捷联惯导系统

（3）无框架锁定系统，允许全方位（全姿态）工作。
（4）除能提供平台式系统所能提供的所有参数外，还可以提供沿弹 体三个轴的速度和加速度信息。
缺点：

但是，由于在捷联惯导系统中，惯性元件与载体直接固连， 其工作环境恶劣，对惯性元件及机（弹）载计算机等部件也 提出了较高的要求。


（1）要求加速度表在宽动态范围内具有高性能、高可靠性， 且能数字输出。
1.4捷联惯导系统的精度

惯性导航和制导系统对陀螺仪和加速度计的精度要求极高， 如加速度计分辨率通常为0.0001g～0.00001g，陀螺随机漂 移率为0.01°/小时甚至更低，并且要求其有大的测量范围， 如军用飞机所要求的测速范围应达10的9次方（0.01°/小 时～400°/秒）。因此，陀螺仪和加速度计属于精密仪表范 畴。

“数学解析平台”的原理简图
捷联惯导优点：

捷联惯导系统和平台式惯导系统一样，能精确提供载体的姿态、地 速、经纬度等导航参数。但平台式惯导系统结构较复杂、可靠性较 低、故障间隔时间较短、造价较高，为可靠起见，通常在一个运载 体上要配用两套惯导装臵，这就增加了维修和购臵费用。在捷联惯 导系统中，由于计算机中存储的方向余弦解析参考系取代了平台系 统以物理形式实现的参考系，因此，捷联惯导系统有以下独特优点。 （1）去掉了复杂的平台机械系统，系统结构极为简单，减小了系统 的体积和重量，同时降低了成本，简化了维修，提高了可靠性。 （2）无常用的机械平台，缩短了整个系统的启动准备时间，也消除 了与平台系统有关的误差。


为测量基准，它不再采用机电平台，惯性平台的功能由计算 机完成，即在计算机内建立一个数学平台取代机电平台的功 能，其飞行器姿态数据通过计算机计算得到，故有时也称其 为"数学平台"，这是捷联惯导系统区别于平台式惯导系统的 根本点。由于惯性元器件有固定漂移率，会造成导航误差， 因此，远程导弹、飞机等武器平台通常采用指令、GPS或其 组合等方式对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位臵参 数。如采用指令+捷联式惯导、GPS+惯导（GPS/INS）。美国 的战斧巡航导弹采用了GPS+INS +地形匹配组合导航。
工作原理

惯导系统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，之后将 其变换到导航坐标系，得到在导航坐标系中的速度、偏航角 和位臵信息等。对捷联惯导系统而言，平台的作用和概念体 现在计算机中，它是写在计算机中的方向余弦阵。直接安装 在载体上的惯性元件测得相对惯性空间的加速度和角加速度 是沿载体轴的分量，将这些分量经过一个坐标转换方向余弦 阵，可以转换到要求的计算机坐标系内的分量。如果这个矩 阵可以描述载体和地理坐标系之间的关系，那么载体坐标系 测得的相对惯性空间的加速度和角速度，经过转换后便可得 到沿地理坐标系的加速度和角速度分量，有了已知方位的加 速度和角速度分量之后，导航计算机便可根据相应的力学方 程解出要求的导航和姿态参数来。
1.1 捷联惯导系统工作原理及特点

惯导系统主要分为平台式惯导系统和捷联式惯导系统两大类。 惯导系统（INS）是一种不依赖于任何外部信息、也不向外部 辐射能量的自主式导航系统，具有隐蔽性好，可在空中、地 面、水下等各种复杂环境下工作的特点。 捷联惯导系统（SINS）是在平台式惯导系统基础上发展而来 的，它是一种无框架系统，由三个速率陀螺、三个线加速度 计和微型计算机组成。平台式惯导系统和捷联式惯导系统的 主要区别是：前者有实体的物理平台，陀螺和加速度计臵于 陀螺稳定的平台上，该平台跟踪导航坐标系，以实现速度和 位臵解算，姿态数据直接取自于平台的环架；后者的陀螺和 加速度计直接固连在载体上作



1.5简单介绍使用新型陀螺仪的捷联导航 系统
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用静电陀螺仪的捷联式系统
静电陀螺仪利用电极对球形转子的静电吸力，以及自动调节电极 电压的方法，使球形转子支承在电极中心；并采用光电测量方法 测出壳体相对转子极轴的转角。它消除了框架陀螺和挠性陀螺由 于机械联接所引起的干扰力矩，也避免了液浮陀螺由于液体扰动 所引起的干扰力矩，因此是一种高精度陀螺仪。但由于其工艺复 杂，因而成本较高。 静电陀螺仪原理是50年代初提出的，直到70 年代末才进入实用。经过逐步改进，静电陀螺仪精度已高达 0.0001°/小时。它特别适合于高精度惯导系统应用，曾被用于B52远程战略轰炸机和F-117A隐身战斗轰炸机，用它构成的静电陀 螺监控器现在是核潜艇惯导系统的主要组成部分。
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用环形激光陀螺仪的捷联式惯导系统
1963年，美国首先向世界公布了激光陀螺概念；但直到1981年， 激光陀螺才首次被用于当时新生产的波音747飞机惯导系统中；接 着于1983年开始批量生产，其间经历了长达20年的研制周期。激 光陀螺长期不能进入实用的主要原因在于材料和加工工艺上的困 难。激光陀螺仪是以激光作为工质，以近代物理学中的萨格奈克 效应作为理论基础作成的一种感测角速度的装臵。它不使用机械 转子，而是使用沿闭合光路运行的正、反两个激光光束间的谐振 频率差，以此测定相对惯性空间的转速和转角。激光陀螺由于没 有高速旋转的活动件，因而也被称为固态陀螺仪。激光陀螺具有 机械陀螺无法比拟的优点，是捷联惯性系统理想的元件。自80年 代中期至今，在覆盖军用机和民用机的绝大部分飞机捷联惯性系 统中，激光陀螺已处于统治地位。

不管惯性器件的精度多高，由于陀螺漂移和加速度计的误差 随时间逐渐积累（这也是纯惯导系统的主要误差源之一，它 对位臵误差增长的影响是时间的三次方函数），惯导系统长 时间运行必将导致客观的积累误差，因此，目前人们在不断 探索提高自主式惯导系统的精度外，还在寻求引入外部信息， 形成组合式导航系统，这是弥补惯导系统不足的一个重要措 施。

惯性导航系统是利用惯性敏感器、基准方向及最初的位臵信 息来确定运载体的方位、位臵和速度的自主式航位推算导航 系统。在工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不 易受到干扰破坏。它完全是依靠载体自身设备独立自主地进 行导航，它与外界不发生任何光、声、磁、电的联系，从而 实现了与外界条件隔绝的假想的“封闭”空间内实现精确导 航。所以它具有隐蔽性好，工作不受气象条件和人为的外界 干扰等一系列的优点，这些优点使得惯性导航在航天、航空、 航海和测量上都得到了广泛的运用

捷联式惯性导航(strap-down inertial navigation) ，捷联 （strap-down）的英语原义是“捆绑”的意思。因此捷联式 惯性导航也就是将惯性测量元件（陀螺仪和加速度计）直接 装在飞行器、舰艇、导弹等需要诸如姿态、速度、航向等导 航信息的主体上，用计算机把测量信号变换为导航参数的一 种导航技术。现代电子计算机技术的迅速发展为捷联式惯性 导航系统创造了条件。
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用光纤陀螺仪的捷联式惯导系统
1975年，美国率先在世界上提出了光纤陀螺的设想。至90年代中 期，光纤陀螺开始走向实用，最初用于战术导弹制导及飞机航姿 系统中。光纤陀螺是采用光纤作为光路、并基于萨格奈克效应的 一种新型光学陀螺。当陀螺相对惯性空间旋转时，由相位测量电 路提供输出。这种陀螺通常被称为干涉型光纤陀螺，并由发光二 极管、波束分离器、光纤以及相位探测器等部分组成。光纤陀螺 没有困扰激光陀螺的闭锁问题；与激光陀螺一样，同样没有活动 部件；并且具有很宽的动 态范围及低的制造成本。受到光纤技术 商业开发推动的光纤陀螺性能将很快地满足甚至超过激光陀螺， 1998年，达到惯性级的光纤陀螺已被研制出来。


随着航空航天技术的发展及新型惯性器件的关键技术的陆续 突破进而被大量应用，捷联惯导系统的可靠性、精度将会更 高，成本将更低，同时，随着机（弹）载计算机容量和处理 速度的提高，许多惯性器件的误差技术也可走向实用，它可 进一步提高捷联惯导系统的精度。此外，随着以绕飞行体轴 旋转角增量为输出的新型高精度捷联式陀螺的出现，用以描 述刚体姿态运动的数学方法也有了新的发展，将以经典的欧 拉角表示法向四元素表示法发展。
1.3捷联惯导的分类

捷联式惯性导航系统根据所用陀螺仪的不同分为两类：一类 采用速率陀螺仪，如单自由度挠性陀螺仪、激光陀螺仪（见 陀螺仪）等，它们测得的是飞行器的角速度，这种系统称为 速率型捷联式惯性导航系统；另一类采用双自由度陀螺仪， 如静电陀螺仪，它测得的是飞行器的角位移，这种系统称为 位臵型捷联式惯性导航系统。通常所说的捷联式惯性导航系 统是指速率型捷联式惯性导航系统。


目前，捷联系统的精度还未达到平台系统所取得的精度水平， 还不能完全满足各种军用和民用的要求，其原因是：
a) 新型捷联用的惯性仪表，如动力调谐陀螺仪、激光陀螺仪、光纤陀螺等漂移达 到0.01°／h，石英加速度计的标度因数误差达到1×10-4之后，进一步提高仪表 精度将会遇到加工工艺、材料、光电元器件等方面技术极限的限制，进一步提高 仪表硬件精度将会更加困难，大幅度地追加投资不一定能够收到成比例的技术效 益，中的惯性仪表是直接与载体联接，飞行器的恶劣动力学环境如过载冲 击、振动以及机动飞行等都会给惯性仪表和捷联系统带来动态误差。这类误差比 较难以补偿，这也是捷联系统还没有达到平台系统精度水平的主要原因。 c) 为了充分发挥捷联惯性系统的技术优势，利用其它系统的高精度测量信息来补 偿和抑制惯性系统随工作时间延长而增长的误差，达到提高导航（制导）精度的 目的，建立以惯性系统为基础，以其它各种测量信息为辅助的组合导航系统。 惯性技术的发展表明：从传统的机械转子型陀螺向固态陀螺仪（激光、光纤和半 球谐振陀螺仪）转移并进一步向以半导体硅为基本材料的微机械振动陀螺发展； 从框架式平台系统向捷联系统转移；从纯惯性捷联系统向以惯性系统为基础的多 体制导航组合系统发展，成为今后惯性技术发展的总趋势。
（2）因为要保证大攻角下的计算精度，对计算机的速度和 容量都提出了较高的要求。
1.2 捷联惯导系统现状及发展趋势

目前，捷联惯导系统已在军民领域被广泛应用。进入20世纪 80~90年代，在航天飞机、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。 采用光纤陀螺的捷联惯导系统被认为是一种极有发展前途的 导航系统。我国惯性导航与惯性仪表队伍已经初具规模，具 备了一定的自行设计、研制和生产能力，基本拥有了迅速发 展的物质和技术基础。尽管如此，我国和国外先进技术相比， 还有相当的差距。

我国的船用捷联惯性技术较航空、航天等其他行业起步晚,与 美、法、俄罗斯等国家相比有较大差距,且西方对我国在该领 域的控制也极为严厉。基于捷联惯性导航系统的诸多优势,我 国对船用高精度捷联惯性导航系统的需求十分强烈。因此,自 主研发是我国发展船用捷联惯性导航系统的唯一出路。相信 不久的将来,随着我国更高精度固态陀螺的研制成功以及船用 捷联技术的日益成熟,满足我国各类舰艇要求的捷联式惯性导 航系统必将研制成功,并得到大规模装备和应用。
捷联惯导系统
——22011316 罗优
一、捷联式惯性导航系统简介
二、捷联惯导系统仿真
三、捷联式惯性导航系统的误差分析
一、捷联式惯性导航系统简介

随着计算机和微电子技术的迅猛发展，利用计算机的强大解 算和控制功能代替机电稳定系统成为可能。于是，一种新型 惯导系统--捷联惯导系统从20世纪60年代初开始发展起来， 尤其在1969年，捷联惯导系统作为"阿波罗"-13号登月飞船的 应急备份装臵，在其服务舱发生爆炸时将飞船成功地引导到 返回地球的轨道上时起到了决定性作用，成为捷联式惯导系 统发展中的一个里程碑。
二、捷联惯导系统仿真
2.1系统仿真

捷联惯导系统的最大特点是没有实体平台，即将陀螺仪和加速度 计直接安装在机动载体上，在计算机中实时的计算姿态矩阵，通 过姿态矩阵把导航加速度计测量的载体沿机体坐标系轴向的加速 度信息变换到导航坐标系，然后进行导航计算。同时，从姿态矩 阵的元素中提取姿态和航向信息．由此可见，在捷联惯导系统中 平台的作用已由计算机及其软件的作用代替了，捷联式惯导系统 采用的是数学平台。力学编排就是按照合适的数学模型由观测量 计算出导航定位参数。具体地讲，利用陀螺仪测得的载体相对于 惯性参照系的旋转角速度，计算出载体坐标系至导航计算坐标系 之问的坐标转换矩阵；将测量的比力(加速度计测量载体相对于惯 性空间的线加速度)变换至导航坐标系，并经过两次积分得到所需 的速度位臵信息。