺平台式惯导系 统。 70年代，在利用高压静电场支承球形转子、取代机械支承的静 电陀螺研制成功后，先后在核潜艇和远程飞机上装备静电陀螺平台式 惯导系统。
ψ:True heading
Yaw YB
2018年8月10日
大气数据与惯导
31
地理坐标系与惯性坐标系的关系
地理坐标系相对惯性坐标系的运动组成：
– 飞机绕其竖轴转动ψ角，相当于飞机方位发生了变化，即航向 发生了变化 – 飞机绕其纵轴转动γ角，相当于飞机有倾斜角。 – 飞机绕其横轴转动θ角，相当于飞机有俯仰角。
• 姿态角定义
– 航向角：飞机纵轴在水平面内的投影相对地理系指北线夹角 – 俯仰角：飞机纵轴与地平面间的夹角或飞机绕其横轴的转角 – 倾斜角：飞机横轴与地平面间的夹角或飞机绕其纵轴的转角
第二节 惯性和非惯性坐标系
XT
YT
返回
2018年8月10日
惯导
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Space-fixed or Inertial Frame(惯性 坐标系）
Z
– Space-fixed or inertial frame (Galilean)- (a) or (I) or (X,Y,Z)
– X and Y are in the equator plane, X pointing certain star
第一章 惯性导航中的地球、重力和坐标系
第一节 导航和惯性导航
导航及其种类
导航(Navigation)，就是引导航行的简称，是指将载体从一个位置引 导到另一个位置的过程。通常将飞机、舰船、导弹、坦克及宇宙飞行 器等，统称载体，于是也就有了航空导航、舰船导航、陆地导航及航 天制导之分。 导航的基本要素：即时位置(坐标)、航行速度、航行方位(航向)或飞过 距离等。
• 80年代以后到90年代初，以激光陀螺、光纤陀螺为代表的捷联式惯导 系统，得到极其迅速的发展和非常广泛的应用。 • 90年代惯性技术的发展，在系统方面主要是广泛应用惯导与GPS全球 定位系统，以及惯导与其它导航系统的双重和多重组合。
惯性技术的重要性及发展方向
惯性技术的发展表明，作为导航和制导，使用惯性系统有着其它导 航和制导技术无法比拟的优点，尤其自主性、抗干扰性和输出参数的 全面性等，对于军事用途的飞机、舰艇、导弹等有着十分重要的意义。 例如，惯性制导的中远程导弹，一般来说命中精度70％取决于惯性系 统的精度，它基本上决定了导弹是否能打准的问题。对于核潜艇，由 于潜航时间长，其位置和速度是变化的，而这些数据又是发射导弹的 初始状态参数，直接影响导弹的命中精度，因而需要提供高精度的位 置、速度等信号，而唯一能满足这一要求的导航设备就是惯性导航系 统。又如，战略轰炸机，由于要求它经过长时间远程飞行后，仍能保 证准确投放(发射)武器而命中目标，只有使用惯性导航系统才是最为 合适的，因为这样不依赖外界信息，隐蔽性好，不易受到外界干扰， 又不会因沿途经海洋，过沙漠而影响导航精度。
YT
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X XT
Ω*t
Greenwich meridian
– This frame is a rotational frame, it rotate with the earth 返回
惯导 26
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Body Frame (Mobile Frame，机体 坐标系)
ZB • • • Aircraft Body Frame:(XBYBZB) Fixed directions/Aircraft XB :Aircraft longitudinal axis YB :orthogonal to XB,in the wing plan ZB:orthogonal to XB and YB its orientation with respect to the Local-level frame (TGL) is defined by attitude angles - Euler angles: γ - roll - pitch 返回 - heading
equator
– Z is the same axis as the earth rotation axis
– This frame is ‘fixed’ frame
X Y 返回
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惯导
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Terrestrial Frame（地球坐标系）
ZT
Ω
– terrestrial frame - (E) or (ECEF) or WGS-84 or (T) or (XT,YT,ZT)
惯导系统用于各类导弹和各类火箭时，主要是利用惯导输出的位置、 加速度,速度或航向姿态信息，形成指令信号，控制载体姿态、航向或 关闭发动机，使其按预定轨道航行。显然这种控制运行是惯导与控制 系统的紧密结合，类似惯性导航中的自动导航状态。但由于导弹、火 箭均无人监控，所以习惯上把无人操纵和监控的运载体上的惯导系统 叫惯性制导系统。 3、由于惯性制导系统用于无人操纵的载体，所以构成上不同于惯性导航， 不设控制显示器。另外，惯性制导系统工作上还有两个特点：一是由 于导弹、火箭运行时间很短，所以导航精度随时问增长而下降的矛盾 便不突出，通常对其陀螺仪和位置精度的要求低于惯性导航一个数量 级；二是导弹、火箭发射时的冲击振动载荷较飞机、舰船大得多，所 以对惯性制导的强度、抗震及可靠性要求特别高。
惯导
YB
•
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Platform frame (平台坐标系）
•Platform Frame:(XP,YP,ZP) •maintained levelled •ZP=ZG:Vertical,Up •XP,YP,:Horizontal
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坐标系转换关系（二）
2018年8月10日
惯导
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Geodetic Navigation Frame(地理 坐标系） Z
T
N
V E
– Geodetic navigation frame ( local-level ) -(TGL) or NED or (e , n,v)
G L
– N and E are horizental, and N pointting to the nother and Epointting to the east direction – V is vertical
2018年8月10日
惯导
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Coordinate frames/transforms definitions
Geographic to Body Frame transformation:
XB
Pitch
ZB
ZB XG YG ZG γ:Roll XB YB ZB XB
返回
YB
Roll
:Pitch
针对以上要求，必需大力发展以光学陀螺、微机电陀螺和加速度计 等小型惯性仪表为核心的低成本捷联惯性导航与制导系统，突破系统 总体优化设计，快速对准和动态误差补偿等关键技术，同时与卫星定 位系统或数字地图等定位技术相组合，提高惯性系统定位精度，增加 冗余功能。卫星等航天器利用陀螺仪短时测量精度高和光学敏感器没 有累积误差的特性，采用陀螺仪组成的惯性测量单元与光学敏感器共 同组成卫星的姿态测量系统。以获取卫星等航天器持续的高精度的姿 态和姿态角速率测量信息。因此，卫星除了要求陀螺有较高的精度、 耐冲击、耐强振、小体积、低功耗外，还要求寿命及高可靠。根据我 国空间发展计划，到2020年将发射200多颗卫星，同时也将开展高精 度的战场侦查系统、空间作战平台、移动通讯系统等卫星系统的研制。
我国航空惯性导航系统的研制从70年代开始，经过二十多 年的预研与技术攻关，走过了从液浮(陀螺、加速度计)到挠性、 从平台式到捷联式、从纯惯性导航到惯性／GPS组合导航的过 程。目前，我国基本具备了自行设计、研制和生产惯性仪表及 系统的能力和条件。特别是新型洲际导弹的成功发射、载人航 天工程的圆满成功，标志着我国惯性技术已具有相当的水平。 随着惯性技术的不断发展，通过不断形成批量生产，降低成本， 特别是加快微机电惯性仪表的研究，扩大民用领域。到2020年 国内惯性技术的要求与发展是深入研究高精度惯性仪表和系统， 满足新一代武器装备的需求。战略核导弹武器系统主要采用高 精度惯性制导技术，因此，必须进一步提高惯性制导系统精度， 解决惯性技术发展相对落后的局面。以新一代核潜艇为背景， 开展静电陀螺惯性导航系统、海底地形/地貌匹配技术、重力/ 重力梯度修正匹配技术的研究，提高潜艇的重调周期，确保新 型核潜艇长时间水下无源导航能力。武器系统对惯性系统有特 殊要求，如杭冲击震动能力强、可靠性高，具有工作时间和储 存寿命长、成本低廉，反应时间短，动态范围宽，体积小和重 量轻。
惯性技术的发展阶段
1、惯性技术按陀螺仪的发展来分，最早为滚珠轴承式框架陀螺，以后又 出现液浮、气浮支承陀螺以及静电、挠性、激光、光纤陀螺等。 2、惯性技术按惯导系统所使用的陀螺仪来分，经历了这样几个阶段。 • 1942年德国V一2火箭上，用两个二自由度位置陀螺仪控制箭体 的姿态和航向，用一个陀螺加速度计测量沿箭体纵轴方向的加速度。 • 50年代，以液浮和气浮陀螺构成的平台式惯导系统开始在飞机、舰船 和导弹上广泛应用。 • 60年代动力调谐式挠性陀螺研制成功。挠性加速度计代替液浮摆式加 速度计。 • 70年代，在利用高压静电场支承球形转子、取代机械支承的静电陀螺 研制成功后，先后在核潜艇和远程飞机上装备静电陀螺平台式惯导系 统。 70年代，在利用高压静电场支承球形转子、取代机械支承的静 电陀螺研制成功后，先后在核潜艇和远程飞机上装备静电陀螺平台式 惯导系统。
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Yaw YB
2018年8月10日
大气数据与惯导
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地理坐标系与惯性坐标系的关系
地理坐标系相对惯性坐标系的运动组成：
– 飞机绕其竖轴转动ψ角，相当于飞机方位发生了变化，即航向 发生了变化 – 飞机绕其纵轴转动γ角，相当于飞机有倾斜角。 – 飞机绕其横轴转动θ角，相当于飞机有俯仰角。
• 姿态角定义
– 航向角：飞机纵轴在水平面内的投影相对地理系指北线夹角 – 俯仰角：飞机纵轴与地平面间的夹角或飞机绕其横轴的转角 – 倾斜角：飞机横轴与地平面间的夹角或飞机绕其纵轴的转角
第二节 惯性和非惯性坐标系