《惯性导航简介》

惯性导航简介
——《导航概论》课程论文专业：测绘工程A组姓名：师嘉奇学号：2015301610091
一.摘要与关键字
1.本文摘要：本文主要对导航工程的基本内涵，方法与原理进行简单介绍，主要介绍有关惯性导航的相关内容，并且根据在本学期《导航概论》这门课程上所学习的内容谈一谈自己对导航应用的设想以及对本课程教学的建议。

2.关键字：惯性导航，定位技术，应用与服务，发展与前景
二.导航工程基本内涵
导航定位的历史与人类自身发展的历史一样久远。

人类的导航定位活动源自于其生活和生产的需要。

陆地上的导航定位最早发生在人类祖先外出寻找食物或狩猎的过程中，那时，他们通常在沿途设置一些特殊的“标记”来解决回家迷路的问题。

随着探索遥远地域的愿望与行动的出现，他们则通过观察和利用自然地标（如山峰、河流、树木、岩石等)以及自然天体（恒星)来解决导航定位问题这也使得他们能够翻越高山、跨越河流。

谈到导航，很多人会认为这是一个在近现代才提出的词汇，但是，导航的历史已经非常久远了。

从古代黄帝作战使用的指南车，到战国时期的司南，从近代航海使用的指南针，再到当今社会人手一部的智能手机，导航已经有了很悠久的历史。

那么，导航工程的基本内涵到底是什么呢？
首先，我们可以通过两个英文的句子来大概了解一下到底什么是导航“when am I？”和“How and when to get there?”，这两个问题问的是我现在在哪？我要怎么到那里去？它们也指出了导航的内涵，那就是在哪，怎样去，多久到达。

因此，通过科学的定义，将航行载体从起始点引导到目的地的过程称为导航，导航系统给出的基本参数是载体在空间的即时位置、速度和姿态、航向等，导航参数的确定由导航仪或导航系统完成。

通过这种技术引导载体方向的过程即为导航。

导航是解决人，事件，目标相互位置动态关系随时间变化的科学，技术，工程问题。

在室外或者自然环境中的导航，按照载体运动的范围，可分为海陆空天(海洋、陆地、空中、空间)导航四类；按照所采用的技术，常用的导航方法有，天文导航、惯性导航、陆基无线电导航、卫星导航、特征匹配辅助导航（如地形匹配、地磁匹配、重力匹配)等，以及上述导航方法之间的不同组合（组合导航）。

室内定位导航作为当今导航技术发展的个重要分支，它借鉴室外导航的相关技术，同时结合现代通信技术、网络技术传感器技术以及计算机技术的最新发展，已经成为一个重要的研究热点并在人们日常工作和生活中逐步得到应用。

室内导航与自然环境中的导航既有联系又有其自身的特点，其主要差异是来自于应用环境及所采用的技术方法不同。

导航系统有两种工作状态：指示状态和自动导航状态。

如导航设备提供的导航信息仅供驾驶员操纵和引导载体用，则导航系统工作为指示状态，在指示状态下，导航系统不直接对载体进行控制，如果导
航系统直接提供信息给载体的自动驾驶控制系统，由自动驾驶系统操纵和引导载体，则导航系统工作于自动导航状态。

在这两种工作状态下，导航系统的作用都只是提供导航参数，“导航”的含义也侧重于测量和提供参数。

导航有很多种技术途径，如无线电导航，天文导航，惯性导航等可实现相应的导航任务，在这些导航技术中，惯性导航占有特殊的地位，惯性导航具有高度自主的突出优点，以牛顿力学为理论基础，只依靠安装在载体内的惯性测量传感器陀螺，加速度计和相应的配套装置建立基准坐标系,进而获得载体的加速度，推算速度位置等导航参数。

另外，现代运载体的高精度、长时间、远程导航等导航要求不断提高，单纯惯性导航不能完全满足，采用现代控制理论信息融合方法，以软硬件迅速发展的计算机为计算工具，将惯导系统和其他导航系统综合，构成以惯性导航为主，其他导航手段为辅的组合导航系统，应用日益广泛。

以制导技术为例，制导技术可以分为航路规划和目标跟随两部分，其中航路规划是根据地理参考系，物体所在的位置和目标方位计算物体到达目的地的合理路径，目标跟随是通过导引系统测量物体与目标相对位置，计算导航参数，最后到达目标的过程。

在当今社会，制导技术有着非常广泛的应用。

当然，谈到导航，也不完全都是高科技，在我们的身边，就有非常多的导航原理的应用，以动物界的导航现象为例，动物界存在着主动式和被动式两种导航的方式，具体来说，例如蝙蝠采用回波定位的方式进行导航，沙蚁通过偏振光导航，信鸽则采用的是地磁导航；当
然，作为高等生物的人类，也具有很强的导航能力，人们通过太阳高度角认识季节，通过昼夜交替判断时间，通过日出日落判断东南西北，在人类的身体中，具有位置细胞，头部方向细胞和网格细胞，这些细胞都可以帮助人类进行导航。

因此，导航在我们生活的世界里无处不在，是一门非常重要的学科。

三.惯性导航简介
通过上面的介绍，我们可以发现，在现代导航技术中，惯性导航具有非常重要的地位，这是因为惯性导航是一种完全自主式的先进的导航系统，它是根据牛顿力学定律，利用惯性器件来测量运载体本身的加速度，经过一次积分得到物体的速度，在经过一次积分得到物体的位移即地理位置。

他能提供运载体姿态，速度和位置的导航信息，并且和外界不发生任何光电关系，因此隐蔽性好，工作不受气象条件的限制。

这一独立的优点使其成为航空航天航海领域中的一中广泛应用的主要导航方法。

下面对惯性导航进行介绍。

1.导航系统的理论基础
（1）1687年牛顿提出了力学和引力定律，是惯性技术的基础；（2）1765年俄国欧拉院士出版了“刚体绕定点转动的理论”的书，是陀螺仪理论的基础。

2.观星测量的基本原理
（1）牛顿第一定律：物体在不受外力的情况下，始终保持静止后匀速直线运动状态；
（2）牛顿第二定律：在宏观低速的情况下，物体的合外力等于物体的质量与加速度的乘积即F=m*a；
（3）牛顿定律在惯性空间始终成立。

3.惯性导航主要内容
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；反之，如果物体对于参考系没有发生任何位置变化，就说明该物体是静止的。

惯性导航是通过采用惯性仪表或装置（陀螺和加速度计），实时测量载体运动相对某一空间基准的三维空间导航坐标系中的加速度，经计算得到载体的实时速度、位置以及姿态信息。

为了保证加速度计的输出是导航坐标系中的矢量，根据构建导航坐标系方法和途径的不同，可将惯性导航系统分为两种类型：一种是采用物理平台模拟导航坐标系的系统，称为平台式惯性导航系统；另一种是采用数学算法确定导航坐标系的系统，称为捷联式惯性导航系统。

平台式惯性导航系统采用陀螺稳定平台来始终跟踪所需要的导航坐标系，以解决安装在稳定平台上的加速度计输出信号的基准问题。

例如，当选择当地水平
坐标系为导航坐标系时，通过陀螺的作用使平台始终跟踪当地水平面，三个直角坐标轴始终指向东、北、天方向，沿这三个坐标轴安装的加速度计分别测量出载体沿东西、南北和垂直方向的运动加速度。

将这三个方向上的加速度分量分别积分，便可以得到载体沿这三个方向的速度分量，即
将这三个方向上的速度分量再分别积分，便得到载体沿这三个方向的位置分量。

载体在地球上的位置用经度L 、纬度B 和高程H 表示，它们的时间变化率可由载体沿东、北和垂直方向的运动速度计算得到：
)()()()t (Φ
cos )()
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..
t v t H h M t v B h N t v t L u n
e =+=+= 其中，M,N 分别为地球参考椭球的子午圈曲率半径和卯酉圈曲率半径。

当将地球近似看成一个半径为R 的圆球时，则有M=N=R 。

在惯性导航系统中，陀螺提供载体的姿态改变量或它相对惯性空间的转动速率。

但是，加速度计却不能够将载体的总加速度即相对惯性空间的加速度与地球引力场引起的加速度分离。

这些传感器实际上提供的测量值是相对惯性空间的加速度与引力场吸引产生的加速度的代数和，简称比力(Specific Force)。

不论是平台式惯导系统，还是捷联式惯导系统，都要用到比力方程。

所以，对于惯性导航系统而言，需要联合有关载体转动测量值、比力和引力场的知识来计算相对于事先定义的参考框架中姿态、速度和位置的估计值，以实现其导航功能。

dt t a t v t v k t t e e k e )()()(00⎰+=dt t a t v t v dt t a t v t v k k
t t u u k u t t n n k n )()()()()()(0000⎰⎰+=+=
作为一种导航系统，惯性导航也有自己的不足之处，它也存在误差在分析惯导系统的工作原理时，是将惯导系统看成为一个理想的系统。

比如，认为指北方位系统的平台系真实地模拟了地理系。

但在实际惯导系统中，惯性元件、元件安装以及系统的工程实现中各个环节都不可避免地存在误差。

在这些误差因素影响下，惯导系统输出的导航参数不可避免地会有或大或小的误差，没有误差的导航系统是不存在的。

研究惯导系统误差的目的在于：通过分析确定各种误差因素对系统性能的影响，对关键元器件提出适当的精度要求；另一方面，借助误差分析，可以对系统的工作情况和主要元部件的质量进行评价；误差分析的结论是建立初始对准的理论基础，使惯导系统开始工作时有一个精确的初始条件；通过分析误差源对系统的影响，采取有效措施进行补偿，达到提高惯导输出参数精度的目的。

惯性导航系统性能的误差因素称为误差源，根据误差产生的原因和性质，惯性导航的误差源可以分为下面几种：
（1）元件误差：它包括加速度计和陀螺仪的不完善所引起的误差，主要指陀螺的漂移和加速度计的零位偏差，以及两个元件的刻度因数误差。

（2）安装误差：指加速度计和陀螺安装到平台台体上的不准确性造成的误差。

（3）初始条件误差：指初始对准及输入计算机的初始位置、初始速度不准所形成的误差。

（4）计算误差：测由于导航计算机的字长限制和量化器的位数限制
等所造成的计算误差。

（5) 原理误差：也叫编排误差。

是由于力学编排中数学模型的近似，地球形状的差别和重力异常等引起的误差。

例如、用旋转椭球体近似作为地球的模型，在导航参数的计算中就会造成误差；力学编排时忽略高度通道造成误差等。

（6）外干扰误差：包括两个方面：一是由于飞机机动飞行时的冲击及振动引起的加速度干扰；二是与惯导系统交联的其他导航设备带来的方位误差和位置及速度误差。

惯性导航的误差源不是彼此孤立的。

根据他们的来源、性质和对系统的影响，可以将其中的某几类归划到另几类中去，也可舍去一些次要因素，从而使问题的分析简单明了。

理论和实践证明，对惯性系统的工作性能影响较大的还是元件误差、安装误差和初始条件误差。

因此，为了减弱这些误差对惯性导航系统的影响，我们需要通过误差改正方程去提高导航的精度。

惯性导航具有很多优点，在很多方面都发挥着重要的作用，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。

一方面，陀螺的精度不断提高，漂移量可达10-6°/h ；另一方面，随着RLG、FOG、MEMS等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，SINS在低成本、短期中精度惯性导航中呈现出取代平台式系统的趋势。

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。

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。

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。

惯性导航系统能测量飞机各种导航参数，如位置、地速、航迹角、偏航角、偏航距离、风向、风速等；也能测量姿态参数，如俯仰角、倾斜角和航向等；与飞机其他控制系统配合，能完成对飞机的人工或自动驾驶。

惯性导航系统的优点是完全自主式的导航系统和系统校准后短时定位精确度高。

惯性导航系统的缺点是：存在积累误差，随时间定位精度低。

惯性导航系统往往在现代飞机上与大气数据系统结合，称为大气数据参照系统。

惯性导航技术在国防科技中占有非常重要的地位，广泛的运用于航天、航空、航海等军事领域；随着惯性技术和计算机技术的不断发展以及成本降低，近几年来，许多国家将其应用领域扩大到民用领域，
并发展开辟了更广阔的前景，例如广泛应用于地震、地籍、河流、油田的测量以及摄影、绘图和重力测量等方面。

惯性导航系统在军事上的运用是最为广泛的，代表了最为先进的惯性导航技术。

惯性制导的中远程导弹，一般来说命中精度的７０％左右取决于惯性导航系统的精度，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，而这些数据又是的潜艇初始状态参数，直接影响潜艇导弹的命中精度，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。

又比如，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。

这三大战略武器，如果没有精确的惯性制导或惯性导航配合，就不可能发挥其应有的战略威慑力量。

同样，对于各种巡航导弹、战术导弹、舰艇、歼击机、轰炸机、坦克等武器，也只有配备了惯性导航系统才能有效地发挥其战斗力。

正因如此，国外新机生产无不装备惯性导航系统。

惯性导航技术不断拓展到新的应用领域，其范周已经由原来的陆地车辆、船舶、舰艇、航空飞行器等扩展到了大地测量、资源勘测、地球物理测量、海洋探测、铁路、隧道、航天飞机、星际探测、制导武器等各个方面，尤其实在军事战争方面，海湾战争和伊拉克战争中，以军和美军就采用了GPS／INS[5]作为中段制导，红外成像、地形辅
助、图像匹配作为末段制导的复合式制导方式的精确制导武器如，SLAM和“战斧”巡航导弹，联合直接攻击弹药(JDAM)等在战争中发挥强大的摧毁性作用。

在我们日常生活中的必备用品中，如：摄影机、儿童玩具中惯性导航技术也被广泛应用。

在惯性导航系统研究方面，价格低廉且体积小和高精度、高性能的惯性传感器，是未来一段时间内的发展方向。

惯性导航技术将在未来导航定位系统中扮演十分重要角色。

1990年代以后，惯导系统和GPS的互补性在各种国际学术会议和科技文献中得到反复强调，因为与其他导航系统相比，GPS在精度上具有压倒性的优势，但惯性系统的完全自主的特性是GPS所不具备的，所以，惯导与GPS相组合已成为导航领域的重要发展方向。

随着航行体机动性的增大、航程加长、可靠性要求的增高，均要求实现多信息的组合提高导航系统的余度和容错能力。

因此，出现了地形辅助惯性导航系统、多普勒惯性组合导航系统、合成孔径雷达惯性组合导航系统（INS/SAR）等多种组合导航方式，它们各自取长不短，不仅使组合后的导航精度要高于两个系统单独工作的精度，而且扩大了系统的使用范围，增强了系统的可靠性。

四.对导航应用的设想
通过这学期的导航概论课程的学习，结合自己在这学期对无人机的使用，我认为导航技术可以在无人机上面发挥更大的作用，现在比较先进的无人机都具有自主导航的功能就是在WiFi传图信号不好或
者外界干扰较强的情况下，无人机会不受遥控器控制，但是一旦出现这种情况，无人机就会很安全的自动返航，这就要求无人机本身可以记得之前飞过的位置，路线，并能够从当前位置自主导航至起飞点，从而保证设备和数据的安全。

但是现在的无人机在一些较为复杂的情况下的飞行还是不太稳定，即时能够在这样的环境中飞行，如高楼林立的城市，偏远的山区，这些信号干扰比较强烈或者信号非常不好的地方，无人机的成本非常高，为了节约成本，我们必须要找到非常稳定的导航系统，在较为复杂的环境中也能精确导航，使无人机安全快速的飞行。

在大学校园中，每天有很多同学点外卖，所以我们经常能看到路上有很多飞驰而过的电动车，这些电动车看起来是为同学们提供了很大的方便，但是在校园里驾驶电动车穿梭总是会带来不安全的因素，因此，我认为可以尝试使用无人机进行外卖的送餐，可以在每个宿舍楼的顶层设计停机坪，由无人机进行外卖的配送，这样不仅仅能减少校园中的电动车数量，保障同学们的安全，同时，也能使同学们尽快的吃上饭菜，但是在校园里面飞行，也要注意低空的信号干扰，这一点可以使用不受外界干扰的惯性导航来解决，这样的设想虽然看起来很好，但是实践起来却还需要各个方面的知识相结合，做出成本低，导航性能好，遥控距离远的送餐无人机。

同样，如果能做出更强大的无人机，那么网购的配送也可以使用这种方法，只是，这种方法对无人机的续航能力和载重有很高的要求。

导航学是一门非常具有发展空间和价值的学科，在当今这个追求效率和速度的时代，导航一定会有更长远的发展。

五.对导航概论课程的建议
1.导航概论这门课由于是一门概论类型的课程，目的是为了让同学们更好的了解导航，而不是去理解，应用一些复杂的原理或者计算方法，因此希望老师们在讲课的时候能够尽量避开这些很难理解的原理，多举一些例子去说明导航的相关知识，如本节课程的倒数第二节课程，老师通过讲述DH-10型导弹的相关知识来讲解导航原理，就非常生动形象，毕竟我们现在才大二，很多专业上面所需要的知识储备还不完善，因此，希望老师能够多举例子少讲解原理；
2.导航概论这门课程每一节课都是不同的老师来讲解，虽然这样能够让同学们了解不同老师研究的不同方面的内容，但是同学们学到的东西不是特别的系统，每节课之间的关联不是非常强，因此每次上课的时候，很多上次课讲过的东西就印象不深了，因此希望以后这门课程能够由固定的老师进行讲解，这样能让同学们得到相对系统的知识；
3.导航概论这门课程学院没有统一购买上课所需的课本，很多同学六周的课程结束后，都没有记一个字的笔记，更谈不上系统的看一看课上讲解的内容，虽然是一门概论课，但是还是希望学院能够统一购买课程的教材。

参考文献
1.《导航学》（武汉大学测绘工程本科专业讲义）
2.《导航定位基础》王威编著科学出版社
3.《定位技术》杨恒李彬郭丹编著电子工业出版社
4.《GPS惯性导航组合》[美]Grewal 编著电子工业出版社
5.《惯性导航系统》国防工业出版社
6.《惯性导航》朱家海编著国防工业出版社
7. 《惯性导航原理》以光衢编著哈尔滨工业大学出版社
8. 秦永元. 惯性导航[M]. 北京:科学出版社,2006 [2]张爱军. 惯性导航1[R]. 导航定位技术概论,2012
9. 李俊博，朱涛，邹艳忠. 陀螺稳定系统参数测试仪设计[J]. 计算机测量与控制, 2011
10. 袁赣南,周卫东,刘利强,王伟等. 导航定位系统工程[M]. 黑龙江:哈尔滨工程大学出版社,2009
11.张曦文,陈燕飞. GPS／INS复合制导技术[J]. 情报指挥控制系统与仿真技术,2005。