惯性测量技术及导航分解

（2）导航有多种技术途径，如无线电导航、 天文导航、惯性导航等，其中惯性导航以其高 度自主的突出优点，在导航技术中占有特殊的 位置。 综合了惯性导航系统和其他导航系统，采用现 代控制理论信息融合方法，构成的以惯性导航 为主，其他导航手段为辅的组合导航系统，日 益广泛。

（3）大地测量学是以获取位置和方向为目标 的另外一门学科，测绘学的一个分支。主要研 究和测定地球形状、大小和地球重力场，以及 测定地面点几何位置。用于解决大地地形测量 问题，以及在广大地区内为建立平面和高程控 制网所进行的精密测量问题。
导航与大地测量的特点和区别
项目
导航 大地 测量
作用 对象 运动 载体 大地 地物
定位 形式 过程 定位 静态 定位
输出 物理量
速度姿 态位置 精确 位置
实时性 要求 很高
不高
位置精 度要求
米/十米 厘米/ 分米


制导是一个与“导航”相关的概念，也是和导 弹、制导炸弹/ 炮弹、制导鱼雷等带有导航、 制导功能的制导武器一起出现的术语。 制导是指自动控制和导引飞行器按预定轨迹和 飞行路线准确到达目标的过程，既包含了应用 导航的测量值，又包含了自动控制的全部闭环 工作过程。
1.4地球形状及坐标系
地球形状
地球的形状
几乎所有的导航问题都和地 球发生联系。 地球表面形状是不规则的。
大地水准面：采用海平面 作为基准，把“平静”的海 平面延伸到全部陆地所形成 的表面（重力场的等位面）。
最简单的工程近似：半径 为 R 的球体 进一步的精确近似：旋转 椭球体（参考椭球）
确定载体相对地球位置的坐标系
地球坐标系-earth fixed frame （运动物体在该坐标系 中的定位 λ 、φ 、R）
地理坐标系（东北天坐标系） East-North-Up frame
方向余弦 二维情形
方向余弦的物理意义(Direction Cosine)
x V y
则 二维平面中，同一个矢量在 两个坐标系OXY 和 OX’Y’ 中的投影分别为
1.2导航技术发展简史



（1）早期：司南，“水罗盘”，“旱罗盘”， 地标 （2）无线电导航：20世纪30年代相继问世 （3）多普勒导航：20世纪60-70年代 （4）惯性导航系统：20世纪40年代，德国研制 成功带惯性稳定装置的V-2火箭，标志问世； （5）卫星导航系统：GPS、GLONASS、伽利 略、北斗。
目前各国使用的几种参考椭球
扁率 =（长轴 - 短轴）/ 长轴
椭球的曲率半径（和纬度有关）
地球的重力(gravity)是地心引 力(gravitation)和地球自转产 生的离心力的合力：
地球重力场
W jF
离心力比重力小得多， Δ θ 最多有几个角分 重力加速度 g 的巴罗氏 算法：考虑地球为椭球 体时，g 与纬度以及高 度的关系。
x' V ' y '
V ' CV
cos C sin sin cos
其中
方向余弦 三维情形 类似地，对于三维空间，仍有 V ' CV
只不过 V 和 V’ 都是三维矢量，或可写成
x' cos 1 y ' cos 1 z' cos 1
垂线及纬度
纬度：地球表面某点的垂线方向和赤道 平面的夹角 - lattitude 垂线： 地心垂线——地球表 面一点和地心的连线 测地垂线——地球椭 球体表面一点的法线方 向 重力垂线——重力方 向（又称天文垂线）
地球的运动
对应三种垂线定义，有三种纬度定义 1、地心纬度 2、测地纬度（大地纬度） 3、天文纬度 后两者偏差角一般很小，不超 过 30 角秒，统称地理纬度。 地球绕自转轴的逐日旋转 （自转） 相对太阳的旋转（公转）

（6）地形辅助/视觉导航系统 （7）组合导航系统
1.3惯性导航技术发展

（1）基础理论及早期发展 根据牛顿力学定律，惯性导航系统利用陀螺仪和加速 度计的测量值求解载体的姿态、速度和位置信息。 惯性导航技术的产生和发展不是孤立的，其与上百年 的天文、机械、数学等技术以及理论发展密切相关。 （2）发展与应用 V-2火箭； 德雷柏证实纯惯性导航在飞机应用的技术可行性； 鹦鹉螺号核潜艇； 。。。。。。
中北大学 信息与通信工程学院
第一章 导航系统概述

1.1、导航与大地测量、制导的关系。 1.2、导航技术发展简史。 1.3、惯性导航技术的发展简况。 1.4、地球形状及曲率半径。
1.1导航与大地测量、制导的关系

(1)确定载体的位置、引导载体到达目的地的指示和控 制过程称为导航。 导航的任务就是提供运载体的六自由度导航参数，即 3维位置和3维角度。他们决定了一个物体的空间位置 和状态。 能够提供导航参数，实现导航任务的设备或装置称为 导航系统。 其有2种工作方式：指示状态和自动导航状态。
cos 2 cos 2 cos 2
cos 3 x cos 3 y cos 3 z
方向余弦矩阵(Direction Cosine Matrix) 为正交矩阵，有 时以表格形式给出
x x' cos 1 y ' cos 1 z ' cos 1
进动和章动
极点的漂移 随银河系的一起运动 地球相对惯性空间的旋转 角速度与地球相对太阳的 旋转角速度（区别）。
地球的运动
地球相对惯性空间的运动是由 多种运动形式组成，主要有：
坐标系-惯性坐标系
一、惯性坐标系(inertial frame)
太阳中心惯性坐标系
地心惯性坐标系
坐标系-确定载体位置的坐标系
y cos 2 cos 2 cos 2
z cos 3 cos 3 cos 3
绕定点转动 坐标系
定点：刚体转动中的固定不变点 实现方案Байду номын сангаас框架（gimbal )支撑、铰链、悬浮 (suspension) 等 坐标系 转子（动）坐标系ox’y’z’
基座（固定）坐标系OXYZ
方向余弦矩阵（坐标变换阵）