第4章 航向测量系统 惯性导航
《惯性导航系统》课件
软件温度补偿
通过算法对温度变化引起的误差进 行估计和补偿，提高导航精度。
混合温度补偿
结合硬件和软件温度补偿的优势， 进一步提高导航精度。
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惯性导航系统发展现状与 趋势
国内外研究现状
国内研究现状
国内在惯性导航系统领域的研究起步较晚，但近年来发展迅速，取得了一系列重要成果。国内的研究 主要集中在技术研发、系统集成和实际应用等方面，涉及的领域包括航空、航天、航海、机器人等。
陀螺仪的精度和稳定性对惯性导航系 统的性能有着至关重要的影响。
它通过高速旋转的陀螺仪能够感知方 向的变化，并将这些变化转化为电信 号，以供其他组件使用。
不同类型的陀螺仪（如机械陀螺仪、 光纤陀螺仪、激光陀螺仪等）具有不 同的特点和应用场景。
加速度计
01
加速度计用于测量物体在惯性参 考系下的加速度。
动态调整初始对准过程中的参数。
动态误差与扰动误差
要点一
动态误差与扰动误差
在动态环境下，惯性导航系统会受到各种扰动因素的影响 ，如车辆颠簸、气流扰动等。这些扰动因素会导致系统输 出数据出现偏差，从而影响导航精度。为了减小这些误差 ，可以采用多种技术手段，如滤波算法、卡尔曼滤波等。
要点二
卡尔曼滤波
卡尔曼滤波是一种基于状态方程和观测方程的递归滤波算 法，可以对系统状态进行最优估计。通过将卡尔曼滤波算 法应用于惯性导航系统中，可以有效减小由于动态环境和 扰动因素引起的误差。此外，还可以采用其他先进的滤波 算法，如扩展卡尔曼滤波、粒子滤波等，根据实际情况选 择最适合的算法来减小动态误差与扰动误差。
案例分析：无人机导航系统
案例背景介绍
介绍无人机导航系统的应用场景和需求，阐述其重要性和挑战。
惯性导航第四章讲解
间接陀螺稳定器
2019年1月14日 惯性导航系统 7
第三节 三轴陀螺稳定平台
三轴陀螺稳定平台具有三个稳定轴和三套稳定系 统。三套稳定系统分别承受作用在平台三个稳定轴上 的干扰力矩，所以平台能够在干扰力矩的作用下，相 对惯性空间稳定。 如果在平台中增加水平修正和方位修正系统，就 可以使平台不但跟踪地平面，而且跟踪子午线，做到 相对地球保持稳定。用来测量飞机的俯仰角、倾斜角 和航向角，并把信号送给飞机的其他设备。 高精度的三轴陀螺稳定平台是用来在飞机上建立 一个精确的导航坐标系，并把加速度计稳定在所需要 的方位上工作，是惯性导航系统的主要基础部件。
可承受较大的干扰力矩，精确测量输出角度
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惯性导航系统
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第二节 单轴惯性平台原理
利用陀螺力矩抵消干扰力矩 缺点： •长时间受到方向不变的干扰 力矩作用时，陀螺将失去稳 定性 •体积和重量大
直接陀螺稳定器
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陀螺稳定平台-----单轴陀螺稳定平台
利用陀螺力矩和稳定电机力矩共 同抵消干扰力矩
2、陀螺1内环轴上有干扰力矩， 陀螺绕外环轴漂移，平台受陀 螺2控制，平台不跟踪陀螺1漂 移，陀螺1与平台方位发生。
陀螺1外环轴上信号器感受陀 螺绕外环轴的漂移并输出信号， 加给陀螺1内环轴上力矩器， 使陀螺1绕外环轴进动，消除 陀螺1绕平台的漂移。
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1、当陀螺2由于内环轴上的干 扰力矩而引起他绕外环轴漂移， 陀螺1外环轴上的信号器有信 号输出，此信号送到陀螺2内 环轴上力矩器，从而产生修正 力矩，使平台绕方位轴的漂移 减小。 2、某时两陀螺漂移方向相反。 例如陀螺2绕外环轴顺时针漂 移，陀螺1绕外环轴逆时针漂 移，陀螺2使平台顺时针转， 陀螺1使平台逆时针转，相互 制约的结果减少平台的漂移。
惯性导航系统
惯性导航系统导航系统在现代社会中扮演着至关重要的角色，无论是在陆地、海上还是空中，人们都依赖于导航系统来确定位置、规划航线和安全导航。
而在导航系统中，惯性导航系统被广泛运用，它以其独特的技术和功能在各个领域中发挥重要作用。
一、惯性导航系统的基本原理惯性导航系统是一种不依赖于外部参考的导航系统，它依靠惯性传感器实现位置和速度的确定。
惯性导航系统由三个基本部分组成：陀螺仪和加速度计以及计算单元。
陀螺仪用于测量角速度，而加速度计用于测量线加速度。
通过对这些测量数据进行积分和计算，惯性导航系统能够提供准确的位置、速度和航向信息。
二、惯性导航系统的优势相比于其他导航系统，惯性导航系统具有许多独特的优势。
首先，惯性导航系统没有对外部环境的依赖，可以在任何环境和天气条件下工作。
这使得它在航空、航海和军事领域中得到广泛应用，尤其是在恶劣的气候和极地环境下。
其次，惯性导航系统具有高精度和快速响应的特点，能够提供准确的位置和速度信息，对导航的实时性要求高的场景非常有优势。
此外，惯性导航系统体积小、质量轻，对设备和空间要求相对较低，便于安装和集成。
三、惯性导航系统的应用领域惯性导航系统在航空、航海和军事领域中得到广泛应用。
在航空领域，飞机上配备了惯性导航系统可以实时获取飞机的位置、速度和姿态信息，为飞行员提供准确的导航指引。
航海领域中，惯性导航系统可以帮助船舶确定位置和航向，提供给船员准确的航行信息。
而在军事领域中，惯性导航系统则被用于导弹、导航、战斗机和潜艇等武器装备中，帮助军事行动实现精确和长程的导航目标。
四、惯性导航系统的未来发展随着科技的不断进步，惯性导航系统也在不断演进和改进。
传统的惯性导航系统依靠陀螺仪和加速度计进行姿态测量，虽然具有高精度和可靠性，但体积较大、制造和维护成本较高。
近年来，光纤陀螺仪和微机电系统（MEMS）等新技术的应用，使得惯性导航系统体积更小、成本更低，且具备相当的准确度。
此外，惯性导航系统与全球定位系统（GPS）等导航系统的融合也越来越广泛，通过多传感器的数据融合，提高导航系统的可用性和鲁棒性。
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。
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。
惯性导航航天中的定位技术
惯性导航航天中的定位技术航天是人类探索宇宙的一项伟大事业，而定位技术在其中起到了至关重要的作用。
惯性导航技术作为一种独立于地球坐标系的导航系统，能够为航天器提供高精度的定位和导航信息。
本文将从惯性导航系统的原理、应用和发展趋势三个方面探讨在航天中的定位技术。
一、惯性导航系统的原理惯性导航系统是一种通过测量航天器的加速度和角速度来计算位置和速度的导航系统。
它基于惯性力学的原理，利用物体的惯性和运动学关系来推算位置和速度。
该系统主要由三轴加速度计和三轴陀螺仪组成，通过测量加速度计和陀螺仪输出的信号，计算导航器在空间中的姿态和运动状态。
这些数据可用于推算航天器相对于出发点的位置和速度。
二、惯性导航系统的应用1. 航天探测任务：在航天探测任务中，惯性导航系统可以提供高精度、实时的定位和导航信息。
通过记录航天器的加速度和角速度变化，可以计算出航天器相对于地球的位置和速度。
这对于正确计算飞行轨迹、执行任务的精确性和安全性至关重要。
2. 空间站和卫星导航：对于空间站和卫星导航，惯性导航系统能够提供稳定的、连续的定位信息。
在无法接收地面导航信号的情况下，该系统可以独立运行，并保持较高的精度。
这对于卫星导航系统的持续性和可靠性至关重要。
3. 载人航天：在载人航天任务中，惯性导航系统是航天员航天器的重要定位工具。
它可以监测航天器的运动状态，并提供实时的位置和速度信息。
对于航天员的生命安全和任务执行的准确性来说，惯性导航系统起到了至关重要的作用。
三、惯性导航系统的发展趋势1. 惯性导航系统的小型化：随着微电子技术和纳米技术的发展，惯性导航系统正朝着小型化和集成化的方向发展。
未来的导航器将更加紧凑，更轻便，从而可以更好地适应空间环境的要求。
2. 惯性导航系统的高精度：随着科学技术的进步，惯性导航系统的精度也会不断提高。
更精确的传感器和算法将使航天器的定位和导航更加精确和可靠。
3. 惯性导航系统与其他导航技术的结合：未来的导航系统将更多地采用多传感器融合的方式，将惯性导航系统与其他导航技术（如星务合作、卫星导航系统）结合起来，从而进一步提高定位和导航的精度。
航向测量系统 惯性导航
要用航向陀螺仪测航向，需对三自由度陀螺进行水平和方位修正
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二 工作原理
1.测量飞机的转弯角 当飞机航向改变时，刻度盘被陀螺稳定不动，航
向指标随飞机航向变化而改变相对刻度盘的位置，则 飞机转弯角可测出。 2.测量飞机的真航向、磁航向和大圆航向时，应满足：
一 使用前，自转轴必须与起始点子午线方向一致； 二 飞行过程中，自转轴必须随起始点子午线在惯性 空间内一起转动； 三 飞行过程中，由于飞机所在子午线与起始点子午 线发生相对运动，自转轴还必须随飞机所在子午线 一起转动。
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作业： 1.航向的基本概念 2.地磁三要素、磁差的定义，产生原因 3.航向陀螺仪工作原理
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真航向、磁航向间的关系
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真航向、磁航向、罗航向间的关系
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λa
ψD
A
大圆圈线
λb
ψT
B
大圆航向=真航向-经线收敛角
其中，经线收敛角为： B A sin
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4.2 航向陀螺仪工作原理
飞行器贴近地球表 面运动时，需要获知其 航向。航向陀螺仪可用 来测量飞机的转弯角度。 借助其它罗盘还可以指 示飞机的大圆航向、真 航向和磁航向。因此， 航向陀螺仪又称为陀螺 半罗盘。
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1.真航向：真子午线（即地理子午线）北端顺时针转到飞机纵 轴在水平面上的投影线之夹角。
2.磁航向：磁子午线北端顺时针转到飞机纵轴在水平面上的投 影线之夹角。
3.罗航向：罗子午线（飞机磁场水平分量与地磁水平分量的合 成方向线叫罗子午线）北端顺时针转到飞机纵轴在 水平面上的投影线之夹角。
4.大圆航向：飞机沿大圆圈飞行时，飞机纵轴所在的大圆平面 与航线起点的真子午面的夹角叫大圆航向角，简称 大圆航向。
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：
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作业： 1.航向的基本概念 2.地磁三要素、磁差的定义，产生原因 3.航向陀螺仪工作原理
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三 航向—飞机纵轴与子午线在水平面上的夹角
1.真航向：真子午线（即地理子午线）北端顺时针转到飞机纵 轴在水平面上的投影线之夹角。 2.磁航向：磁子午线北端顺时针转到飞机纵轴在水平面上的投 影线之夹角。 3.罗航向：罗子午线（飞机磁场水平分量与地磁水平分量的合 成方向线叫罗子午线）北端顺时针转到飞机纵轴在 水平面上的投影线之夹角。 4.大圆航向：飞机沿大圆圈飞行时，飞机纵轴所在的大圆平面 与航线起点的真子午面的夹角叫大圆航向角，简称 大圆航向。
惯性导航原理
崔 铭
中国民航大学电子信息工程学院
2013-12-28
第四章 航向测量系统
4.1 航向﹑地磁概念
4.2 航向陀螺仪工作原理
电子信息工程学院
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4.1 航向﹑地磁概念
一 地球的经纬线及经纬度(教材p149) 二 地磁 1.地球的磁性 2.地磁三要素—磁倾，地磁水平分量，磁差
电子信息工程学院
电子信息工程学院
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一 基本组成：三自由度陀螺、刻度盘、航向指标、 水平修正器、方位修正器
要用航向陀螺仪测航向，需对三自由度陀螺进行水平和方位修正
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二 工作原理
1.测量飞机的转弯角 当飞机航向改变时，刻度盘被陀螺稳定不动，航 向指标随飞机航向变化而改变相对刻度盘的位置，则 飞机转弯角可测出。 2.测量飞机的真航向、磁航向和大圆航向时，应满足： 一 使用前，自转轴必须与起始点子午线方向一致； 二 飞行过程中，自转轴必须随起始点子午线在惯性 空间内一起转动； 三 飞行过程中，由于飞机所在子午线与起始点子午 线发生相对运动，自转轴还必须随飞机所在子午线 一起转动。Leabharlann 电子信息工程学院5
真航向、磁航向间的关系
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真航向、磁航向、罗航向间的关系
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λa
λb
ψT
B
ψD
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大圆圈线
大圆航向=真航向-经线收敛角 其中，经线收敛角为： B A sin
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4.2 航向陀螺仪工作原理
飞行器贴近地球表 面运动时，需要获知其 航向。航向陀螺仪可用 来测量飞机的转弯角度。 借助其它罗盘还可以指 示飞机的大圆航向、真 航向和磁航向。因此， 航向陀螺仪又称为陀螺 半罗盘。