《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。

课程的知识要点如下：1．惯性导航基础模块
①基本概念
导航、惯性导航、无线电导航、多普勒导航、卫星导航、天文导航、旋转椭球体、赤道半径、极轴半径、地理垂线经纬度、曲率半径、重力、重力加速度、地球自转角速度、恒星日、太阳日、真太阳日、平太阳日、日心惯性系、地心惯性系、地球坐标系、地理坐标系、机体坐标系、平台坐标系。

②基本原理
从加速度积分推算速度、距离、位置的原理;子午圈主曲率半径与纬度的关系；卯酉圈主曲率半径与纬度的关系；垂线偏差与纬度的关系；重力加速度与引力加速度、地球自转角速度之间的关系；地球自转角速度与恒星日、太阳日、平太阳日、平太阳时、恒星时之间的关系；日心惯性系与地心惯性系之间的关系。

2．惯性元件模块
①基本概念
一般摆式加速度计；液浮加速度计；挠性加速度计；加速度计再平衡回路；加速度计零位偏置、灵敏度；陀螺漂移率；刻度因数；陀螺“三浮”；挠性支承；动力调谐；平衡环；液浮陀螺；挠性陀螺；激光陀螺；环形干涉仪；光程、光程差；拍频；闭锁区误差；偏频；四频差动激光陀螺；光纤陀螺。

②基本原理
一般摆式加速度计测量载体加速度原理；液浮加速度计测量载体加速度原理；挠性加速度计测量载体加速度原理；加速度计再平衡回路工作原理；液浮陀螺工作原理；挠性支承原理；挠性陀螺动力调谐原理；激光陀螺测量原理;光纤陀螺测量原理。

3．惯性平台模块
①基本概念
惯性平台；几何稳定状态；空间积分状态；平台稳定轴；力矩器；稳定电机；平台稳定误差；平台漂移;指令角速度；三环三轴平台；外横滚环；俯仰环；内横滚环；方位环；方位坐标分解器；正割分解器；方位锁定回路；环架自锁；四环三轴平台；外横滚伺服回路；反自转控制；平台温控。

②基本原理
单轴惯性平台原理；单轴惯性平台稳定回路分析；三轴惯性平台原理；方位坐标分解器作用、规律及实现原理；正割分解器作用及实现机理；方位锁定回路作用及实现方法；四环三轴惯性平台原理；外横滚伺服回路原理；四环三轴平台反自转控制机理。

4．平台式惯导原理模块
①基本概念
舒勒摆；舒勒周期；舒勒振荡；惯导修正回路；舒勒回路；
比力；比力方程；惯导基本方程；指北方位惯导；力学编排；游移方位惯导；惯导垂直通道；惯导误差源；元件误差；安装误差；初始条件误差；计算系；平台系；理想平台系；速度误差方程；位置误差方程；姿态误差方程；付科振荡；误差传播特性；惯导系统误差；初始对准；对准过程；平台锁定；模拟调平；水平对准；方位对准；粗对准；精对准；二阶对准回路；三阶对准回路；罗经效应；对准精度；对准判据；陀螺测漂及补偿。

②基本原理
舒勒周期及其推证；单轴惯导系统原理；惯导基本方程；指北方位惯导力学编排方程；游移方位惯导力学编排方程；惯导系统垂直高度的测量；指北方位惯导误差方程；游移方位惯导误差方程；指北方位惯导的初始对准；游移方位惯导的初始对准。

5．捷联式惯导原理模块
①基本概念
“数学平台”；加速度计数学模型；陀螺数学模型；惯性元件的静态误差补偿；导航位置方程；姿态方程；四元数；可靠性与多余度技术；最佳配置方案；单自由度陀螺的配置；双自由度陀螺的配置；余度惯性元件的性能管理。

②基本原理
捷联惯导基本原理；捷联惯导力学编排；捷联惯导误差分析；捷联惯导初始对准；捷联惯性元件的余度技术。

（二）教学内容重难点
1．惯性导航基础模块
①重点内容：
惯性导航基本原理；地理垂线与纬度的概念；地球子午圈主曲率半径、卯酉圈主曲率半径与纬度的关系；重力加速度和自转角速度的概念及计算表达式；惯性系、地球系、地理系的概念；
地球系与地理系之间的转换矩阵。

②难点内容：
主曲率半径公式的推导；地球系与地理系之间方向余弦阵的推导。

2．惯性元件模块
①重点内容：
惯性导航对加速度计的性能指标要求；一般摆式加速度计测量原理；挠性加速度计测量原理；二元脉冲调宽数字再平衡回路工作原理；惯性导航对陀螺的性能指标要求；挠性陀螺动力调谐原理；挠性陀螺动力学分析；挠性陀螺测量原理；激光陀螺测量原理。

②难点内容：
二元脉冲调宽数字再平衡回路工作原理；挠性陀螺动力调谐原理；激光陀螺闭锁区误差补偿原理。

3．惯性平台模块
①重点内容：
单轴惯性平台原理；方位坐标分解器作用、规律及实现原理；正割分解器作用及实现机理；方位锁定回路作用及实现方法；四环三轴惯性平台原理。

②难点内容：
三轴惯性平台“环架锁定”分析；四环三轴平台反自转控制机理。

4．平台式惯导原理模块
①重点内容：
舒勒周期及其推证；单轴惯导系统原理；惯导基本方程；指北方位惯导力学编排方程；指北方位惯导误差方程；指北方位惯导的初始对准原理。

②难点内容：
游移方位惯导力学编排方程；游移方位惯导误差方程；游移方位惯导的初始对准。

5．捷联式惯导原理模块
①重点内容：
捷联惯导基本原理；捷联惯导力学编排；捷联惯导初始对准。

②难点内容：
捷联惯导初始对准。

（三）课程学习方法
1．学习原则
课程学习应依照课程知识体系主线、知识要点和教学内容重难点，本着由浅入深、循序渐进的原则，结合自身的学习需求和学习方法，从基本概念、基本原理入手，深刻理解各知识点和知识体系之间的内在联系，做到把握重点、突破难点、系统学习、全面掌握。

2．学习方法
本门课程的学习可把握以下几点：
一是要弄清并理解主要知识点的物理含义。

如陀螺是测量载体相对惯性空间角速度和角位置的装置，这里 “惯性空间”的界定相当重要，它决定陀螺是相对“惯性空间”而不是地球具备稳定性的物理边界。

二是要建立正确的空间位置关系。

如地球系与地理系之间的相互转换，如果不清楚这两个坐标系的定义、空间位置关系、变换顺序，是不可能得到二者之间的转换矩阵的。

三是要正确理解数学公式的物理本质。

如p αε≈&，这个公式
反映了陀螺漂移对惯性平台的影响，其本质就是陀螺漂移是引起平台漂移的主要原因，且陀螺漂移可以一比一地传递给惯性平台，
陀螺漂移是惯性导航误差随时间积累的主要因素。

另外，对于希望快速了解惯性导航原理的读者，可以主要学习教材的第一、四、五、七章，通过这四章的学习，读者可以较好地理解平台式惯导的基本原理。

四、课程知识应用与发展
1．知识应用
惯性导航系统以其自主性强、抗干扰能力强、输出导航参数多等突出优点，在陆、海、空、天领域得到广泛应用。

随着惯性元件的小型化、微型化，其价格成本也在不断降低，使其应用范围逐渐由军事应用领域为主向民用领域扩大。

目前，低成本惯性导航系统已在车载导航、地址勘测、姿态控制领域等到广泛应用。

放眼未来，惯性导航系统的应用领域将不断扩大。

2．技术发展
随着惯性技术的快速发展，尤其是惯性元件、控制技术、计算机技术的迅速发展，制约惯性导航系统发展的关键技术正在逐步攻克，以冷原子陀螺技术为代表的新型惯性元件已在美国的DARPA惯性技术实验室研制成功，其陀螺精度达到10-7°/h，预计的导航精度小于5米，这样的导航精度已足可与卫星导航精度相匹敌。

可以预见，惯性导航系统仍将位居各类导航系统之首，引领导航技术的不断发展。