第16章 电子仪表系统-2惯性导航系统
《惯性导航系统》学习指南
学习指南《惯性导航系统》课程包括惯性导航基础、惯性元件、惯性平台、平台式惯导原理、捷联式惯导原理等5个单元的内容。
由于本门课程具有：涉及知识面宽，与物理学、工程力学、控制科学、材料学、计算机科学等知识联系紧密；教学内容丰富，数学公式复杂，空间关系抽象，逻辑推理和形象思维要求高的课程特点，导致课程在教学过程易于出现教师难教、学生难学的现象。
为帮助大家学好本门课程，我们给出学习建议，供大家参考。
一、课程前后关系1．前置课程本门课程是电气工程及其自动化和自动化等专业的专业基础课，根据专业人才培养方案和课程自身的知识体系结构，学习本门课程需要具备《物理学》、《理论力学》、《电机学》、《电路原理》、《模拟数字电路》、《自动控制原理》和《陀螺原理》等相关课程的专门知识，这些知识是学好本门课程的重要基础。
2．后续课程本门课程的后续课程主要有《飞行控制系统》、《组合导航系统》、《机载航电设备》等。
学好本门课程可以为上述课程的学习打下良好的学习基础。
二、主讲教材与参考教材1．主讲教材本门课程的主讲教材是2008年9月国防工业出版社出版的空军航空机务体系统编教材《惯性导航》。
该教材从惯性导航基础、惯性元件、惯性平台、平台式惯导原理、捷联式惯导原理五个知识模块，系统阐述了惯性导航基本概念、基本原理和基本结构。
教材针对惯性导航理论抽象、复杂的特点，特别加强了空间概念、坐标系转换和惯导几何位置关系的物理解释，惯性导航方程、力学编排方程、误差方程、对准方程等复杂公式推导过程的物理本质分析，以便于读者加深对惯性导航内涵和实质的理解。
2．参考教材本门课程为广大读者提供了大量辅助参考资料，参考资料包括参考教材、学位论文、学术论文三个类别。
这些参考资料有助于读者全面了解惯性导航及相关领域的知识结构，惯性导航理论和技术的发展方向。
以下给出的是主要参考教材清单。
（1）《惯性导航与组合导航》，张宗麟，北京，航空工业出版社，2000年8月（2）《惯性导航》，秦永元，北京，科学出版社，2006年5月（3）《捷联惯性导航技术》（英）David H.Titterton，北京，国防工业出版社，2007年12月（4）《惯性器件与惯性导航系统》，邓志红，北京，科学出版社2012年6 月（5）《光纤陀螺仪》，（法）Hrtve G. Lefevre，北京，国防工沛出版社，2002年1月（6）《陀螺原理》，许江宁，北京，国防工业出版社，2005年1月（7）《无陀螺捷联式惯性导航系统》，史震，哈尔滨，哈尔滨工程大学出版社，2007年8月（8）《惯性导航与组合导航基础》，刘智平，北京，国防工业出版社，2013年6月（9）《惯性技术》，邓正隆，哈尔滨，哈尔滨工业大学出版社，2006年2月（10）《惯性仪器测试与数据分析》，严恭敏，北京，国防工业出版社，2012年11月三、课程知识要点与学习方法（一）课程知识要点本门课程的惯性导航基础、惯性元件、惯性平台原理、平台式惯导原理和捷联式惯导原理5个知识模块，按照:惯性导航的基本思想是加速度的积分推算→惯性元件的作用是载体基本运动参数（线运动参数和角运动参数）的测量→惯性平台的作用是保障载体加速度的精确测量并隔离载体运动对惯性元件的影响→平台式惯性导航的原理涵盖导航方程建立、力学关系编排、导航参数解算、导航误差分析、初始导航基准建立→捷联式惯性导航的原理涵盖数学平台作用、导航位置与姿态方程建立、力学关系编排、导航参数解算、导航误差分析、初始导航基准建立的逻辑关系，构成惯性导航理论的知识体系。
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。
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
惯性导航系统概论惯性导航
惯性导航系统概论惯性导航惯性导航系统（Inertial Navigation System，简称INS）是一种利用陀螺仪和加速度计等惯性传感器，通过测量物体的加速度和角速度来推导出物体的位置、方向和速度的导航系统。
与传统的基于外部引导信号的导航系统相比，惯性导航具有独立、快速响应和高精度等优点，因此在航空航天、船舶、火箭、导弹等领域得到广泛应用。
传感器部分是惯性导航系统的输入部分，主要由陀螺仪和加速度计两种惯性传感器组成。
陀螺仪用于测量物体的角速度，加速度计用于测量物体的线加速度。
陀螺仪通常有旋转式陀螺仪和光纤陀螺仪两种类型，光纤陀螺仪具有高精度和长寿命等优点。
加速度计常用的有压电式加速度计和微机械加速度计等。
计算部分是惯性导航系统的核心部分，主要包括运动方程、数值积分和误差补偿三个模块。
在运动方程模块中，根据牛顿第二定律和角动量守恒定律，建立物体的运动方程。
在数值积分模块中，对加速度和角速度数据进行积分，得到物体的速度和位移。
在误差补偿模块中，对传感器测量误差进行补偿，提高导航系统的精度和稳定性。
惯性导航系统的工作过程可以简单描述为：系统首先将初始位置和方向输入，并根据运动方程和数值积分推导出物体的速度和位移。
然后，系统利用传感器测量物体的加速度和角速度，并进行误差补偿，对上一时刻的位置和方向进行更新。
通过不断重复上述步骤，惯性导航系统能够实时更新物体的位置、方向和速度信息。
惯性导航系统具有许多优点。
首先，惯性导航系统不依赖于外部引导信号，具有独立工作的能力，能够在无GPS信号或其他导航信号的情况下进行导航定位。
其次，惯性导航系统响应速度快，能够实时更新导航信息，适用于需要高频率更新的应用场景。
此外，惯性导航系统具有高精度的特点，可以满足精密导航的需求。
然而，惯性导航系统也存在一些问题。
由于传感器测量误差的存在，惯性导航系统会产生导航漂移问题，即导航误差会随着时间的推移不断累计。
为了解决导航漂移问题，可以采用多传感器融合技术，将惯性导航系统与其他导航系统（如GPS）相结合，提高导航精度和可靠性。
第16章电子仪表系统-2惯性导航系统
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
三、陀螺仪表 （1）地平仪（三自由度陀螺）
地坪仪的测量原理
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
功用：测量并指示飞机俯仰和倾斜角的姿态仪表。 原理：自转轴与当地地平面垂直，利用陀螺的定轴性稳定了 地平面，飞机相对该地平面的角度便是姿态角。
但三自由度陀螺只有 定轴性，并无自动定 向性，加上陀螺的漂 移，所以利用有自动 敏感地垂线的单摆， 作为敏感元件，控制 陀螺自转轴与当地地 垂线重合，即模拟了 地垂线。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
地平仪
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
地平仪
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统 备用姿态仪（三自由度陀螺）
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
（2）转弯协调仪（两自由度陀螺）
①转弯仪 指示飞机的转弯方向，粗略反映飞机转弯的快慢程度。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
（3）惯性系统显示组件
惯性系统显示组件（ISDU）提供机组与IRU之间的联 系，主要用来做数据引进、系统状态通告、导航信息选 择显示。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
显示选择：控制左、右显示窗上导航数据的显示： TK/GS——航迹角/地速； PPOS——飞机当前位置的经、纬度； WIND——风速和风向； HDG/STS——航向/状态； TEST——提供测试信号给选择的IRU； BRT——调节显示窗的亮度。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
（3）姿态指引仪
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
（4）陀螺罗盘
惯性导航课件
三、惯导3系.1平统台式的惯分导系类统
图3.1 惯导平台弹
将陀螺仪和加速度等惯性元件通过万向支架 角运动隔离系统与运动载物固联的惯性导航系 统。早期的惯导系统由于采用了机械式精密稳 定平台，被称为平台惯式性导惯航 导系统，它不仅体积
三、惯导系统的分类
3.2捷联式惯导系统
捷联惯导系统（SINS）是在平台式惯导系统基础上发展而来的， 计算机的发展，激光陀螺仪技术的成熟 ，使捷联惯导系统逐步取 代了平台惯导系统。 捷联惯导系统除了具有结构简单 成本低 体积 重量小 准备时间短 MTBF长等优点
光纤陀螺的主要优点在于高可靠性、长寿命、快速启动、耐冲 击和振动、对重力 g 不敏感、大动态范围等。
目前光纤陀螺的精度已可达到0.0002º/h[18]，同时从上世纪90 年代起，0.1º/h的中精度干涉型光纤陀螺IFOG 已投入批量生产。光 纤陀螺技术领域，美国在理论、测量技术和光纤元器件开发上领先 的单位是斯坦福大学和MIT。
（1）红外定位技术
（2）蓝牙定位技术惯性导航
四、惯性技术的应用
通过使用智能手机中的加速度传感器来测量行走的步长和步数， 方向传感器测量行走的角度。在用户行走的路径上布设NFC标签， 触碰NFC标签来对用户当前所在的位置进行校正，将这三种传感器 结合起来，形成了基于多传感器的导航定位流程图。
4.2 NFC+惯导系图统结构图
惯性导航
五、惯性导航发展趋势
5.1惯性测量传感器的发展趋势 惯性测量传感器的发展须要权衡以下几个因素：精确性、连续 性、可靠性、成本、体积/重量、功耗。
5.1 惯性传感器考虑因素
惯性导航
五、惯性导航发展趋势
5.2惯性导航系统发展方向
惯性导航系统发展方向： ① 必须针对并满足应用的需求② 实际 的应用环境是最大的挑战③ 提高惯性导航系统的通用性，拓展应 用领域。
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
惯性导航系统
惯性导航系统一、惯性导航系统（Inertial Navigation System，INS）1、基本观点惯性导航系统（ INS）是一种不依靠于外面信息、也不向外面辐射能量的自主式导航系统。
其工作环境不单包含空中、地面，还能够在水下。
惯性导航系统目前已经发展出挠性惯导、光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表等多种方式。
陀螺仪由传统的绕线陀螺发展到静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机械陀螺等。
激光陀螺丈量动向范围宽，线性度好，性能稳固，拥有优秀的温度稳固性和重复性，在高精度的应用领域中向来占有着主导地点。
因为科技进步，成本较低的光纤陀螺（ FOG）和微机械陀螺（ MEMS）精度愈来愈高，是将来陀螺技术发展的方向。
我国的惯导技术最近几年来已经获得了长足进步，液浮陀螺平台惯性导航系统、动力调谐陀螺四轴平台系统已接踵应用于长征系列运载火箭。
其余各种小型化捷联惯导、光纤陀螺惯导、激光陀螺惯导以及般配 GPS修正的惯导装置等也已经大批应用于战术制导武器、飞机、舰艇、运载火箭、宇宙飞船等。
如漂移率0.01 ° - 0.02 °/h 的新式激光陀螺捷联系统在新式战机上试飞，漂移率0.05 °/h 以下的光纤陀螺、捷联惯导在舰艇、潜艇上的应用，以及小型化挠性捷联惯导在各种导弹制导武器上的应用，都极大的改良了我军装备的性能。
惯性导航系统有以下主要长处：（ 1）因为它是不依靠于任何外面信息，也不向外面辐射能量的自主式系统，故隐蔽性好，也不受外界电磁扰乱的影响；（ 2）可全天流全世界、全时间地工作于空中、地球表面以致水下；（ 3）能供给地点、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好并且噪声低；（ 4）数据更新率高、短期精度和稳固性好。
其弊端是：（1）由于导航信息经过积分而产生，定位偏差随时间而增大，长久精度差；（2）每次使用从前需要较长的初始瞄准时间；（3）设施的价钱较昂贵；（4）不可以给出时间信息。
惯性导航系统
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目录1.惯性导航系统的概念.........................22.惯导系统的发展历史及发展趋势 (3)惯性导航系统的发展.......................3我国的惯性导航系统.......................5捷联惯导系统现状及发展趋势...............63.惯性导航系统的组成........................104、惯性导航系统的工作原理....................145、惯性导航系统的功能.......................186、惯性导航系统的服务模式与应用模式..........207、惯性导航系统当前的应用情况................218、惯性导航系统的特点 (23)系统的主要优点......................23系统的主要缺点.....................249、惯性导航系统给我们的启示. (24)1惯性导航系统一、惯性导航系统的概念什么是惯性导航或惯性制导呢?惯性导航系统（Ins）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。
在给定的运动初始条件（初始地理坐标和初始速度）下，利用惯性敏感元件测量飞机相对惯性空间的线运动和角运动参数，用计算机推算出飞机的速度、位置和姿态等参数，从而引导飞机航行。
推算的方法是在运载体上安装加速度计，经过计算(一次积分和二次积分)，从而求得运动轨道(载体的运动速度和距离)，进而进行导航。
在运载体上安装加速度计，用它来敏感、测量运载体运动的加速度，经过计算(一次积分和二次积分)，从而求得运动轨道(运载体运动的速度和距离)，并且产生对运载体运动所需要的控制信号，控制运载体按要求弹道运动，称为惯性制导。
惯性导航系统_牛小骥_课件2a
2
Az. Misalignment = 35 arc-min
101
Gyro Angle Random Walk deg./rt-h
102
陀螺噪声对初始对准的影响
航向角精度依赖于?
Min. Alignment time
Az. Misalignment = 3 deg.
Az. Misalignment = 5 deg.
ωie ⋅ cos φ n ωie = 0 ωie ⋅ sin φ
υ = γ × ωie
g
[γ
n
ω
n ie
υ ] = C ⋅ [γ
n n b
b
ω
b ie
υ
b
]
φ
105 106
姿态的表示方法(续)
INS 算法
Normal Gravity +
fb
Rb
+ _Байду номын сангаас
V
∫
V
∫
ϕ, λ, h
Gyro Drift = 0.2 deg/hr
HG1700 LTN-200
Gyro Drift = 0.02 deg/hr
Gyro Drift = 0.02 deg/hr Gyro Drift = 1 deg/hr
Latitude (deg)
99
Latitude (deg)
100
陀螺噪声对初始对准的影响 - 时间 vs. 精度
Ze
ωe
Greenwich Meridian
Ye
φ λ
Equator
Xe
* WGS84 ?
91 92
Local-Level-Frame (LLF, n-frame)
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
惯性导航系统简述
来越多，而惯性导航技术作为多种导航手段 惯性导航系统所配备陀螺仪的技术水平与先进 性平台工作状态，但是在实际的惯性导航系统
中的一种，其发展历程已有半个多世纪。从 程度代表着科技的水平。同惯性技术一样，陀 中，这两种工作状态同时作用，关系紧密。
1923 年奠定惯性导航技术理论基础的“舒拉 螺仪的发展也经历了四个阶段。从采用滚珠轴
移方式分类可分为线性加速度计和摆式加速度 们的需求。于是，挠性陀螺仪应运而生。挠性
[2]DavidH.Titterton,JohnL.Weston. 捷
计；按支承输出轴的方式可分为宝石轴承支承、 陀螺仪的转子安装在支承外面，从而大大减小 联惯性导航技术 - 第 2 版 [M]. 北京 : 国防工
液浮支承、挠性支承等支承方式；按工作原理 了其体积与质量，因此它能创造较低的制造成 业出版社 ,2007.
缺的。理论的发展推动着技术的更新，在惯性 那么它的制作工艺将更加复杂，制作成本也
参考文献
导航的发展过程中，加速度计的种类日趋繁多， 将大大提高。因此，寻找到一种能大大节约成
[1] 李晓峰 . 捷联惯导和组合导航的仿真
常用的分类方式有以下几种：按检测质量的位 本，同时又不损失较大精度的陀螺仪成为了人 研究 [D]. 西安 : 西安电子科技大学 ,2010.
[4]R.P.G, 柯 林 逊 , 王 钟 毓 . 捷
应用在惯性导航系统中最早的一种加速度 度的时间缩短，从而减小了惯性导航系统的准 联 式 惯 性 导 航 系 统 [J]. 航 空 火 控 译
技术论坛
TECHNOLOGY FORUM
中国航班
CHINA FLIGHTS
惯性导航系统简述
赵志翊 赵万里 | 陆军航空兵学院
导航系统-惯性导航资料
2018年11月27日
导航系统
9
导航系统--区域导航
二自由度导航系统简要原理
2018年11月27日
导航系统
10
导航系统--区域导航
惯导平台
2018年11月27日
导航系统
11
导航系统--区域导航
坐标系之间的转换关系
在飞机上模拟惯性坐标系或地理坐标系
利用三自由度自由陀螺或定位陀螺来模拟惯性系或地理系
2018年11月27日
导航系统
5
导航系统--区域导航
惯导传感器部件
上盖
加速度计
电路板
激光陀螺(RLG)
电源
外壳
高压电源
2018年11月27日
导航系统
6
导航系统--区域导航
INS/GPS 组合部件
2018年11月27日
导航系统
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导航系统--区域导航
惯导基本原理
2018年11月27日
导航系统
8
导航系统--区域导航
绕着Z2轴相对内框架转过γ 角，可以得到
x' cos y ' sin z ' 0
sin cos 0
0 x2 x2 y R y 0 （ ) 3 2 2 1 z2 z2
导航系统--区域导航
x' X y ' R ( ) R ( ) R Y （ ） 3 2 1 z' Z 0 cos sin 0 cos 0 sin 1 0 0 cos sin cos 0 1 0 0 1 0 sin 0 cos 0 sin
《惯性导航系统》课件
轨道监测。
惯较高的测量精度，适用于精密导航和定位。
可靠性
不受外界环境干扰，适用于复杂环境和恶劣条件。
鲁棒性
不受信号遮挡和干扰，适用于密集城市和山区等特殊环境。
惯性导航系统的发展趋势
1
集成化
将惯性传感器和导航算法集成在一起，提高系统性能。
2
精度提升
《惯性导航系统》PPT课
件
本课件介绍了惯性导航系统的定义、组成和原理，以及在航空、航海、矿业
和地震勘探等领域的应用场景。
什么是惯性导航系统
惯性导航系统是一种利用惯性传感器测量和计算对象运动状态和位置的系统。
惯性导航系统的应用场景
1
航空 ✈️
2
飞机、无人机等飞行器的导航和姿态控
航海 ⛵️
船舶的导航、位置定位和目标跟踪。
引入更精密的传感器技术和导航算法，提高导航精度。
3
多源数据融合
融合其他导航系统数据，提高位置和姿态的准确性。
惯性导航系统的应用前景
航空航天领域
工业制造领域
军事领域
飞行器导航、姿态控制和自主
机器人导航、定位和轨迹规划
武器系统导航、目标跟踪和战
导航技术的重要组成部分。
的关键技术。
场监测的重要手段。
结论
惯性导航系统在现代导航领域具有重要作用，随着技术的不断发展，其应用
前景将更加广泛。
制。
3
矿业 ⛏️
地下矿场的测量和导航。
4
地震勘探
地震仪的定位和震源分析。
惯性导航系统与其他导航系统的比较
GPS
北斗卫星导航系统
轨道测量系统
全球卫星定位系统，依赖卫
中国自主建设的卫星导航系
《惯性导航系统》学习指南
学习指南《惯性导航系统》课程包括惯性导航基础、惯性元件、惯性平台、平台式惯导原理、捷联式惯导原理等5个单元的内容。
由于本门课程具有：涉及知识面宽，与物理学、工程力学、控制科学、材料学、计算机科学等知识联系紧密；教学内容丰富，数学公式复杂，空间关系抽象，逻辑推理和形象思维要求高的课程特点，导致课程在教学过程易于出现教师难教、学生难学的现象。
为帮助大家学好本门课程，我们给出学习建议，供大家参考。
一、课程前后关系1．前置课程本门课程是电气工程及其自动化和自动化等专业的专业基础课，根据专业人才培养方案和课程自身的知识体系结构，学习本门课程需要具备《物理学》、《理论力学》、《电机学》、《电路原理》、《模拟数字电路》、《自动控制原理》和《陀螺原理》等相关课程的专门知识，这些知识是学好本门课程的重要基础。
2．后续课程本门课程的后续课程主要有《飞行控制系统》、《组合导航系统》、《机载航电设备》等。
学好本门课程可以为上述课程的学习打下良好的学习基础。
二、主讲教材与参考教材1．主讲教材本门课程的主讲教材是2008年9月国防工业出版社出版的空军航空机务体系统编教材《惯性导航》。
该教材从惯性导航基础、惯性元件、惯性平台、平台式惯导原理、捷联式惯导原理五个知识模块，系统阐述了惯性导航基本概念、基本原理和基本结构。
教材针对惯性导航理论抽象、复杂的特点，特别加强了空间概念、坐标系转换和惯导几何位置关系的物理解释，惯性导航方程、力学编排方程、误差方程、对准方程等复杂公式推导过程的物理本质分析，以便于读者加深对惯性导航内涵和实质的理解。
2．参考教材本门课程为广大读者提供了大量辅助参考资料，参考资料包括参考教材、学位论文、学术论文三个类别。
这些参考资料有助于读者全面了解惯性导航及相关领域的知识结构，惯性导航理论和技术的发展方向。
以下给出的是主要参考教材清单。
（1）《惯性导航与组合导航》，张宗麟，北京，航空工业出版社，2000年8月（2）《惯性导航》，秦永元，北京，科学出版社，2006年5月（3）《捷联惯性导航技术》（英）David H.Titterton，北京，国防工业出版社，2007年12月（4）《惯性器件与惯性导航系统》，邓志红，北京，科学出版社2012年6 月（5）《光纤陀螺仪》，（法）Hrtve G. Lefevre，北京，国防工沛出版社，2002年1月（6）《陀螺原理》，许江宁，北京，国防工业出版社，2005年1月（7）《无陀螺捷联式惯性导航系统》，史震，哈尔滨，哈尔滨工程大学出版社，2007年8月（8）《惯性导航与组合导航基础》，刘智平，北京，国防工业出版社，2013年6月（9）《惯性技术》，邓正隆，哈尔滨，哈尔滨工业大学出版社，2006年2月（10）《惯性仪器测试与数据分析》，严恭敏，北京，国防工业出版社，2012年11月三、课程知识要点与学习方法（一）课程知识要点本门课程的惯性导航基础、惯性元件、惯性平台原理、平台式惯导原理和捷联式惯导原理5个知识模块，按照:惯性导航的基本思想是加速度的积分推算→惯性元件的作用是载体基本运动参数（线运动参数和角运动参数）的测量→惯性平台的作用是保障载体加速度的精确测量并隔离载体运动对惯性元件的影响→平台式惯性导航的原理涵盖导航方程建立、力学关系编排、导航参数解算、导航误差分析、初始导航基准建立→捷联式惯性导航的原理涵盖数学平台作用、导航位置与姿态方程建立、力学关系编排、导航参数解算、导航误差分析、初始导航基准建立的逻辑关系，构成惯性导航理论的知识体系。
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第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统 显示选择：控制左、右显示窗上导航数据的显示： TK/GS——航迹角/地速； PPOS——飞机当前位置的经、纬度； WIND——风速和风向； HDG/STS——航向/状态； TEST——提供测试信号给选择的IRU； BRT——调节显示窗的亮度。 系统显示电门选择左或右IRU在显示器上显示计算的导 航参数。当显示选择电门在测试位时，可选择需要测试的 IRU。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
（2）导航方式
当系统完成对准(ALIGN)并顺利通过时，将方式选择电门 放到导航位(NAV)，系统将自动进入导航方式，进行独立的惯 性计算。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
快速对准
当IRS正常对准后，由于起飞延误，滑行等待，可以 重新对准。 快速校准的方法是:MSU开关由NAV位转回到ALIGN位，时 间大于30秒后，再转回到NAV位。这时ALIGN灯亮，系统 重新进行水平和航向调整，速度调为零，当开关又重新 拨回到NAV位时， ALIGN灯熄灭。 快速校准的先决条件是: IRS在正常工作，MSU开关已在NAV位； 地速（GS）小于20KT（海里/小时）。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
磁罗盘
通过感受地磁场来测量飞机的磁航向。 磁罗盘的内部装有可以自由转动的磁条和固定在磁条 上的0 -360度刻度盘，而且刻度盘的0 (N)-180度(S)线与磁 条一致，让磁条的北极(N极)指向180度方向，南极(S极)指 向0度方向。 在磁罗盘的表壳上还固定有航向标线，它代表飞机的纵 轴线位置。当飞机航向改变后，磁条和刻度环不动，表壳上 的航向标线随飞机一起转动，相对于刻度盘转动一定角度。 这样，航向标线在刻度盘上所对的刻度读数就是磁子午线与 飞机纵轴在水平面上的夹角，即飞机的磁航向。
①指示转弯方向； ②指示转弯的快慢； ③V一定条件下无侧 滑转弯的倾斜角。
转弯仪
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
②侧滑仪
用来及时发现侧滑。侧滑仪是用单摆原理制成的，其敏感部 分是一个小球，可在弯曲的玻璃管中自由滚动。管内装有透 明的阻尼液(如甲苯)，对小球的运动起阻尼作用。侧滑仪一 般与转弯仪安装在一起，配合使用。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
1.惯性原理
在模拟地理坐标系的水平指北平台上沿坐标系各轴方 向装三个加速度计，它们的三个测量轴是东向轴，北向轴 和垂直方向轴(天轴)。飞机以任意向量加速运动时，便可 测得东、北、天三个方向的加速度分量，然后通过力学分 析和计算，就可得到所需要的所有导航参数。 由于飞机的速度和位置是由测得的加速度经过积分而 得到的，因此必须知道初始条件，如初始速度和位置。在 静基座(地面)情况下，初始速度为零，初始位置为当地的 经、纬度。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
（3）姿态（ ATT）方式
放在ATT位时，IRU进入姿态方式。姿态方式是备用工作 方式，只有在下列条件使用ATT方式： 飞行中，工作在NAV方式，监控系统探测到某些故障，MSU 上FAULT灯亮。 短航线飞行（或其他原因）不需要NAV方式时，不需要提供 地速、位置、航迹等其他导航数据。 在姿态基准方式，惯性基准系统只提供飞机的俯仰角、 倾斜角和航向(角)。在引进磁航向基准时，可提供磁航向 。 注：一旦转到ATT位，再转到ALIGN/NAV无效，除非在地面断 电（OFF）后，飞机静止条件下由ALIGN顺序进行。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统 陀螺半罗盘
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
航向指示器
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
RMI
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
陀螺磁罗盘
磁罗盘具有自动定向的特性，但稳定性差；陀螺半罗盘 有很好的稳定性，但不能自动定向。 将磁罗盘和陀螺罗盘结合在一起构成陀螺磁罗盘，可以 测量稳定的磁航向。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
三、陀螺仪表 （1）地平仪（三自由度陀螺）
地坪仪的测量原理
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
功用：测量并指示飞机俯仰和倾斜角的姿态仪表。 原理：自转轴与当地地平面垂直，利用陀螺的定轴性稳定了 地平面，飞机相对该地平面的角度便是姿态角。
但三自由度陀螺只有 定轴性，并无自动定 向性，加上陀螺的漂 移，所以利用有自动 敏感地垂线的单摆， 作为敏感元件，控制 陀螺自转轴与当地地 垂线重合，即模拟了 地垂线。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
②方式选择开关
惯性基准系统的工作方式为对准方式、导航方式、姿 态基准方式和断开方式。 （1）校准方式(ALIGN) 当MSU选择在ALIGN方式时，IRU通电并需要大约10分钟 进行正常对准程序。 校准：就是系统建立或寻找当地的地垂线和确定当地的真 北方向。即根据地球自转和重力特性而对准到当地地垂线 和真北方向上，并估算当地纬度。在对准完成前，必须引 进现在位置。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
地平仪
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
地平仪
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统 备用姿态仪（三自由度陀螺）
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
（2）转弯协调仪（两自由度陀螺）
①转弯仪 指示飞机的转弯方向，粗略反映飞机转弯的快慢程度。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
（3）姿态指引仪
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
（4）陀螺罗盘
三自由度陀螺仪的在惯性空间具有定轴性，将陀螺 自转轴置于水平位置，并调整到指北方向，并以它作为 航向测量基准，可以指示出飞机的航向。 由于陀螺自转轴不能自动找北，只起到半个罗盘的 作用，故称为陀螺半罗盘。
第十六章 电子仪表系统
惯性基准系统（IRS）
中国民航大学 空管学院
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
一、概述
惯性导航系统主要是应用敏感元件陀螺和加速度计来实 现的。 利用惯性元件（加速度计）测量飞机相对与惯性空间的 线运动和角运动参数，在给定的初始条件下，通过导航计算 机的积分运算，确定飞机的姿态、方位、速度、位置，引导 飞机沿区域导航航路飞行的领航系统。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
2.功用
可以测量出飞机的：
① 经纬度位置; ② 南北和东西向速度 ③ 俯仰角、倾斜角 ④ 高度、升降速度; ⑤ 地速 ⑥ 真航向、磁航向等导航参数。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
二、陀螺原理
陀螺：是绕一支点高速旋转的物体。Leabharlann ①二自由度②三自由度
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
陀螺仪总是绕着与外力矩矢量相垂直的方向的转动，这一 特性称三自由度陀螺的进动性。 进动性
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
进动性
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统 当陀螺受常值外力矩作用时，陀螺不在受力的平面上转动。 当外力矩M矢量沿内框轴方向时，陀螺绕外框轴转动；相反， 当外力矩M矢量沿外框轴方向时，陀螺绕内框轴转动。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
（1）惯性基准组件
完成惯导系统的角速度、加速度测量和导航解算任务。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
（2）方式选择组件
用于选择IRS的工作方式，并可显示其工作或故障状态。 方式选择电门有： OFF-断开； ALIGN-对准； NAV-导航； ATT-姿态。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
四、惯性基准系统 1.IRS组成
惯性基准组件IRU (2个)-导航计算 方式选择组件MSU( 1个公用的)-提供系统方式选择功能; 惯性系统显示组件ISDU(1个)-提供操作者与系统之间的联
系; 数模转换器DAA(2个)-将接收到的数字输入信号转换成模拟 信号输出; 在有的飞机上将惯导系统和大气数据系统综合到一起，形成 大气数据惯性基准系统(ADIRS)。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
磁罗盘
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
惯性导航系统的特点：
优点：惯性导航系统不依赖任何外界信息来测量导航参数， 因此不受天气或人为的干扰，具有很好的隐蔽性，是一种 完全自由式导航系统。
缺点：定位误差随时间而积累，长时间工作会产生超出允 许范围的积累误差。此外，陀螺、加速度计、计算机的精 度要求高。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
（4）数模转换器 “HONZYWELL”生产 的DAA是IRS的组成 部件之一，它与其 它飞机系统相联， 以处理与IRS状态 无关的信号。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
（4）断开方式（OFF）
将方式选择开关置OFF位即断开位置时，经过30秒延时 后，除了保持断开逻辑电路的电源外，IRS的全部供电电源 均被断开，IRS系统不能工作。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
（3）惯性系统显示组件
惯性系统显示组件（ISDU）提供机组与IRU之间的联 系，主要用来做数据引进、系统状态通告、导航信息选 择显示。
二、陀螺原理
陀螺主要有两个基本特性：稳定性和进动性。
1.定轴性
当三自由度陀螺转子高速旋转后，若不受 外力矩的作用，不管基座如何转动，支撑 在万向支架上的陀螺仪自转轴指向惯性空 间的方位不变，这种特性叫“定轴性”。
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
定轴性
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
2.进动性
第十六章 电子仪表系统-惯性导航系统
①通告牌
对准(ALIGN)通告牌（白色）——IRU在对准期间，该灯稳 亮。当系统存在一些情况需要提醒操作者注意时， “ALIGN”灯闪亮； 直流供电(ON DC)通告牌（琥珀色）——当IRU失去115伏 400HZ交流电源，IRU使用28V备用电瓶供电时，该通告牌 亮 。它只能向右IRU供电5分钟。 电瓶故障(DC FAIL)通告牌（琥珀色）——当飞机电瓶电 压低于18VDC时，“DC FAIL”灯亮。 故障（FAULT）通告牌（琥珀色）——当IRU内部有故障存 在时，“FAULT”灯亮。