平台式惯性导航系统原理及应用
三种平台式惯性惯导系统介绍
AN/WSN-5和FIN3110对比
FIN3110
功耗:40W
设备尺寸(cm):19.5×21.6×29 重量(kg):12
AN/WSN-5
功耗:440W
设备尺寸(cm):43.9×53.3×117.6
重量(kg):172.7
捷联惯性导航系统的不足
1.惯性仪表直接固联在载体上，直接承受载 体的振动和冲击，工作环境恶劣； 2.惯性仪表特别是陀螺仪直接测量载体的角 运动，要求捷联陀螺有较大的施矩速度和 高性能的再平衡回路； 3.装机标定比较困难，从而要求捷联陀螺有 更高的性能； 4.计算量较大，要求高性能计算机支持；
29
平台控制回路的性能指标（二）
振荡度 定义：平台系统的闭环幅频特性用 表示， 为谐振频率； 为谐振峰值，也称 为振荡度； 振荡度是表示系统动态性能的指标，与时 域设计中的超调量指标相对应； 为了得到更好的系统动态性能，振荡度通 常取1.1~1.5之间。
30
平台控制回路的性能指标（三）
32
捷联惯性导航系统
Strapdown Inertial Navigation System 把惯性仪表直接固联在载体上，用计算机 来完成导航平台的功能的惯性导航系统。
加速 度计
加 速 度 信 息
姿态矩阵
导航计 算机
位置速 度信息 初始参 数信息
控制 显示
陀螺 仪
角 速 度 信 息
姿态矩 阵计算
简单的二维导航系统
一台陀螺仪 两个加速度计 一台计算机
简单的二维捷联导航系统
简单的二维捷联导航参考坐标系
二维系统在旋转坐标系中的导航
平台式惯性导航系统原理及应用课件
Part
03
平台式惯性导航系统关键技术
陀螺仪技术
机械陀螺仪
利用角动量守恒原理，通 过转子高速旋转来测量角 度和方向的变化。
光纤陀螺仪
采用光学干涉原理，具有 精度高、稳定性好的优点 ，但成本较高。
微机械陀螺仪
基于微电子机械系统（ MEMS）技术，具有体积 小、成本低、易于集成等 优点。
加速度计技术
惯性导航系统概述
惯性导航系统的基本原理 和组成。
平台式惯性导航系统的特 点和优势。
惯导系统的误差来源和精 度评估。
Part
02
平台式惯性导航系统原理
惯性导航系统基本原理
利用陀螺仪和加速度计测量运动 物体的角速度和加速度，从而计 算出物体在空间中的位置、速度
和姿态。
惯性导航系统不受外界干扰，自 主性强，适用于各种复杂环境。
平台式惯性导航系统面临的挑战
技术瓶颈
虽然平台式惯性导航系统已经取得了很大的进展，但是在 高精度、高稳定性、小型化等方面仍然存在一定的技术瓶 颈。
替代技术
随着卫星导航系统、无线电导航等技术的发展，平台式惯 性导航系统的应用受到了一定的挑战，需要不断进行技术 更新和市场拓展。
成本压力
由于平台式惯性导航系统研发和生产成本较高，对于一些 需要大量使用该系统的领域来说，成本压力较大，需要寻 求更加经济可行的解决方案。
地。
无人机航拍
将平台式惯性导航系统应用于无人 机航拍中，可实现高精度航拍图像 采集，为城市规划、资源调查等领 域提供重要数据支持。
救援任务
在救援任务中采用平台式惯性导航 系统，可快速定位失踪人员或物资 ，提高救援效率。
商业领域应用
物流配送
§3.7平台式惯导的基本原理
的扰动角运动，电机安装在平台的方位轴、内环轴和外环轴上，因此，
电机对平台的控制是从环架轴上传递到台体的。电机的作用是产生稳
定力矩，从这一角度考虑，我们将电机通过环架轴传递到台体的角运
动称为“扶正角运动”。
基座角速度传递到平台台体的过程如下：
外环轴摩擦
现为比力
f
在平台坐标系中的三个分量
f
p x
、
f
p y
和
f
p z
。如果使平台坐
标系精确模拟其一选定的导航坐标系(用 n 来标识) oxn yn zn ，也便得到
了比力在导航坐标系中的三个分量
f
n x
、
பைடு நூலகம்
f
n y
和
f
n z
，通过必要的计算和
补偿，可从中提取出载体相对导航坐标系的加速度矢量 vep 的三个分
我们知道，地球相对惯性空间是转动的，因而在地表任何一点的 水平坐标系也在随之一道转动。如果选定某种水平坐标系作为导航坐 标系，就必须给平台上的陀螺仪施加相应的指令信号，以使平台按指 令所规定的角速度转动，从而精确跟踪所选定的导航坐标系。指令角 速度可分解为三个坐标轴向的指令角速率，分别以控制信号的形式加 给相应陀螺的控制轴。当然，指令角速率信号需由载体的运动信息经 计算机解算后提供出来。这样就组成了平台的控制回路。下图给出了
(2) 内环坐标系 OX Y pi piZpi (下标 pi 表示 pitch) ，简称 pi 系，与内环 固联， Zpi 轴为平台方位轴(同 Zp 轴) ， X pi 轴沿平台内环轴(俯仰（纵 摇）轴)指向平台右侧， Ypi 与 X pi 、 Zpi 垂直构成右手直角坐标系。
惯性导航的工作原理及惯性导航系统分类
惯性导航的工作原理及惯性导航系统分类
惯性导航系统(INS)是一种自主式的导航设备，能连续、实时地提供载体位置、姿态、速度等信息;特点是不依赖外界信息，不受气候条件和外部各种干扰因素。
惯性导航及控制系统最初主要为航空航天、地面及海上军事用户所应用，是现代国防系统的核心技术产品，被广泛应用于飞机、导弹、舰船、潜艇、坦克等国防领域。
随着成本的降低和需求的增长，惯性导航技术已扩展到大地测量、资源勘测、地球物理测量、海洋探测、铁路、隧道等商用领域，甚至在机器人、摄像机、儿童玩具中也被广泛应用。
不同领域使用惯性传感器的目的、方法大致相同，但对器件性能要求的侧重各不相同。
从精度方面来看，航天与航海领域对精度要求高，其连续工作时间也长;从系统寿命来看，卫星、空间站等航天器要求最高，因其发射升空后不可更换或维修;制导武器对系统寿命要求最短，但可能须要满足长时间战备的要求。
涉及到军事应用等领域，对可靠性要求较高。
惯性导航的工作原理
惯性导航系统是一种自主式的导航方法，它完全依靠载体上的设备自主地确定载体的航向、位置、姿态和速度等导航参数，而不需要借助外界任何的光、电、磁等信息。
惯性导航是一门涉及精密机械、计算机技术、微电子、光学、自动控制、材料等多种学科和领域的综合技术。
其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、角加速度，将它对时间进行一次积分，求得运动载体的速度、角速度，之后进行二次积分求得运动载体的位置信息，然后将其变换到导航坐标系，得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置信息等。
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惯性导航系统分类。
平台式惯性导航系统原理及应用
战车定位
在战场上，平台式惯性导 航系统可为战车提供实时 、准确的定位信息，提高 作战效率。
舰艇导航
平台式惯性导航系统可为 舰艇提供稳定的导航服务 ，确保舰艇在复杂海况下 的航行安全。
单兵定位
单兵携带的平台式惯性导 航系统可为其提供实时定 位信息，提高单兵作战能 力。
民用领域应用
自动驾驶
平台式惯性导航系统可为自动驾驶汽车提供准确的定位和导航信 息，提高自动驾驶的安全性和可靠性。
惯性测量元件工作原理
陀螺仪工作原理
陀螺仪基于角动量守恒原理工作，当陀螺仪绕自身轴线旋转 时，其输出轴将指向一个固定方向，即陀螺仪的定轴性。通 过测量输出轴的角速度，可以得到载体相对于惯性空间的角 速度信息。
加速度计工作原理
加速度计基于牛顿第二定律工作，通过测量载体上的加速度 并积分，可以得到载体的速度和位置信息。加速度计的输出 受到重力加速度的影响，因此需要进行相应的补偿和校正。
平台式惯性导航系统 原理及应用演讲人：日期：目录
• 惯性导航基本原理 • 平台式惯性导航系统组成 • 平台式惯性导航系统工作原理 • 平台式惯性导航系统应用领域
目录
• 平台式惯性导航系统性能评估与优化 • 平台式惯性导航系统实验与仿真分析
01
惯性导航基本原理
惯性导航定义及发展历程
惯性导航定义
高精度、高动态性能
满足高精度定位和高动态运动 控制需求，提升系统性能极限
。
06
平台式惯性导航系统实验 与仿真分析
实验设计思路及实施过程
实验目的
验证平台式惯性导航系统的性能，包 括定位精度、稳定性等。
实验设备
高精度惯性测量单元、转台、控制系 统、数据采集与处理系统等。
基于安全运行的船舶平台式惯性导航解析
基于安全运行的船舶平台式惯性导航解析作者：罗幼果来源：《中国科技纵横》2012年第11期摘要：惯性导航系统是目前最为先进的导航技术之一,其中平台式惯性导航系统广泛的应用于我国的军事舰艇上。
本文通过对我国舰艇惯性导航技术的特点、发展历程、结构等方面的解析,探寻惯性导航技术的发展前景和方向。
关键词：舰艇平台式惯性导航陀螺仪加速度计惯性导航系统(Inertial Navigation System),是以牛顿力学定律为基础,利用惯性元件来测量载体本身的加速度,经过积分和计算后得到速度与方位,从而起到对载体导航定位的作用。
平台式惯性导航系统将惯性敏感元件安装在一个稳定平台上,以平台坐标系为基准,测量载体运动的参数信息的惯性导航系统,目前,我国的舰艇惯性导航系统是以具有精确度高、计算量小等优点的平台式惯性导航系统为主。
1、舰艇惯性导航技术特点简述舰艇惯性导航技术凸显出两个鲜明的特点,优点是它能够在不隔绝外界任何信息的情况下,实时的、不间断的、自主的计算并向舰艇提供关于位置、速度、方向等方面的参数信息,同时又不会将舰艇的暴露性信息反馈给外界。
缺点是它所计算出的参数信息在其原理上会存在误差,并且会随着时间的增长而增长。
舰艇惯性导航技术是为了配备的核潜艇而研制和发展的,其作用主要是为了满足长期在水下工作的潜艇的安全航行和导弹发射命中率所需的参数信息和舰艇的运动参数信息。
舰艇导航技术的不断进步既可以满足潜艇水下工作的隐蔽性要求,也能提高导弹的发射命中率。
2、我国的惯性导航技术的发展我国惯性技术的发展自上世纪60年代开始,至今已有50多年的历史,从最早的机械式陀螺自动驾驶仪发展到平台式惯性系统、捷联式惯性系统和惯性组合导航系统,从最初只应用于导弹发射技术到现在航海、航空以及航天等方面的应用,范围越来越广。
导航,顾名思义是指引导航行。
我国的惯性导航技术在舰艇上的应用开始于20世纪50年代,至今已经完成了传统的平台式惯性导航的早期发展阶段。
惯性导航技术发展与应用论文
惯性导航技术发展与应用【摘要】阐述了惯性导航的基本原理,并通过简图来表示出原理的示意图。
举出了常见的导航系统.总结了世界范围内惯性导航的发展历程与发展趋势,其中重点介绍了国内导航的发展路程。
而后简洁叙述了惯性导航的应用。
【关键词】惯性导航；平台式惯性导航；捷联式惯性导航0.引言惯性导航系统利用惯性敏感元件在飞机、导弹、舰船、火箭载体内部测量载体相对惯性空间的线运动和角运动参数，在给定的运动初始条件下，根据牛顿运动定律，推算载体的瞬时速度和瞬时位置。
惯性导航涉及到控制技术、计算机技术、测试技术、精密机械工艺等多门应用技术学科，是现代高精尖技术的产物。
1.惯性导航的基本原理在这里我们假设船舶在海面的较小范围内航行，这样舰船的活动区域可近似看作是一平面，球面导航就可以化为平面导航。
我们再假设载体的初始坐标（□，λ）。
载体是匀速航行，且东向、北向的分速度分别是ve0、vn0。
我们沿着船舶平台的正东方和正北方各安装一个加速度计，从这两个速度计中的输出，可以根据载体沿正东方向和正北方向的加速度：ae和an，并与初始速度相加得到载体的东向与北向速度。
ve=ve+atvn=ve+at也可以用再北向与东向的加速度的一次积分再与初速度求和，得到东向与北向的瞬时速度。
根据ve、vn可得出载体位置坐标经纬度（□，λ）的变化率，再积分则得到经纬度的变化量，加上初始坐标即可的载体的瞬时位置：□=□+∫vn／rdtλ=λ+∫ve／r cos□dt在惯性导航系统发展的过程中，一直存在着两种发展方向，即平台式与捷联式。
平台式方案是将陀螺仪安装在由框架构成的稳定平台上，用陀螺仪敏感平台的角运动，通过平台稳定回路使平台保持指向向上的稳定，把加速度计也放在稳定平台上，其敏感轴的指向也是明确的，加速度的输出信息由导航计算机处理，可方便地提取载体的加速度，计算载体速度、位置以及平台的控制量。
捷联式惯性导航系统，导航加速度计和陀螺直接安装在载体上。
惯性导航系统讲解
ALIGN FAULT
ON DC
DC FAIL
ALIGN FAULT
ON DC
DC FAIL
4. 惯导的基本原理
(一) 平台工作原理
陀螺稳定平台是利用 陀螺的稳定性和进动 性直接或间接地使某 一物体对地球或惯性 空间保持给定位置或 按照给定规律改变起 始位置的一种陀螺装 置
图10.4 由三自由度陀螺组成的三轴稳定平台
检查飞行中的航线数据
单独提供姿态基准信号
6.
惯导系统的精度及特点
惯导系统精度：漂移误差0.001度/秒 惯导系统特点： （1）自主式导航系统，全球、全天候导航 （2）系统校准后短时定位精度高 （3）体积小，精度高，操作简便，可与航道HSI,FDS 交连直观显示飞机位置和飞行姿态。
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§2 惯性导航系统操作程序
飞行前
VOR/DME 有精确坐标的位置点（NDB台、机场上空、显著地标等）
航站区域飞行：截获ILS前，可根据选定的电台提供非
精密导航操作。
惯导的其他功能
顺逆风显示 平行航线飞行 距离现在航迹400nm的范围内，利用惯性导航系 统可以执行平行偏离原航线飞行。使用自动驾驶 仪时，飞机自动转向偏离航线的平行航迹上。
惯性导航系统的自校准 引入现在飞机位置（经纬度），对飞机进行校准 要求：校准过程中不能开车，移动。校准完成后不能断开 惯性导航系统电源。 引进航路导航计划（9个航路点） 依次引进航路点的经纬度坐标，人工编排飞行计划。 人工输入VOR/TAC台站的数据（9个） 经纬度坐标 频率 标高 磁差 检查航线数据 为防止编排的航线计划出错，可以使用遥控功能检查航线 距离、待飞时间和航线角
惯性导航系统原理及其应用
惯性导航系统原理及其应用作者：陈继伟夏楚瑜杨璐来源：《商情》2013年第33期【摘要】本文介绍了惯性导航系统的主要组成器件，基本原理和主要类型。
列举了惯性导航系统在当前的主要应用领域及发展趋势。
【关键词】惯性导航系统 INS 陀螺仪惯性导航系统（Inertial Navigation System）是以惯性原理为理论基础，以陀螺仪和加速度计等为硬件设备基础，结合机电，光学，物理，数学，计算机科学等多种学科技术建立的导航参数解算系统。
与天文导航系统，无线点导航系统，卫星导航系统相比，惯性导航系统具有设备隐蔽性，导航自主性和信息获取完整性等独特优点，故惯性导航系统一直作为一种重要的导航设备，广泛应用于民用，军事，科研等多个领域。
一、惯性仪表惯性仪表，又称惯性器件，是惯性导航系统获取导航参数的主要硬件设备。
目前，惯性仪表主要指陀螺仪和加速度计。
（一）陀螺仪陀螺仪主要用于获取运动体角运动信息。
陀螺仪具有两大特性：定轴性，在不受外力矩作用时，陀螺转子的方向始终指向初始恒定方向。
进动性，在受外力作用时，陀螺转子讲偏离原始方向，做以下运动：根据以上两个特性制成的陀螺仪能够精确测定陀螺轴指向。
目前，陀螺仪发展已经进入第四个阶段，即激光陀螺，静电陀螺，振动陀螺广泛应用。
在未来，高灵敏度，高可靠性，结构简单，成本低廉的光纤陀螺将是主要发展趋势。
（二）加速度仪加速度计主要用于获取运动体加速度信息。
假设加速度计处于垂直方向上，由于地球重力影响，根据牛顿第二定律，只需已知测试元件质量，通过测量测试元件所受的力，便可求出运动体加速度。
通常记f（specific force）定义为作用在单位质量的非引力外力，可由加速度计测出。
目前，工程上常采用具有偏心质量的摆式加速度，常见有液浮摆式加速度计，陀螺积分加速度计。
二、惯性导航系统分类根据构建导航坐标系方法不同，常将惯性导航系统分为两类平台式惯性导航系统，将加速度计安装在稳定平台上，稳定平台由陀螺仪控制，使平台始终与要求的导航坐标系保持一致。
平台式惯性导航系统原理及应用
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（2）水平和方位修正 四套稳定系统使平台相对
惯性空间保持稳定，为使平 台跟踪地理坐标系，须对平 台实施水平和方位修正。即 利用地理坐标系运动规律给 平台各轴施加指令角速率 （施加到相应的陀螺力矩器 上）。
xt
V
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e
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sin
成任
8
第8页/共55页
二 平台式惯导的基本组成 平台式惯导系统由三轴陀螺稳定平台（包含陀螺仪）、
加速度计、导航计算机、控制显示器等部分组成。
三 三种平台式惯导的特点(p299)
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8.2 指北方位惯导系统
指北方位惯导系统是平台惯导中最基本的类型。陀 螺平台建立的理想坐标系与地理坐标系完全重合。这样 的平台需用一个三轴稳定平台，并对两个水平轴进行舒 勒调谐和积分修正控制其在水平面内，对方位轴系统施 以控制信号使其指向北方。
在矩阵计算中，减少繁琐的运算，提高计算性能。
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2.地球系与地理坐标系的关系（过程见p312） 这两个坐标系间关系与地理系原点所在经纬度有关，他们间的
电子信息工程学院31因为自由方位平台不施加方位指令dttgcossinsincos电子信息工程学院32cossinsincoscossinsincos为保持平台水平相应的控制指令角速率为电子信息工程学院33自由方位惯导系统原理电子信息工程学院34游动方位惯导系统与自由方位类似使平台的台面处于当地水平面方位轴只跟踪地球自转的分量
F惯
F弹
mgm
aip