SPATIAL 惯性导航航姿参考单元
惯导(惯性导航系统).
北京七维航测科技股份有限公司 Beijing SDi Science&Technology Co.,Ltd.惯导(惯性导航系统)概述惯性导航系统（INS，以下简称惯导）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。
其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。
惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
惯性导航系统（英语：INS）惯性导航系统是以陀螺和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统，该系统根据陀螺的输出建立导航坐标系，根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置。
运用领域现代惯性技术在各国政府雄厚资金的支持下，己经从最初的军事应用渗透到民用领域。
惯性技术在国防装备技术中占有非常重要的地位。
对于惯性制导的中远程导弹，一般说来命中精度70%取决于制导系统的精度。
对于导弹核潜艇，由于潜航时间长，其位置和速度是变化的，而这些数据是发射导弹的初始参数，直接影响导弹的命中精度，因而需要提供高精度位置、速度和垂直对准信号。
目前适用于潜艇的唯一导航设备就是惯性导航系统。
惯性导航完全是依靠运载体自身设备独立自主地进行导航，不依赖外部信息，具有隐蔽性好、工作不受气象条件和人为干扰影响的优点，而且精度高。
对于远程巡航导弹，惯性制导系统加上地图匹配技术或其它制导技术，可保证它飞越几千公里之后仍能以很高的精度击中目标。
惯性技术己经逐步推广到航天、航空、航海、石油开发、大地测量、海洋调查、地质钻控、机器人技术和铁路等领域，随着新型惯性敏感器件的出现，惯性技术在汽车工业、医疗电子设备中都得到了应用。
因此惯性技术不仅在国防现代化中占有十分重要的地位，在国民经济各个领域中也日益显示出它的巨大作用。
北京七维航测科技股份有限公司Beijing SDi Science&Technology Co.,Ltd.导航和惯导从广义上讲从起始点将航行载体引导到目的地的过程统称为导航。
第五章惯性导航系统(PPT-70)
第五章 惯性导航系统
一、概 述
用一种叫加速度计的仪表测量到飞机（物体）的运动加速度后，飞
第五章 惯性导航系统
所谓导航，是指在某参考系内将运动物体以一点引导到 另一点的过程。
惯性导航所要解决的基本问题是不断确定载体的姿态、 速度和位置。
任何物质的运动和变化，都是在空间和时间中进行的。物 体的运动或静止及其在空间的位置，是指它相对另一物体而 言。这就是说，在描述物体的运动时，必须选定一个或几个 物体作为参考系。当物体对于参考系的位置有了变化时，就 说明该物体发生了运动。
速度分解为沿地理北向和地理东向两
个分量
vN v cos
vE v sin
飞行速度北向分量vN引起地理坐标系绕 平行于地理东西方向的地心轴转动，其
转动角速度为
vN v cos Rh Rh
飞行速度引起地理坐标系转动
第五章 惯性导航系统
二、有关知识
当地地理坐标系的绝对角速度
第五章 惯性导航系统
一、概 述
第五章 惯性导航系统
一、概 述
实际惯导系统不仅能提供即时速度和即时位置，还可以测量飞机 的姿态。在捷联式惯导系统中可提供多达35个参数，构成惯性基 准系统。
35个参数中主要有：即时经度和纬度；飞机地速，航迹角；飞机 三个姿态角和角速度；沿机体轴的三个线加速度；垂直速度；惯 性高度。此外，在由大气数据系统提供真空速条件下，还输出风 速风向（角）等。
OENζ相对惯性坐标系的转动 角速度应包括两个部分：相 对角速度，它是由于飞机相 对于地球运动而形成的；牵 连角速度，它是地球相对惯 性坐标系运动形成的。
惯性导航仪的工作原理
惯性导航仪的工作原理惯性导航仪（Inertial Navigation System，简称INS）是一种利用惯性传感器测量和计算飞行器、舰船或者车辆在空间中的位置、速度和姿态的导航设备。
它不依赖于外部参考物体，可以在无法接收全球定位系统（GPS）信号或者其他导航设备不可用的情况下提供准确的导航信息。
惯性导航仪的工作原理基于牛顿力学定律和惯性测量原理。
它由三个加速度计和三个陀螺仪组成，分别测量飞行器在三个坐标轴上的加速度和角速度。
加速度计测量的是飞行器在空间中的加速度，而陀螺仪则测量的是飞行器的角速度。
在工作过程中，加速度计和陀螺仪会将测量到的数据传输给惯性导航仪的中央处理器。
中央处理器根据牛顿力学定律和惯性测量原理，通过积分计算出飞行器的速度、位置和姿态信息。
具体来说，加速度计测量的加速度数据经过积分后可以得到速度信息，再经过一次积分可以得到位置信息。
陀螺仪测量的角速度数据则可以直接用于计算飞行器的姿态信息。
为了提高惯性导航仪的精度和稳定性，还可以使用其他传感器来对惯性导航仪进行辅助校准。
例如，气压计可以用于测量飞行器的高度信息，磁力计可以用于测量地磁场信息。
这些辅助传感器的数据可以与惯性导航仪的数据进行融合，从而提高导航的准确性。
惯性导航仪的优点是具有较高的精度、独立性和抗干扰能力。
由于不受外界环境和信号干扰的影响，它可以在各种复杂的环境下正常工作。
然而，惯性导航仪也存在一些缺点，例如长期使用会导致误差积累，需要定期进行校准和更新。
总之，惯性导航仪是一种重要的导航设备，通过测量和计算飞行器在空间中的加速度、角速度和姿态信息，提供准确的导航数据。
它的工作原理基于牛顿力学定律和惯性测量原理，具有精度高、独立性强的特点，可以在无法接收其他导航信号的情况下正常工作。
惯性导航基本原理PPT课件
21
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
t
v i ( t ) v i ( t ) a i ( ) d 0 t0
t
r i ( t ) r i ( t ) v i ( u ) d u 0 t0
：视加速度，测量值；g ：引力加速度。
12
平台式惯导系统组成
13
5捷联惯性导航工作原理
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）。
14
Ri (t) Ri (t) b (t)
b
b
ib
33
33
33
f i(t) R i (t) f 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
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。
2
0
x 1 f (t t )3
6
惯性导航仪的工作原理
惯性导航仪的工作原理标题：惯性导航仪的工作原理引言概述：惯性导航仪是一种用于确定、跟踪和预测航空器、舰船和导弹等运动状态的关键设备。
它通过测量加速度和角速度的变化来推断位置、速度和方向。
本文将详细介绍惯性导航仪的工作原理，包括传感器、数据处理和位置推算等方面。
一、传感器1.1 加速度计加速度计是惯性导航仪的关键传感器之一。
它通过测量物体在三个坐标轴上的加速度来确定物体的运动状态。
常用的加速度计包括压电式加速度计和微机械系统加速度计。
前者基于压电效应，通过测量压电晶体的电荷变化来计算加速度；后者则利用微机械系统的结构变化来测量加速度。
加速度计的输出信号经过放大和滤波后，传送到数据处理单元进行进一步处理。
1.2 陀螺仪陀螺仪是另一个重要的传感器，用于测量物体的角速度。
它能够感知物体绕三个坐标轴的旋转速度，包括俯仰、横滚和偏航。
常见的陀螺仪有机械陀螺仪和光纤陀螺仪。
机械陀螺仪利用旋转质量的角动量守恒原理来测量角速度；光纤陀螺仪则利用光的干涉效应来测量角速度。
陀螺仪的输出信号也经过放大和滤波后，传送到数据处理单元。
1.3 磁力计磁力计用于测量地球磁场的变化，以确定物体的方向。
它通常包含三个磁场传感器，分别测量物体在三个坐标轴上的磁场强度。
通过分析这些磁场强度的变化，可以确定物体相对于地球的方向。
磁力计的输出信号也会经过放大和滤波后，传送到数据处理单元。
二、数据处理2.1 传感器数据融合惯性导航仪通常会使用多个传感器来获取更准确的数据。
数据融合算法将不同传感器的数据进行整合，以提高导航仪的精度和稳定性。
常见的数据融合算法包括卡尔曼滤波器和粒子滤波器等。
2.2 姿态解算姿态解算是指根据陀螺仪和加速度计的数据，推算出物体的姿态（即俯仰、横滚和偏航角度）。
通过使用姿态解算算法，可以将传感器的原始数据转化为物体的姿态信息，为后续的位置推算提供依据。
2.3 位置推算位置推算是惯性导航仪的核心任务之一。
根据加速度计和陀螺仪的数据，结合起始位置和速度信息，通过积分和微分运算，可以推算出物体的当前位置、速度和方向。
惯性导航技术简介
惯性导航技术简介什么是惯性导航系统？惯性导航系统（INS，Inertial Navigation System）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。
其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。
惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
发展进程第一代惯性导航技术指1930 年以前的惯性技术，奠定了整个惯性导航发展的基础。
牛顿三大定律成为惯性导航的理论。
第二代惯性技术开始于上世纪 40 年代火箭发展的初期，其研究内容从惯性仪表技术发展扩大到惯性导航系统的应用。
70 年代初期，第三代惯性技术发展阶段出现了一些新型陀螺、加速度计和相应的惯性导航系统，其研究目标是进一步提高INS 的性能，并通过多种技术途径来推广和应用惯性技术。
当前，惯性技术正处于第四代发展阶段，其目标是实现高精度、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。
技术组成惯性导航技术主要包括陀螺技术、加速度计技术和航位推测技术。
陀螺技术是利用高速旋转的陀螺提供运载体角位移或角速度技术。
机电陀螺是告诉旋转的转子，载体发生角运动时，转子绕垂直于自转轴的一根轴或两根轴发生进动，从而敏感处载体的角运动。
这种装置具有极高的稳定性。
根据这一原理，将陀螺作为惯性导航的基准和稳定系统。
加速度计技术是测量用在体线加速度的技术。
可以测量出运载体线加速度，并输出与加速度成比例的电信号，供计算和控制运载体位置使用。
航位推测技术是根据已知运载体的初始位置，利用由陀螺和加速度计敏感出的运载体运动航向和加速度推算出运载体当前位置的技术。
其原理是从一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。
惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中，并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到位移。
空中平台航姿参考系统的设计
空中平台航姿参考系统的设计
张静;金志华
【期刊名称】《中国惯性技术学报》
【年(卷),期】2004(012)002
【摘要】利用观测矢量确定载体姿态的原理,依据空中平台的动态要求,确定了航姿参考系统的构成.通过建立姿态误差四元数微分方程,对卡尔曼滤波器在线估计组合航姿系统姿态误差进行了设计,并将建立的传感器测量误差模型加入到滤波模型中.仿真表明,这样组成的航姿参考系统,在传感器测量精度有限的情况下,能在摇摆基座上达到水平姿态精度0.2°,航向精度0.5°.
【总页数】6页(P47-52)
【作者】张静;金志华
【作者单位】上海交通大学仪器工程系,上海,200030;上海交通大学仪器工程系,上海,200030
【正文语种】中文
【中图分类】U666.1
【相关文献】
1.基于航姿参考系统和云台的视频监控跟踪系统设计 [J], 杨健;谢晓方;李德栋
2.基于MAEKF算法的航姿参考系统设计 [J], 王丁伟;祖家奎;黄海
3.基于DSP和STM32的航姿参考系统设计 [J], 白万涛;高国伟
4.低成本小口径动中通天线航姿参考系统设计 [J], 秦超
5.小型航姿参考系统设计 [J], 卢毅
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SPATIALDual双天线实时差分惯导航姿参考系统
SPATIALDual双天线实时差分惯导航姿参考系统SPATIAL Dual是一个坚固耐用的微型GPS辅助惯性导航系统和AHRS（航姿参考系统），即使在最苛刻的条件下提供精确的位置、速度、加速度和方向。
它结合了温度校准、加速度计、陀螺仪、磁强计和压力传感器与双天线RTK（实时差分）GNSS全球卫星导航接收器。
这些传感器技术集合在一起，结合一个复杂的融合算法，提供准确和可靠的导航和定位。
特点双天线航向Spatial Dual特点是移动基线RTK 。
这使得它可以提供高准确度航向，无任是静态还是动态目标。
由于干扰磁力航向不能使用，或需要额外的准确度的场合，Spatial Dual是极佳选择。
另一个好处是可以准确地测量车辆的滑移角。
标定传感器动态范围Spatial Dual包含目前市场上最高性能的MEMs惯性传感器。
这些都是通过先进的导航精细标定处理，以进一步提高性能表现，并能在-40°C至85 °C宽温度范围仍然提供始终如一的准确数据。
先进的导航自定标定，唯一所有传感器标定处理，可以提供动态范围，在飞行中允许用户自行选择准确度或加速度传感器准确度范围。
作为该标定的一部分，每一个Spatial Dual在我们专门建造的转动温度试验箱中处理8个小时。
RTK GNSS接收器Spatial Dual包含三频Trimble RTK GNSS 接收器提供1cm准确度定位，支持所有已运行和未来运行的卫星系统GPS、GLONASS、北斗和GALILEO，同时支持Omnistar服务销售无忧无虑的高准确度定位。
先进的滤波技术Spatial Dual包含AN革命性的新的传感器融合滤波器。
该过滤器是比典型的扩展卡尔曼滤波更智能化，能够从利用人类灵感的人工智能数据中，明显提取更多信息。
它为控制应用设计，拥有高水准的健康监测和预防不稳定，以确保数据稳定、可靠。
微型坚固外壳Spatial Dual船级铝合金外壳防水和防尘达IP67标准、防震2000g，可在最极端的条件下使用。
惯性导航仪的工作原理
惯性导航仪的工作原理惯性导航仪（Inertial Navigation System，简称INS）是一种基于惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，简称IMU）的导航系统，它能够通过测量物体的加速度和角速度来计算物体的位置、速度和姿态。
惯性导航仪广泛应用于航空航天、船舶、汽车等领域，具有高精度、高可靠性和抗干扰能力强的特点。
惯性导航仪的工作原理可以分为两个主要步骤：测量和计算。
1. 测量惯性导航仪通过惯性测量单元（IMU）来测量物体的加速度和角速度。
IMU通常由加速度计和陀螺仪组成。
- 加速度计（Accelerometer）：加速度计用于测量物体在三个轴向上的加速度。
它基于牛顿第二定律，通过测量物体所受的惯性力来计算加速度。
加速度计常用的工作原理有压电效应、电容效应和微机械系统（MEMS）等。
- 陀螺仪（Gyroscope）：陀螺仪用于测量物体绕三个轴向的角速度。
它基于角动量守恒定律，通过测量物体的转动力矩来计算角速度。
陀螺仪常用的工作原理有旋转式陀螺仪、光纤陀螺仪和微机械系统（MEMS）等。
2. 计算惯性导航仪通过对测量数据的处理和计算，来推导出物体的位置、速度和姿态等导航信息。
计算过程主要包括积分和滤波两个步骤。
- 积分：惯性导航仪通过对加速度和角速度的积分来计算物体的速度和位移。
加速度积分可以得到速度，速度积分可以得到位移。
但是由于积分过程中存在误差累积的问题，导航系统需要进行误差校正和补偿。
- 滤波：为了减小误差累积的影响，惯性导航仪通常采用滤波算法对测量数据进行优化处理。
常用的滤波算法有卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波和粒子滤波等。
滤波算法可以根据测量数据和模型来估计物体的真实状态，并提供更准确的导航信息。
除了测量和计算，惯性导航仪还需要进行初始对准和校准等步骤，以提高导航系统的精度和稳定性。
总结起来，惯性导航仪的工作原理是通过测量物体的加速度和角速度，然后通过积分和滤波等计算方法，推导出物体的位置、速度和姿态等导航信息。
惯性导航系统：导航不再非卫星不可
FPGA作为主控制器进行实时数据采集和通信，以NIOSII软核处理器进行 惯性传感器的数据采集和处理。描述了系统的总体结构和利用六位置法 争转台实验对惯性器件进行了补偿算法的研究。通过六位置法和转台实 验的测试，对应原理样机的实测数据与补偿后的结果，验征了惯
惯性导航技术的理论技术是什么？ 惯性导航系统的工作机理是建立在牛顿经典力学的基础上的。牛顿定律告诉
人们：一个物体如果没有外力作用，将保持静止或匀速直线运动；而且 ，物体的加速度正比于作用在物体上的外力。如果能够测量得到加速度 ，那么通过加速度对时间的连续数学积分就可计算得到物体的速度和位 置的变化。
惯性导航技术的特点是什么？ 不同于其他类型的导航系统，惯性导航系统是完全自主的，它既不向外部发
射信号，也不从外部接收信号。惯性导航系统必须精确地知道在导航起 始时运载体的位置，惯性测量值用来估算在启动之后所发生的位置变化
除了改进惯导系统中的陀螺仪等设备，还有没有其它办法解决惯性导航长时 间工作的精度问题？
惯性导航统有什么缺点？ 其缺点是：1、由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长
期精度差；2、每次使用之前需要较长的初始对准时间；3、设备的价格 较昂贵；4、不能给出时间信息。
惯性导航系统的工作原理是什么？ 惯性导航系统属于推算导航方式，即从一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。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计 的测量轴稳定在该坐标系中，并给出航向和姿态角；加速度计用来测量 运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间 的一次积分即可得到距离
导航原理惯性导航休拉调谐分解课件
处理单元将解算得到的控制指令输出 给执行机构，对载体进行控制和调整 。
A/D转换
处理单元将陀螺仪和加速度计的模拟 信号转换为数字信号，便于计算机处 理。
03
休拉调谐原理
休拉调谐的概念
惯性导航系统
惯性导航系统是一种通过测量物体的 加速度和角速度来确定物体位置、速 度和姿态的导航系统。
休拉调谐原理
休拉调谐是惯性导航系统中一种重要 的调谐方法，通过调整惯性传感器的 安装位置和方向，以减小惯性传感器 对导航性能的影响。
陆地导航
车辆导航（Vehicle Navigation）
在复杂的城市道路和高速公路上，惯性导航系统可以提供精确的车辆位置、速度和航向 信息，为驾驶者提供实时的道路指引。
机器人导航（Robot Navigation）
在工业自动化和智能服务领域，惯性导航系统可以帮助机器人实现精确的移动和定位， 提高工作效率和安全性。
采用先进的滤波算法和数据处理技术，对惯性传感器数据进行优化处理，以提高 导航精度。
小型化、集成化
微型化设计
通过采用微型化设计，将惯性传 感器和导航计算机等组件集成在 一个小型封装中，实现更小体积 和更轻重量。
集成化技术
采用先进的集成电路技术和微加 工技术，将多个组件集成在一个 芯片上，实现更小体积、更轻重 量和更低功耗。
休拉调谐的原理
惯性传感器安装位置
在休拉调谐中，惯性传感器的安装位置应尽量远离运动物体，以减小运动物体 对惯性传感器的影响。
惯性传感器安装方向
惯性传感器的安装方向应尽量与导航坐标系的方向一致，以减小惯性传感器对 导航性能的影响。
休拉调谐的实现方法
选择合适的安装位置
在安装惯性传感器时，应选择远离运动物体、尽量与导航坐标系 一致的位置。
应用于运动平台光电跟瞄系统的惯性参考单元研究综述
第 32 卷第 3 期2024 年 2 月Vol.32 No.3Feb. 2024光学精密工程Optics and Precision Engineering应用于运动平台光电跟瞄系统的惯性参考单元研究综述李醒飞1，2，何梦洁1，拓卫晓1，2*，王天宇1，韩佳欣1，王信用1（1.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072；2.深海技术科学太湖实验室，江苏无锡 214000）摘要：目标的变化和任务的拓展对光电跟瞄系统提出了快速机动的要求，从地基平台到车载、船载、机载、星载等运动平台是光电跟瞄系统的重要发展趋势。
基于惯性参考单元（Inertial Reference Unit，IRU）的视轴稳定方式是克服运动平台高频扰动，实现光电跟瞄系统微弧度甚至亚微弧度级跟瞄的主要技术手段。
针对运动平台光电跟瞄系统精确指向对载体基座扰动抑制的需求，分析和对比了IRU的各种技术方案，特别介绍了利用低噪声、宽频带惯性传感器敏感角扰动，并通过反馈控制实现视轴惯性稳定的系统方案。
从此类IRU系统的工作原理出发，阐述了系统的两种工作模式及功能特点，建立了系统数学模型。
然后，介绍了IRU的国内外研究进展及发展方向，指出惯性传感、支承结构和控制系统是决定IRU稳定能力的关键因素，梳理了三项关键技术的研究动态。
最后，总结了IRU的空间应用情况，并结合目前的应用需求对其未来应用领域进行了探讨。
关键词：惯性参考单元；运动平台；光电跟瞄系统；视轴稳定；扰动抑制中图分类号：V19 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20243203.0401Review on inertial reference unit applied to photoelectric tracking and pointing system of moving platform LI Xingfei1，2，HE Mengjie1，TUO Weixiao1，2*，WANG Tianyu1，HAN Jiaxin1，WANG Xinyong1（1.State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments， Tianjin University，Tianjin 300072， China；2.Taihu Laboratory of Deepsea Technological Science， Wuxi 214000， China）* Corresponding author， E-mail： tuoweixiao@Abstract： The evolution of objectives and the broadening of tasks have heightened the need for swift ma⁃neuverability in the photoelectric tracking and pointing system. Shifting from ground⁃based to diverse mo⁃bile platforms such as vehicles, ships, aircraft, and spacecraft marks a significant trend in the development of photoelectric tracking and pointing systems. The stabilization of the line of sight using an inertial refer⁃ence unit (IRU) is essential to counteract the high⁃frequency disturbances encountered on these mobile plat⁃forms, enabling the system to achieve tracking accuracy at the micro⁃radian or even sub⁃micro⁃radian level. 文章编号1004-924X（2024）03-0401-21收稿日期：2023-06-30；修订日期：2020-08-10.基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.62203322）；中国博士后科学基金资助项目（No.2022M712372）；深海技术科学太湖实验室“揭榜挂帅”项目资助项目（No.2022JBGS03001）第 32 卷光学精密工程This paper delves into various IRU implementation strategies to mitigate disturbances from the carriers, ensuring precise aiming of the photoelectric tracking and pointing system on moving platforms. It highlights a system design that employs low noise and wideband inertial sensors for angle disturbance detection and achieves line of sight stabilization via feedback control. The document details the system's operational modes, functional features, constructs its mathematical model, and reviews both domestic and internation⁃al research advancements and future directions in IRU technology. It emphasizes that inertial sensing, sup⁃port structures, and control systems are critical to IRU's stabilization performance, and it organizes the lat⁃est research trends in these three vital areas. Conclusively, the paper outlines the spaceborne applications of IRU and explores potential future application domains, considering current demands.Key words： inertial reference unit；moving platform；photoelectric tracking and targeting system；line-of-sight stabilization； disturbance suppression1 引言在天文观测［1］、激光通信［2］和量子通信［3］等领域，目标的变化和任务拓展对光电跟瞄系统提出了快速机动的要求，从地基平台到车载、船载、机载、星载等运动平台拓展是光电跟瞄系统的重要发展趋势。
惯性导航仪的工作原理
惯性导航仪的工作原理惯性导航仪（Inertial Navigation System，简称INS）是一种利用惯性传感器测量和计算飞行器或者船舶在空间中的位置、速度和姿态的设备。
它不依赖于外部参考物体，可以在没有GPS信号或者其他导航设备的情况下独立工作。
惯性导航仪的工作原理基于牛顿第一定律，即物体在没有外力作用下保持匀速直线运动或者静止。
INS系统通过测量飞行器或者船舶的加速度和角速度，从而推导出其位置、速度和姿态。
INS系统主要由三个惯性传感器组成：加速度计、陀螺仪和磁强计。
加速度计用于测量飞行器或者船舶在三个轴向上的加速度，陀螺仪用于测量角速度，磁强计用于测量地球磁场的方向。
当飞行器或者船舶开始运动时，加速度计会测量到加速度的变化。
通过积分加速度计的输出，可以得到速度和位置的变化。
陀螺仪则用于测量旋转速度，通过积分陀螺仪的输出，可以得到姿态的变化。
磁强计用于补偿陀螺仪的漂移误差，从而提高姿态的精度。
INS系统还包括一个计算单元，用于处理传感器的数据并进行姿态解算。
计算单元会根据传感器的输出和初始状态，计算出飞行器或者船舶的位置、速度和姿态。
为了提高解算的精度，INS系统通常会与其他导航设备如GPS进行融合，通过数据融合算法来融合两种导航系统的输出。
INS系统的优点是具有高精度、高可靠性和独立性。
它可以提供连续的导航信息，并且不受天气、遮挡物或者电磁干扰的影响。
因此，INS系统广泛应用于航空航天、船舶、导弹和无人机等领域。
然而，INS系统也存在一些限制。
由于惯性传感器会受到噪声和漂移等因素的影响，INS系统的精度会随着时间的推移而逐渐下降。
为了解决这个问题，INS系统通常会进行校准和误差补偿。
此外，INS系统的成本较高，对于一些应用场景来说可能不太经济。
总结起来，惯性导航仪是一种独立工作的导航设备，利用惯性传感器测量和计算飞行器或者船舶的位置、速度和姿态。
它的工作原理基于牛顿第一定律，通过测量加速度和角速度来推导出导航信息。
惯性导航系统
惯性导航系统惯性导航系统（Inertial Navigation System，简称INS）是一种基于惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，简称IMU）的导航系统，它利用加速度计和陀螺仪来计算和跟踪自身的位置、速度、姿态以及其他相关信息。
INS的主要优势在于其独立性、高精度和实时性。
一、惯性导航系统的原理及构成1.1 原理惯性导航系统基于牛顿力学的基本原理，根据物体在三维空间中的运动状态（位置、速度、姿态），利用加速度计测量加速度，陀螺仪测量角速度，从而获得物体的运动信息。
1.2 构成惯性导航系统由加速度计和陀螺仪构成。
加速度计用于测量物体的加速度，而陀螺仪则用于测量物体围绕轴的旋转角速度。
这两个组件通常被称为惯性测量单元（IMU）。
二、惯性导航系统的工作原理惯性导航系统通过对加速度和角速度的测量结果进行积分运算，得到物体的位置、速度和姿态等导航参数。
根据这些参数，可以进行航行过程中的定位、导航、控制等任务。
2.1 姿态测量加速度计和陀螺仪的输出信号经过信号处理后，可以计算出物体在空间中的姿态。
姿态测量是导航系统的基础，可以帮助确定物体的朝向和方向。
2.2 位置和速度测量根据加速度计测量的加速度和陀螺仪测量的角速度，可以利用运动学方程进行积分运算，从而得到物体的位置和速度信息。
2.3 系统校准惯性导航系统需要进行定期的校准，以确保其输出的数据准确可靠。
校准的主要目的是消除误差和漂移，并提高导航系统的精确度和稳定性。
三、惯性导航系统的应用领域3.1 轨道交通惯性导航系统在轨道交通领域的应用越来越广泛，如地铁列车、高铁等。
它能够提供高精度的位置和速度信息，帮助保证列车的安全性和准确性。
3.2 航空航天惯性导航系统是飞机和导弹等航空器的重要组成部分。
它可以在无GPS信号的情况下，仍然提供准确的导航信息，确保飞行器的航线精确和稳定。
3.3 海洋探测惯性导航系统在海洋探测中也有重要应用，如海洋调查船、潜艇等。
惯性导航基础知识
惯性导航的重要性
在军事领域
为导弹、飞机、舰艇等提供高精度导航信息，提高打击精度和作战能力。
在民用领域
广泛应用于航空、航海、车辆自动驾驶等领域，提高交通工具的运行效率和安 全性。
惯性导航的发展历程
早期发展
19世纪中叶，科学家开始研究 陀螺仪和加速度计的基本原理。
20世纪中叶
随着电子技术的发展，惯性导 航系统开始应用于军事领域。
惯性导航基础知识
目录
• 引言 • 惯性导航基本原理 • 惯性导航系统应用 • 惯性导航技术发展 • 惯性导航系统局限性及未来展望
01
引言
定义与特点
定义
惯性导航是一种自主导航技术，通过 测量载体在惯性参考系下的加速度和 角速度，经过积分运算得到载体的速 度和位置信息。
特点
不依赖外部导航信息，抗干扰能力强， 可在复杂环境中进行高精度导航。
牛顿第三定律
对于任何作用力和反作用 力，它们的大小相等，方 向相反，作用在同一条直 线上。
陀螺仪工作原理
01
陀螺仪利用旋转轴所指方向不 受外力影响的特点，通过高速 旋转的飞轮来敏感和测量角位 移、角速度和转动轴的姿态。
02
陀螺仪的敏感元件通常由单自 由度或双自由度的转子组成， 通过角动量守恒原理来测量角 位移和角速度。
化算法。
这些优化算法主要涉及 卡尔曼滤波、粒子滤波 、神经网络等先进估计 理论，能够显著提高惯
性导航系统的性能。
05
惯性导航系统局限性及未来 展望
系统误差来源及补偿方法
陀螺仪误差
由于制造工艺和材料限制，陀螺仪的 测量精度会受到一定影响，导致惯性 导航系统出现误差。
加速度计误差
加速度计的敏感元件在受到外力作用 时，会产航空导航
航姿参考
航向姿态测量系统的工作原理及组成2.1航向姿态测量系统概述航向姿态测量系统是多年来惯性技术发展的一个方向，它有多种构成方案，捷联式航向姿态测量系统的工作原理是基于捷联惯性测量系统的测量原理。
以惯性测量元件(加速度计、陀螺仪)为敏感元器件测量载体相对于惯性空间的运动参数。
由陀螺仪测量载体的角运动和由加速度计测量载体的加速度，在给定运动初始条件下，经转换、处理，输出载体的姿态和航向等参数。
它的优点是:(l)自主性强，它可以不依赖任何外界系统的支持，而单独进行导航。
(2)不受环境、载体机动和无线电干扰的影响，可连续的输出包括基准在内的全部导航参数，实时导航数据更新率高。
(3)具有非常好的短期精度和稳定性。
由于其工作的完全自主性，在航空航天、航海及陆地等很多领域，特别是军事领域得到了广泛应用，成为一种主要的导航手段。
基于MEMS器件的航向姿态测量系统主要由微惯性测量单元(Microinertialmeasurementunit)组成。
微惯性测量单元为敏感X、Y、Z三个方向的直线加速度，需具有三只微机械加速度计; 微惯性测量单元为敏感X、Y、Z三个方向的磁场强度，需具有三只微机械磁强计;为敏感绕X、Y、Z三个方向的旋转角速度，需具有三只微机械陀螺仪，即共需九只传感器固连在微惯性测量单元装置的支架上。
以相互垂直位置进行安装。
微机械陀螺仪测取沿载体坐标系三个轴的角速度信号，微机械加速度计测取沿载体坐标系三个轴的加速度信号，磁强计去沿着载体坐标系三轴的磁场强度，并送入计算机。
地理坐标系视为导航坐标系时，计算机用这些测量信息，经误差补偿后进行姿态矩阵计算和由载体坐标系至“平台”坐标的坐标变换。
姿态矩阵一方面用于坐标变换，即把沿载体坐标系的加速度信号变换成导航坐标系各轴的加速度信号，以便于导航参数计算;另一方面，利用姿态矩阵的元素以提取姿态角与航向角信息。
这样，由系统中的姿态矩阵计算、加速度信号的坐标变换计算以及姿态与航向计算实现了平台式惯导系统中稳定平台的功能，从而构成“数学平台”。
船载惯性测量单元姿态信息优化方法
船载惯性测量单元姿态信息优化方法
靳建波;孔令哲
【期刊名称】《空间电子技术》
【年(卷),期】2022(19)5
【摘要】随着海洋卫星通信技术的广泛应用,船载通信系统的需求量与日俱增。
基于微电子系统的惯性测量单元主要用于测量船体姿态信息,实现姿态反馈与控制补偿,是船载卫星通信设备的核心器件。
实际应用中通过卡尔曼滤波处理的惯性测量单元的姿态信息并不完善,经过分析惯性测量单元在运动过程中存在干扰性的有害加速度。
分析了有害加速度的产生原因和对测量姿态的影响并提出姿态信息的优化方法。
通过此优化方法可提升惯性测量单元的测量精度,增强船载通信系统的控制精度。
【总页数】5页(P63-67)
【作者】靳建波;孔令哲
【作者单位】西安交通大学;中国电子科技集团公司第三十九研究所陕西省天线与控制技术重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TN919;V475
【相关文献】
1.微惯性测量单元姿态解算方法
2.一种微惯性与磁组合测量单元的姿态解算方法
3.船用惯性导航系统姿态测量误差辨识及其补偿方法研究
4.基于卡尔曼滤波法的船载惯性测量单元设计
5.基于双微机电惯性测量单元的船用自主水平姿态估计算法
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SPATIAL 惯性导航航姿参考单元
SPATIAL是一个坚固耐用的微型GNSS
/ INS惯性导航和AHRS航姿参考系统单元，在最苛刻的条件下提供精确的位置、速度、加速度和方向。
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在全球导航卫星系统、惯性导航系统、姿态与航向参考系统和其他3D导航技术处于领先地位。
“空间”精密船级铝合金外壳符合防水和防脏的IP67标准，防冲击达2000g，能够在最极端的条件下使用。
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提供精确的位置和速度数据。
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这允许用于控制动态不稳定的平台。
“空间”也非常宽容动态运动和振动。
应用：机器人、运动科学、追踪与保安、赛车、极限运动
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mso-hansi-font-family:Arial;mso-bidi-font-family:Arial;color:# 333333;
text-transform:uppercase;mso-fareast-language:ZH-CN">导航水平位置准确度2.5 m垂直位置准确度3.0 m速度准确度0.05
m/s横滚、仰俯准确度（静态）
0.2 °航向准确度(静态0.5 °横滚、仰俯准确度（动态）0.4 °航向准确度(动态0.8 °幅度
不限热启时间50 ms内部滤波率800 Hz数据输出率
高达800 Hz。