第8章 平台式惯性导航系统原理及应用分解
§3.5平台式惯导的基本原理
§3.5 平台式惯性导航系统的基本原理1、平台式惯导系统的基本组成原理平台式惯导系统的核心是一个惯性级的陀螺稳定平台，它确定了一个平台坐标系(用p 来标识)p p p z y ox ，三个惯性级的加速度计的敏感轴分别沿三个坐标轴的正向安装，测得载体的加速度信息就体现为比力f v在平台坐标系中的三个分量p x f 、p y f 和p z f 。
如果使平台坐标系精确模拟其一选定的导航坐标系(用n 来标识)n n n z y ox ，也便得到了比力在导航坐标系中的三个分量n x f 、n y f 和n z f ，通过必要的计算和补偿，可从中提取出载体相对导航坐标系的加速度矢量v&v 的三个分量，再通过两次积分，可得到载体相对导航坐标系的速度和位置。
平台式惯导系统按所选定的导航坐标系的不同又可分为：1）当地水平面惯性导航系统。
这种系统的导航坐标系是一种当地水平坐标系，即平台系的两个轴p ox 及p oy 保持在水平面内，p oz 轴与地垂线相重合。
由于两个水平轴可指向不同的方位，故这种系统又可分为（1）指北方位惯导系统。
这种系统在工作时p ox 指向地理东向(E)，p oy 指向地理北向(N)，即平台系模拟当地地理坐标系(用t 来标识)t t t z y ox 。
(2) 自由方位惯导系统。
在系统工作中，平台p oy 轴不跟踪地理北向而是与正北方向夹某个角度)(t α，称自由方位角。
由于)(t α可以有多种变化规律，因此又有自由方位、游动方位等区分。
2) 空间稳定惯导系统。
这种系统的导航坐标系为惯性坐标系(用i 来标识)，一般采用原点定在地心的惯性坐标系。
i oz 轴与地轴重合指向北极，i ox 、i oy 轴处于地球赤道平面内，但不随地球转动（x 轴指向春分点）。
与当地水平面惯导系统相比，平台所取的空间方位不能把运动加速度和重力加速度分离开，而要依靠计算机进行补偿。
我们知道，地球相对惯性空间是转动的，因而在地表任何一点的水平坐标系也在随之一道转动。
3.7平台式惯导的基本原理
的信息；2ωK
ie
×
K vep
是载体的相对速度
K vep
与牵连角速度
ωK ie
引起的哥氏加
速度；ωK ep
×
K vep
是法向加速度，而
K g
为重力加速度，gK
=
K G
− ωKie
×
(ωK ie
×
K R)
。
可将上述式子写成以下形式：
vKep
=
fK－[(2ωKie
+
ωK
ep
)
×
K vep
− gK] =
1）当地水平面惯性导航系统。这种系统的导航坐标系是一种当地 水平坐标系，即平台系的两个轴 OXp 及 OYp 保持在水平面内， OZp 轴 与地垂线相重合。由于两个水平轴可指向不同的方位，故这种系统又
可分为
（1）指北方位惯导系统。 这种系统在工作时 OXp 指向地理东向 (E)， OYp 指向地理北向(N)，即平台系模拟当地地理坐标系(用 t 来标
K f
−
K aE
上式表明，必须从测得的比力
f
中补偿掉有害加速度
G aE
，才能提
取出载体的运动加速度
vKep
。
G aE
中又包含两部分，一是重力加速度
K g
，
另一部分中又包含哥氏加速度和法向加速度。若按上式中的各个矢
量，用它们各自在平台坐标系中的分量来表示，则
v epp
=
f
p－(2ω
p ie
+
ω
p ep
)
×
vepp＋g
p
式 中 vepp
=
⎢⎢⎡vveeppppyx
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；
29
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。
30
平台控制回路的性能指标（三）
32
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
平台式惯性导航系统原理及应用课件
Part
03
平台式惯性导航系统关键技术
陀螺仪技术
机械陀螺仪
利用角动量守恒原理，通 过转子高速旋转来测量角 度和方向的变化。
光纤陀螺仪
采用光学干涉原理，具有 精度高、稳定性好的优点 ，但成本较高。
微机械陀螺仪
基于微电子机械系统（ MEMS）技术，具有体积 小、成本低、易于集成等 优点。
加速度计技术
惯性导航系统概述
惯性导航系统的基本原理 和组成。
平台式惯性导航系统的特 点和优势。
惯导系统的误差来源和精 度评估。
Part
02
平台式惯性导航系统原理
惯性导航系统基本原理
利用陀螺仪和加速度计测量运动 物体的角速度和加速度，从而计 算出物体在空间中的位置、速度
和姿态。
惯性导航系统不受外界干扰，自 主性强，适用于各种复杂环境。
平台式惯性导航系统面临的挑战
技术瓶颈
虽然平台式惯性导航系统已经取得了很大的进展，但是在 高精度、高稳定性、小型化等方面仍然存在一定的技术瓶 颈。
替代技术
随着卫星导航系统、无线电导航等技术的发展，平台式惯 性导航系统的应用受到了一定的挑战，需要不断进行技术 更新和市场拓展。
成本压力
由于平台式惯性导航系统研发和生产成本较高，对于一些 需要大量使用该系统的领域来说，成本压力较大，需要寻 求更加经济可行的解决方案。
地。
无人机航拍
将平台式惯性导航系统应用于无人 机航拍中，可实现高精度航拍图像 采集，为城市规划、资源调查等领 域提供重要数据支持。
救援任务
在救援任务中采用平台式惯性导航 系统，可快速定位失踪人员或物资 ，提高救援效率。
商业领域应用
物流配送
平台式惯性导航系统原理及应用
战车定位
在战场上，平台式惯性导 航系统可为战车提供实时 、准确的定位信息，提高 作战效率。
舰艇导航
平台式惯性导航系统可为 舰艇提供稳定的导航服务 ，确保舰艇在复杂海况下 的航行安全。
单兵定位
单兵携带的平台式惯性导 航系统可为其提供实时定 位信息，提高单兵作战能 力。
民用领域应用
自动驾驶
平台式惯性导航系统可为自动驾驶汽车提供准确的定位和导航信 息，提高自动驾驶的安全性和可靠性。
惯性测量元件工作原理
陀螺仪工作原理
陀螺仪基于角动量守恒原理工作，当陀螺仪绕自身轴线旋转 时，其输出轴将指向一个固定方向，即陀螺仪的定轴性。通 过测量输出轴的角速度，可以得到载体相对于惯性空间的角 速度信息。
加速度计工作原理
加速度计基于牛顿第二定律工作，通过测量载体上的加速度 并积分，可以得到载体的速度和位置信息。加速度计的输出 受到重力加速度的影响，因此需要进行相应的补偿和校正。
平台式惯性导航系统 原理及应用演讲人：日期：目录
• 惯性导航基本原理 • 平台式惯性导航系统组成 • 平台式惯性导航系统工作原理 • 平台式惯性导航系统应用领域
目录
• 平台式惯性导航系统性能评估与优化 • 平台式惯性导航系统实验与仿真分析
01
惯性导航基本原理
惯性导航定义及发展历程
惯性导航定义
高精度、高动态性能
满足高精度定位和高动态运动 控制需求，提升系统性能极限
。
06
平台式惯性导航系统实验 与仿真分析
实验设计思路及实施过程
实验目的
验证平台式惯性导航系统的性能，包 括定位精度、稳定性等。
实验设备
高精度惯性测量单元、转台、控制系 统、数据采集与处理系统等。
惯性导航技术的工作原理
惯性导航系统基本工作原理惯性导航系统是十分复杂的高精度机电综合系统，只有当科学技术发展到一定高度时工程上才能实现这种系统，但其基本工作原理却以经典的牛顿力学为基础。
设质量 m 受弹簧的约束，悬挂弹簧的壳体固定在载体上，载体以加速度 a 作水平运动，则 m处于平衡后，所受到的水平约束力 F 与 a 的关系满足牛顿第二定律： a F。
测量水平约束力F，求的a，对a积分一次，即得水平速度，再m积分一次即得水平位移。
以上所述是简单化了的理性情况。
由于运载体不可能只作水平运动，当有姿态变化时，必须测得沿固定坐标系的加速度，所以加速度计必须安装在惯性平台上，平台靠陀螺维持要求的空间角位置，导航计算和对平台的控制由计算机完成。
陀螺仪组件测取沿运载体坐标系 3 个轴的角速度信号，并被送入导航计算机，经误差补偿计算后进行姿态矩阵计算。
加速度计组件测取沿运载体坐标系 3 个轴的加速度信号，并被送入导航计算机，经误差补偿计算后，进行由运载体坐标系至“平台坐标系”的坐标变换计算。
他们沿机体坐标系三轴安装，并且与机体固连，它们所测得的都是机体坐标系下的物理量。
参与控制和测量的陀螺和加速度计称为惯性器件，这是因为陀螺和加速度计都是相对惯性空间测量的，也就是说加速度计输出的是运载体的绝对加速度，陀螺输出的是运载体相对惯性空间的角速度或角增量。
而加速度和角速度或角增量包含了运载体全部的信息，所以惯导系统仅靠系统本身的惯性器件就能获得导航用的全部信息，它既不向外辐射任何信息，也不需要任何其他系统提供外来信息，就能在全天候条件下，在全球范围内和所有介质环境里自主、隐蔽的进行三维导航，也可用于外层空间的三维导航。
惯导系统的比力方程惯导系统根据与系统类型相应的数学方程（称之为力学编排）对惯性器件的输出作处理，从而获得导航数据。
尽管各种类型的系统相应的力学编排各不相同，但他们都源自同一个方程：比力方程。
比力方程描述了加速度计输出量与运载体速度之间的解析关系：式中： v eT为运载体的地速向量； f 为比力向量，是作用在加速度计质量块单位质量上的非引力外力，由加速度计测量；g 为重力加速度；ie 为地球自转角速度；eT 为惯性平台所模拟的平台坐标系T 相对地球的旋转角速度；dv eTdt表示在平台坐标系 T 内观察到的地速向量的时间变化率。
惯性导航系统原理及其应用
惯性导航系统原理及其应用作者：陈继伟夏楚瑜杨璐来源：《商情》2013年第33期【摘要】本文介绍了惯性导航系统的主要组成器件，基本原理和主要类型。
列举了惯性导航系统在当前的主要应用领域及发展趋势。
【关键词】惯性导航系统 INS 陀螺仪惯性导航系统（Inertial Navigation System）是以惯性原理为理论基础，以陀螺仪和加速度计等为硬件设备基础，结合机电，光学，物理，数学，计算机科学等多种学科技术建立的导航参数解算系统。
与天文导航系统，无线点导航系统，卫星导航系统相比，惯性导航系统具有设备隐蔽性，导航自主性和信息获取完整性等独特优点，故惯性导航系统一直作为一种重要的导航设备，广泛应用于民用，军事，科研等多个领域。
一、惯性仪表惯性仪表，又称惯性器件，是惯性导航系统获取导航参数的主要硬件设备。
目前，惯性仪表主要指陀螺仪和加速度计。
（一）陀螺仪陀螺仪主要用于获取运动体角运动信息。
陀螺仪具有两大特性：定轴性，在不受外力矩作用时，陀螺转子的方向始终指向初始恒定方向。
进动性，在受外力作用时，陀螺转子讲偏离原始方向，做以下运动：根据以上两个特性制成的陀螺仪能够精确测定陀螺轴指向。
目前，陀螺仪发展已经进入第四个阶段，即激光陀螺，静电陀螺，振动陀螺广泛应用。
在未来，高灵敏度，高可靠性，结构简单，成本低廉的光纤陀螺将是主要发展趋势。
（二）加速度仪加速度计主要用于获取运动体加速度信息。
假设加速度计处于垂直方向上，由于地球重力影响，根据牛顿第二定律，只需已知测试元件质量，通过测量测试元件所受的力，便可求出运动体加速度。
通常记f（specific force）定义为作用在单位质量的非引力外力，可由加速度计测出。
目前，工程上常采用具有偏心质量的摆式加速度，常见有液浮摆式加速度计，陀螺积分加速度计。
二、惯性导航系统分类根据构建导航坐标系方法不同，常将惯性导航系统分为两类平台式惯性导航系统，将加速度计安装在稳定平台上，稳定平台由陀螺仪控制，使平台始终与要求的导航坐标系保持一致。
惯性导航仪的工作原理
惯性导航仪的工作原理导航是指确定和控制航行方向和位置的过程。
惯性导航仪（Inertial Navigation System，简称INS）是一种独立于外部参考的导航系统，它利用惯性传感器测量加速度和角速度来计算飞行器的位置、速度和姿态。
惯性导航仪主要由三个部份组成：加速度计、陀螺仪和计算单元。
1. 加速度计：加速度计是惯性导航仪的重要组成部份，用于测量飞行器在三个坐标轴上的加速度。
常用的加速度计有微机械式加速度计和光纤陀螺加速度计。
微机械式加速度计利用微机械传感器测量加速度，其原理是根据牛顿第二定律，通过测量质量在受力下的位移来计算加速度。
光纤陀螺加速度计则利用光纤的光程差来测量加速度，其原理是根据光纤在加速度作用下的弯曲程度。
2. 陀螺仪：陀螺仪用于测量飞行器的角速度，即绕三个坐标轴的旋转速度。
常用的陀螺仪有机械陀螺仪和光纤陀螺仪。
机械陀螺仪利用陀螺效应测量角速度，其原理是通过转子的旋转来保持陀螺仪的稳定，当飞行器发生旋转时，陀螺仪会产生相应的力矩，从而测量角速度。
光纤陀螺仪则利用光纤的光程差来测量角速度，其原理是根据光纤在旋转作用下的光程差变化。
3. 计算单元：计算单元是惯性导航仪的核心部份，它通过对加速度计和陀螺仪的测量数据进行处理和融合，计算出飞行器的位置、速度和姿态。
常用的算法有卡尔曼滤波算法和扩展卡尔曼滤波算法。
卡尔曼滤波算法是一种递归滤波算法，它通过对测量数据和系统模型的加权融合，实现对飞行器状态的估计。
扩展卡尔曼滤波算法则是对卡尔曼滤波算法的扩展，用于处理非线性系统模型。
惯性导航仪的工作原理是基于牛顿力学和陀螺效应的原理，通过加速度计和陀螺仪测量飞行器的加速度和角速度，并通过计算单元对测量数据进行处理和融合，从而实现对飞行器的导航定位。
惯性导航仪具有独立性强、精度高、抗干扰能力强等优点，广泛应用于航空航天、船舶、导弹、车辆等领域。
然而，惯性导航仪也存在积累误差问题，随着时间的推移，由于测量误差的积累，导航精度会逐渐下降。
惯性导航系统.pdf
• 捷联式惯性导航系统
根据所用陀螺仪的不同，分为速率型捷联式惯性导航系统和位置型捷 联式惯性导航系统。前者用速率陀螺仪，输出瞬时平均角速度矢量信号 ；后者用自由陀螺仪，输出角位移信号。捷联式惯性导航系统省去了平 台，所以结构简单、体积小、维护方便，但陀螺仪和加速度计直接装在 飞行器上，工作条件不佳，会降低仪表的精度。这种系统的加速度计输 出的是机体坐标系的加速度分量，需要经计算机转换成导航坐标系的加 速度分量，计算量较大。
1）转子的转动惯量愈大，稳定性愈好；
2）转子角速度愈大，稳定性愈好。
所谓的“转动惯量”，是描述刚体在转动中的惯性大小的 物理量。当以相同的力矩分别作用于两个绕定轴转动的不同 刚体时，它们所获得的角速度一般是不一样的，转动惯量大 的刚体所获得的角速度小，也就是保持原有转动状态的惯性 大；反之，转动惯量小的刚体所获得的角速度大，也就是保 持原有转动状态的惯性小。
陀螺仪
陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向 在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理， 用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。陀螺仪在 工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每 分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取 轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。
在现实生活中，陀螺仪发生的进给运动是在重力力矩的 作用下发生的。
• 定轴性
当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩作用在陀螺 仪上时，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变 ，即指向一个固定的方向；同时反抗任何改变转子轴向的力 量。这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。其稳定性 随以下的物理量而改变：
Vx Vx0 0 axdt
t
Vy Vy0 0 aydt
惯性导航系统概论惯性导航ppt课件
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
平台式惯导系统
惯导系统的分类 基于当地地理坐标系的INS -- 稳定与修正 基于惯性坐标系的INS – 重力补偿 框架系统
* 1
第一页，共29页。
1.0 惯导系统的任务
platform
a x X Acc. a x V x
Sx
ay
ay
Vy
Y Acc.
Sy
vehicle
导航过程中, 平台必须模拟坐标系 XY, 这是借助于
*
22
22
第二十二页，共29页。
5.2 框架: 三环的闭锁
三环系统的限制：
外框架轴 // 载体的俯仰轴
载体可绕方位轴和俯仰轴任意转 动 载体绕滚动轴的转动只能限于 ±90º度之间
方位轴 滚动轴
俯仰轴
*
23
第二十三页，共29页。
23
5.3*框架: 三环的闭锁
当滚动角为 90 度, 框架系统 无法再隔离载体绕其新方位 轴（原俯仰轴）的转动
*
15
15
第十五页，共29页。
4.3 重力加速度的分量
当载体从 A 移动到 B,
重力加速度 g 的分量
gx
g
x Rh
gy
g y Rh
gz
g
R Rh
ZP
x
ZP
A
XP
gx
XP
B
g
gz
g 的大小也和载体距地面的高度有关
g
g0
R2 (R h)2
*
16
第十六页，共29页。
16
4.3 重力加速度的分量
则
并假设 h << R
t
y(t)y0 0VY(t)dt
t
导航原理-惯性导航-休拉调谐分解说课材料
惯导系统工作原理的数学描述如下：
设一飞行器以一定的加速度a 运动，其初始速
度为V(t0)。其速度可以表示为：
v(tk)v(t0)
tka(t)dt
t0
飞行器的瞬时位置可表示为：
r(tk)r(t0)tt0kv(t)dt
式中，r (t0 ) 为飞机的初始位置向量。
若在载体运动过程中，利用陀螺使平台始终 跟踪当地水平面，三个轴始终指向东、北、 天方向。在这三个轴上分别安装上加速度计 测量东加速度 ae 、北向加速度an、天向加 速度au。将这三个方向上的加速度分量进行 积分，便可得到载体沿三个方向的速度分量 为：
JR
•
即
l J mR
，由于R是地球半径，所以l很小，
不易实现，为了使l尽量大，必须在摆的质量m
一定的条件下转动惯量J最大。根据这些限制条
件进行了计算：物理摆设计成环状是最佳方案，
假设环半径r=0.5m，环的质量全部集中在
•
圆周上，可计算出
l J m2r0.04m
mR mR
4.3.2单轴惯导系统和休拉调谐的实现
(t)(0)co ss t (0 s)sin st （7）
其中 s
g
R 称为休拉频率，(0)和 (0)为摆的初始偏差角
和偏差角变化率初值。
根据休拉频率，可以计算出对应角频率 s 期：
g R
的振荡周
Ts 2s 2
R26371 80.40 m0in（8）
g
9.81
称为地球上的休拉周期。
从式7可以看出，如果，(0)0和 (0)0则不论
运载体的运动状态如何，摆都能正确指示地垂线， 这种摆称为休拉摆。实现休拉摆的条件（8）称 为休拉调谐条件。
§3.7平台式惯导的基本原理
(2) 内环坐标系 OX Y pi piZpi (下标 pi 表示 pitch) ，简称 pi 系，与内环 固联， Zpi 轴为平台方位轴(同 Zp 轴) ， X pi 轴沿平台内环轴(俯仰（纵 摇）轴)指向平台右侧， Ypi 与 X pi 、 Zpi 垂直构成右手直角坐标系。
(3) 外环坐标系 OXrYrZr (下标 pi 表示 roll)，简称 r 系，与外环固连， X r 轴沿平台内环轴指向平台右侧 (同 X pi 轴) ，Yr 轴沿平台外环轴(横 滚（横摇）轴)指向平台前方， Zr 与 Xr 、Yr 垂直构成右手直角坐标系。 由于外环平面与内环平面不一定垂直，Zr 轴与方位轴指向并不始终一 致。
基座
外环
内环轴摩擦 内环 方位轴摩擦
刚性约束
刚性约束
刚性约束
方位环（台体）
2 惯性导航系统实现的基本思路 从加速度计的原理可知，加速度计的输出是沿加速度计敏感轴方
向的比力，比力中含有载体绝对加速度信息。如果在载体上能得到三
个敏感轴互相正交的加速度计输出信号同时又能获知各加速度计敏
感轴的准确指向的话，就可以完全掌握载体的运动加速度，结合载体
动，通过计算得到载体的姿态角，也就确定出了加速度计敏感轴的指
向。再通过坐标变换，将加速度计输出的比力信号转换到一导航计算
比较方便的导航坐标系上，进行导航计算。这种系统就是捷联式惯导
系统。该系统由于没有平台实体，结构简单、体积小、维护方便；但
惯性元件直接装在载体上，工作环境恶劣，对元件要求很高。同时，
导航系统要求其三轴平台相对惯性空间稳定，即平台工作于几何稳定 状态；有的惯性导航系统要求其三轴平台在保持稳定的同时还要跟踪 某个导航坐标系，即平台工作于空间积分状态。三轴平台可以看成是 由三个单轴陀螺稳定平台组合而成，单轴平台的工作原理、系统的基 本组成和传递函数、系统的性能指标等内容都适用于三轴平台。但三 轴平台不是三个单轴平台简单的叠加，三轴平台由于其结构和工作原 理方面的特点，在实现平台的稳定和修正两种工作状态时，有许多特 殊问题。如陀螺仪信号的合理分配，基座转动角速度到平台的耦合与 隔离，三轴平台的环架锁定等。
第8章平台式惯性导航系统原理及应用分解
第8章平台式惯性导航系统原理及应用分解导航系统是指通过利用一些特定设备和技术，能够确定用户在地球表面的位置、速度和方向等信息的系统。
其中，惯性导航系统是一种通过测量加速度和角速度来获得位置和姿态等信息的导航系统。
平台式惯性导航系统是一种常见的惯性导航系统，具有广泛的应用领域。
平台式惯性导航系统主要由陀螺仪和加速度计两部分组成。
陀螺仪用于测量角速度，而加速度计用于测量加速度。
通过分析和处理这些测量数据，可以计算出导航系统的位置、速度和姿态等信息。
在平台式惯性导航系统中，陀螺仪和加速度计通常被安装在一个机械平台上，该平台可以旋转和倾斜。
当导航系统发生运动时，陀螺仪和加速度计可以测量出相应的角速度和加速度，进而计算出导航系统的姿态和加速度。
平台式惯性导航系统的原理是基于牛顿力学中的惯性定律。
根据惯性定律，一个物体在没有外力作用时，将保持其匀速直线运动状态，或者保持其静止状态。
因此，当平台式惯性导航系统没有受到其他力的影响时，陀螺仪和加速度计的测量数据可以被用来计算导航系统的姿态和加速度。
平台式惯性导航系统具有广泛的应用领域。
首先，它被广泛应用于航空航天领域。
在飞机和航天器的飞行过程中，由于缺乏地面参考，惯性导航系统可以提供稳定和精确的位置和姿态信息，从而保证飞行的安全和稳定性。
其次，平台式惯性导航系统也被广泛应用于海洋领域。
在海上航行中，由于海上条件的复杂性，常规导航系统容易受到干扰和影响。
而平台式惯性导航系统可以通过测量姿态和速度等信息来提供可靠的导航支持。
另外，平台式惯性导航系统还被应用于无人驾驶车辆、船舶和机器人等领域，以及医疗设备和工业自动化等领域。
总结起来，平台式惯性导航系统是一种通过测量陀螺仪和加速度计的数据来计算导航系统姿态和加速度的导航系统。
它的工作原理基于惯性定律，广泛应用于航空航天、海洋、无人驾驶和医疗设备等领域。
第8章平台式惯性导航系统原理及应用
第8章平台式惯性导航系统原理及应用平台式惯性导航系统（Inertial Navigation System，简称INS）是一种基于惯性传感器的导航系统，它通过测量和积分加速度和角速度来得出飞行器在空间中的位置、速度和姿态。
平台式INS由惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，简称IMU）和数据处理单元组成，广泛应用于航空、航天、海洋、地质勘探等领域。
平台式INS的原理是基于牛顿第二定律和角动量守恒定律。
当飞行器作加速度和角速度运动时，惯性传感器会感知到这些运动并输出相应的信号。
IMU通常由加速计和陀螺仪组成，加速计用于测量加速度，陀螺仪用于测量角速度。
通过对加速度和角速度进行积分，可以得到飞行器在三维空间中的位置、速度和姿态。
平台式INS的应用十分广泛。
在航空领域，它被用于航空器的导航、制导和控制系统，可以实现自主飞行和目标跟踪。
在航天领域，它被用于航天器的姿态控制和轨迹修正。
在海洋领域，它被用于船舶和潜艇的导航和定位。
在地质勘探领域，它被用于测量地震波和地壳变动。
平台式INS具有许多优点。
首先，它不受外界环境的影响，可以在任何条件下进行导航。
其次，它具有高精度和高精度保持能力，可以提供精确的导航信息。
再次，它具有良好的可靠性和稳定性，可以长时间运行而不受干扰。
然而，平台式INS也存在一些局限性。
首先，积分误差会随时间的推移累积，导致导航精度下降。
其次，惯性传感器本身存在零偏和尺度因素等误差，需要进行校准和补偿。
再次，平台式INS在长时间无法接收外部定位信息的情况下，会出现漂移现象，导航精度降低。
为了克服这些问题，常常采取多传感器融合的方法，将惯性传感器与其他定位系统（如全球定位系统）相结合，以提高导航精度和可靠性。
另外，还可以使用自适应滤波和状态估计算法对积分误差和传感器误差进行校正和补偿。
总之，平台式惯性导航系统是一种基于惯性传感器的导航系统，通过测量和积分加速度和角速度来得出飞行器在空间中的位置、速度和姿态。
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弹道式：起飞阶段必须在大气层内，平飞前 进阶段主要在空气稀少的高空或外层空间，下降 阶段再入大气层。弹道式导弹不在大气层中长时 间平行飞行，不需要飞航式导弹那样的弹翼和操 纵面，有的则连尾翼都没有。
特点：空气阻力小，飞行速度快，飞行距离远，能进行洲际攻击。
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4.半解析式平台惯导系统分类 飞机中应用多为半解析式惯导系统，根据平台两个水平 轴指向不同可分为 （1）指北方位惯导系统：工作时，平台的三个稳定轴分别指向 地理东、地理北、当地地平面的法线方向，即平台模拟当地地 理坐标系。 （2）自由方位惯导系统：工作时，平台的方位可以和北向成任 意夹角，始终指向惯性空间的某一个方向，台面仍要保持在当 地的水平面内。由于地球的旋转和飞机的运动，平台的横轴、 纵轴不指向地理东、北，而是有一定自由夹角，故称它为自由 方位惯导系统，其平台称为自由方位平台。 （3）游动方位惯导系统：与自由方位类似，平台的台面处于当 地水平面，方位轴只跟踪地球自转的分量。
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二 跟踪地理坐标系 1.地理坐标系相对惯性系 的运动规律：
VN V cos xt R R VE yt e cos R VE zt e sin tg R
为当地 式中：R 为地球半径， e 为地球自转速度， V 为飞行速度 纬度，
惯性导航原理
崔 铭
中国民航大学电子信息工程学院
2018/9/15
第8章 平台式惯性导航系统原理及应用
8.1
8.2 8.3 8.4 8.5
概
述
指北方位惯导系统 自由方位惯导系统 游动方位惯导系统 平台式惯导系统初始 对准原理
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8.1
概
述
一 惯性导航的分类 1.平台式惯导：三轴陀螺稳定平台，加速度计固 定在平台上，其敏感轴与平台轴平行，平台的三 根稳定轴模拟一种导航坐标系。 优点：直接模拟导航坐标系，计算比较简单；能 隔离载体的角运动，系统精度高。 缺点：结构复杂，体积大，制造成本高。
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2.捷联式惯导：无稳定平台，加速度计和陀螺仪 与载体直接固连。载体转动时,加速度计和陀螺仪 的敏感轴指向也跟随转动。陀螺仪测量载体角运 动，计算载体姿态角，从而确定加速度计敏感轴 指向。再通过坐标变换，将加速度计输出的信号 变换到导航坐标系上，进行导航计算。 优点：无平台，结构简单，体积小，维护方便。 缺点：惯性元件直接装在载体上，环境恶劣，对 元件要求较高；坐标变换中计算量大。
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（2）几何式：该系统有两个平台，一个装有陀螺， 相对惯性空间稳定；另一个装有加速度计，跟踪 地理坐标系。陀螺平台和加速度计平台间的几何 关系可确定载体的经纬度，故称几何式惯导系统。 主要用于船舶和潜艇的导航定位。精度较高，可 长时间工作，计算量小，但平台结构复杂。
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式的一种，而不能单独分类。)
飞航式:在大气层中飞行，有弹翼、尾翼和舵 面。弹翼用于在大气层中飞行时产生流体升力， 平衡导弹的重量。尾翼用于保持导弹飞行姿态的 稳定性。舵面是用来控制导弹飞行姿态和弹道的 调整。
特点：飞行距离较近，多是战术导弹。长度、弹径和重量 较小，飞机、舰艇、潜艇和车辆均可作为发射平台。
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（3）解析式：陀螺和加速度计装于同一平台， 平台相对惯性空间稳定。加速度计测量值包含 重力分量，在导航计算前必须先消除重力加速 度影响。求出的参数是相对惯性空间，需进一 步计算转换为相对地球的参数。平台结构较简 单，计算量较大，主要用于宇宙航行及弹道式 导弹。
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导弹依在空中飞行的弹道可分两类：飞航式 导弹和弹道式导弹，也可称有翼导弹和无翼导弹。 (巡航导弹在弹道特征和弹体外形都有飞航式的特性，应作为飞航
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3.平台式惯导分类 （1）半解析式：又称当地水平惯导系统，系统 有一三轴稳定平台，台面始终平行当地水平面， 方向指地理北（或其它方位）。陀螺和加速度计 放置平台上，测量值为载体相对惯性空间沿水平 面的分量，需消除地球自转、飞行速度等引起的 有害加速度后，计算载体相对地球的速度和位置 。主要用于飞机和飞航式导弹，可省略垂直通道 加速度计，简化系统。
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二 平台式惯导的基本组成 平台式惯导系统由三轴陀螺稳定平台（包含陀螺仪）、 加速度计、导航计算机、控制显示器等部分组成。
三 三种平台式惯导的特点(p299)
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8.2
指北方位惯导系统
指北方位惯导系统是平台惯导中最基本的类型。陀 螺平台建立的理想坐标系与地理坐标系完全重合。这样 的平台需用一个三轴稳定平台，并对两个水平轴进行舒 勒调谐和积分修正控制其在水平面内，对方位轴系统施 以控制信号使其指向北方。 本章解决的主要问题：平台各轴的指令角速度、加 速度测量、导航参数解算 一 系统组成（P300）
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1.外横滚环 2.俯仰输出同步器 3.倾斜输出同步器 4.内横滚环力矩器 5.俯仰环 6.平台航向同步器 7.方位环力矩器 8.方位环 9.俯仰力矩器 10.内横滚环同步器 11.外横滚环力矩器 12.外横滚伺服放大器 13.内横滚环 14.内横滚伺服放大器 15.方位环伺服放大器 16.稳定信号分配器． 17.俯仰伺服放大器 18计算机
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2.控制平台跟踪地理坐标系 在平台上建立地理坐标系，包括： 初始对准——初始状态时将平台坐标调整到与起始点的 地理系坐标一致； 修正控制——在对准基础上控制平台跟踪地理系变化。 假设初始对准已完成（该内容后面章节讲解），修 正控制步骤：首先使平台相对惯性空间稳定；其次对平 台进行水平修正和方位修正，使平台保持在水平面内而 方位始终指北。
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（1）稳定系统 ①方位轴稳定系统：方位轴上有干扰力矩，上陀螺的z 传感器感受角偏移。 ②内横滚环稳定系统：内横滚轴上有干扰力矩，两种情 况：当内横滚轴与平台y轴平行，下陀螺外环上的x传感 器感受角偏移；当内横滚轴与平台y轴不平行，即夹角 为航向角时，内横滚轴的干扰力矩上、下陀螺都感受， 此时两个陀螺信号要经信号分配器，再送到稳定电机处 理。