捷联惯导算法与组合导航原理讲义

捷联惯导算法与组合导航原理讲义

一、捷联惯导算法

捷联惯导（Inertial Navigation System，INS）是一种通过测量惯性传感器的运动参数实现导航定位的技术。惯性导航系统中包括了加速度计和陀螺仪等传感器，通过测量物体的加速度和角速度，可以推算出物体的位置、速度和姿态等信息。

1.1加速度计

加速度计是一种测量物体加速度的传感器。常见的加速度计有基于压电效应的传感器和基于微机电系统（Microelectromechanical System，MEMS）的传感器。加速度计的原理是通过测量物体受到的惯性力，推算出物体的加速度。由于加速度是速度对时间的导数，因此通过对加速度的积分操作，可以计算出物体的速度和位移。

1.2陀螺仪

陀螺仪是一种测量物体角速度的传感器。常见的陀螺仪有机械陀螺仪和MEMS陀螺仪等。陀螺仪的原理是基于角动量守恒定律，通过测量转动惯量的变化，推算出物体的角速度。与加速度计类似，通过对角速度的积分操作，可以计算物体的姿态。

1.3捷联惯导算法

离散时间模型中，位置、速度和姿态等状态变量通过积分加速度和角速度来更新。由于加速度计和陀螺仪测量结果存在噪声，因此在积分操作时需要加入误差补偿算法来消除误差。常见的误差补偿算法有零偏校正和比例积分修正等。

连续时间模型中，位置、速度和姿态等状态变量通过微分方程来描述，并通过求解微分方程来更新状态。由于计算量较大，通常需要使用数值积

分方法来求解微分方程。常见的数值积分方法有欧拉法、中点法和四阶龙

格-库塔法等。

二、组合导航原理

组合导航是一种融合多种导航技术的导航方式。常见的组合导航方式

有捷联惯导与GPS组合导航。组合导航通过融合多种导航系统的测量结果，可以提高导航定位的精度和可靠性。

2.1捷联惯导与GPS组合导航

捷联惯导与GPS组合导航是一种常见的组合导航方式。在这种方式下，捷联惯导提供了高频率的惯导数据，可以提供较高的定位精度，但是由于

其测量结果累积误差较大，会逐渐偏离真实轨迹。而GPS系统提供了较低

频率的定位数据，可以提供较准确的定位信息，但是在信号不好或者有遮

挡物时，可能无法提供可靠的定位。

在捷联惯导与GPS组合导航中，通过融合两种系统的测量结果，可以

提高定位的精度和鲁棒性。一般采用扩展卡尔曼滤波器（Extended Kalman Filter，EKF）来实现融合定位。EKF是一种基于线性化的非线性

状态估计方法，通过在状态估计中增加观测噪声和系统模型误差来消除误差。

2.2组合导航的优势和应用

组合导航的优势在于可以融合多种导航技术，提供更准确和可靠的导

航定位。通过融合惯导和GPS等系统的测量结果，可以在惯导精度高、定

位可靠的情况下，克服惯导偏离真实轨迹的问题。

组合导航广泛应用于航空、航海和汽车等领域。在航空领域，组合导

航可以提供飞机姿态、位置和速度等信息，用于导航和自动驾驶。在航海

领域，组合导航可以提供船舶位置和航向等信息，用于海上作业和导航。

在汽车领域，组合导航可以提供车辆位置、速度和方向等信息，用于导航

和自动驾驶。

总之，捷联惯导算法与组合导航原理是基于测量传感器的运动参数实

现导航定位的技术。捷联惯导算法通过融合加速度计和陀螺仪的测量结果，推算出物体的位置、速度和姿态等信息。而组合导航原理通过融合多种导

航技术的测量结果，提高导航定位的精度和可靠性。捷联惯导与GPS组合

导航是一种常见的组合导航方式，在航空、航海和汽车等领域有着广泛应用。