惯性导航第一章概要
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惯性导航
ve
(RN h) cos
L vn RM h
h vu
式中，RM、RN分别表示地球子午圈、卯酉圈的曲率半径
，初始位置 0 L0 h0 应事先给出并输入惯导系统 。
测绘与国土信息工程系
惯性导航系统组成部分
一个完整的惯性导航系统应包括以下几个主要部分： 1. 加速度计。用于测量飞机运动的加速度，一般应由
数等数学计算。同时，为保证平台始终水平和指北， 要随飞机运动和地球自转，不断计算出修正平台位置 的指令信号。还要计算并补偿有害加速度等。 4. 控制显示器。一个功用是向计算机输入飞机初始运 动参数和位置参数；另一个功用是显示飞行过程中的 导航参数；还可以进行必要的控制操作，以实现惯性 导航的更多功能。
过对速度积分得到，即：
0
tk dt
t0
L L0
tk Ldt
t0
h h0
tk hdt
t0
式中，0 L0 h0 为载体的初始位置； L0 h 分别表示
经、纬度和高程的时间变化率，则载体的位置可由运动
速度计算，即
测绘与国土信息工程系
惯导系统工作原理的数学描述
测绘与国土信息工程系
捷联式惯导系统原理
测绘与国土信息工程系
捷联式惯导系统与平台式惯导系统比较
平台式惯性导航系统中环架将惯性敏感元件与载体的 角运动隔离开来，这样陀螺仪的测量范围可以较小， 系统的精度易于保证。
但平台的机械结构非常复杂,制造成本高、可靠性差 、体积大，这是其主要缺点。
测绘与国土信息工程系
测绘与国土信息工程系
陀螺运动的特点，归结起 来，主要表现为两方面： 一是它的稳定性 二是在受到外力矩时它以 适当的倾斜来反应。
惯导与GPS导航概述PPT学习教案
统和容错组合导航系统受到极大重视。
第24页/共47页
1.2.1 概述
图1.3 导航系统的演变与发展趋势
第25页/共47页
1.2.2 早期的导航方式 司南：战国时期，利用磁石制成，确定南北方位。
图1.4 汉代‘司南’模型
第26页/共47页
1.2.2 早期的导航方式 指南针：北宋初期。 罗盘针：把指南针固定在方位盘中。
测出地速大小 利用载体上的多普勒/航向系统
输出航向角
把地速分解为地理北向和东向分量
确定载体位置
（多普勒导航原理）
第33页/共47页
1.2.4 多普勒导航
多普勒导航的优点：主动工作、自主性强 （无需地面台站配合）
多普勒导航的缺点： （1）易受干扰、易暴露。（雷达开机发射电波） （2）定位精度与反射面的具体情况密切相关。
第4页/共47页
载体（运载体）在空间运动过程的基本参数？ 位置、速度 、姿态 是载体运动过程的基本参数。
检测和确定这些参数是通过 具有导航功能的系统 完成。
导航的实质： 即是要获取载体的这三个基本参数 或其中一部分参数。
第5页/共47页
1.1.1 导航与导航系统 （1）什么是导航？
导：引导 航：航行（泛指：飞行器、舰船、车辆、人、动物，等）
第16页/共47页
1.1.4 导航与制导的区别
导航与制导 没有本质 的区别。两者的概念就已交叉， 随着科学的发展，更是相互融合。
实行导航时，要确定飞行器的位置，并且航迹是事先确 定的，导航要实时、连续地给出飞行器的位置、速度、 加速度、航向等导航参数。
制导则是利用导航系统输出的加速度、速度、位置和航 向姿态等信息，形成指令信号，控制载体的姿态、航向 或发动机，使其按预定轨道航行并到达目的地。
第24页/共47页
1.2.1 概述
图1.3 导航系统的演变与发展趋势
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1.2.2 早期的导航方式 司南：战国时期，利用磁石制成，确定南北方位。
图1.4 汉代‘司南’模型
第26页/共47页
1.2.2 早期的导航方式 指南针：北宋初期。 罗盘针：把指南针固定在方位盘中。
测出地速大小 利用载体上的多普勒/航向系统
输出航向角
把地速分解为地理北向和东向分量
确定载体位置
（多普勒导航原理）
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1.2.4 多普勒导航
多普勒导航的优点：主动工作、自主性强 （无需地面台站配合）
多普勒导航的缺点： （1）易受干扰、易暴露。（雷达开机发射电波） （2）定位精度与反射面的具体情况密切相关。
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载体（运载体）在空间运动过程的基本参数？ 位置、速度 、姿态 是载体运动过程的基本参数。
检测和确定这些参数是通过 具有导航功能的系统 完成。
导航的实质： 即是要获取载体的这三个基本参数 或其中一部分参数。
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1.1.1 导航与导航系统 （1）什么是导航？
导：引导 航：航行（泛指：飞行器、舰船、车辆、人、动物，等）
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1.1.4 导航与制导的区别
导航与制导 没有本质 的区别。两者的概念就已交叉， 随着科学的发展，更是相互融合。
实行导航时，要确定飞行器的位置，并且航迹是事先确 定的，导航要实时、连续地给出飞行器的位置、速度、 加速度、航向等导航参数。
制导则是利用导航系统输出的加速度、速度、位置和航 向姿态等信息，形成指令信号，控制载体的姿态、航向 或发动机，使其按预定轨道航行并到达目的地。
惯性导航1(坐标系及方向余弦)PPT幻灯片课件
一点或某一矢量在一个坐标系中的坐标，变换成另一坐标系
的坐标来表示。
20
基于方向余弦的坐标变换
21
图1-9
22
方向余弦矩阵性质
23
方向余弦间关系式
九个方向余弦之间存在六个约 束条件，因而实际上只有三个 方向余弦是独立的。仅仅给定 三个独立的方向余弦，并不能 唯一的确定两个坐标系之间的 相对角位置。为了解决这个问 题，通常采用三个独立的转角 即欧拉角来求出九个方向余弦 的数值，这样便能唯一的确定 两个坐标系之间的相对角位置。
24
欧拉角
25
26
思考：小角度条件下转动？
27
地心惯性坐标系：原点取在地心，Zi轴与地球自 转轴一致，Xi、Yi轴在赤道平面内，构成右手直
角坐标系。地心惯性坐标系不参与地球的自转运 动，即其三根坐标轴在惯性空间的方向保持不变。
6
地球坐标系
7
地理坐标系
8
地理坐标系特点
9
10
11
12
13
载体坐标系 载体坐标系zb轴垂直于甲板， yp轴眼载体纵轴，
惯性导航
1
惯性导航核心： 1、需要确定载体加速度方向。(陀螺仪测姿态，
即加速度方向) 2、需要确定载体加速度大小。 (加速度计测加
速度大小)
陀螺仪和加速度计是惯性系统最关键的核 心惯性器件！
2
什么是运动物体的姿态？
词典: 指物体呈现的样子。
惯性技术: 指物体坐标系与参考坐标系相对角位移
关系。
15
惯性元件输出的信号是相对惯性空间的测量信 号，根据导航的任务不同，则必须将其转换为 地理坐标系或其他坐标系的信号。
---->坐标系的旋转及表示方法。
《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。
05
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。
《惯性导航原理》课件
本课程旨在介绍惯性导航的基本原理、技术特点、应用场景和发展趋势，为学生和 从业人员提供全面深入的学习资料。
课程目标
01
掌握惯性导航的基本原理和技术 特点。
02
了解惯性导航在各个领域的应用 情况。
探讨惯性导航的未来发展趋势和 挑战。
03
提高学生对导航技术的兴趣和认 知水平，为未来的学习和职业发
展打下基础。
在深空探测任务中，惯性导航系统为 航天器提供连续、高精度的位置和速 度信息，确保航天器在深空中的精确 导航和科学数据采集。
地球物理学研究
在地球物理学研究中，利用惯性导航 系统进行地震数据采集和地壳运动监 测，推动地质灾害预警和地球科学研 究。
05
惯性导航技术发展
技术现状
惯性导航技术已广泛应用于军事、航 空、航海等领域。
与其他导航手段融合
研究如何更好地将惯性导航与其他导 航手段（如GPS、北斗等）进行融合 ，实现优势互补。
人工智能与大数据的应用
讨论如何利用人工智能和大数据技术 对惯性导航数据进行处理和分析，提 高导航性能。
THANKS
感谢观看
潜艇导航
在潜艇导航中，惯性导航系统用于长时间隐蔽航行，提供连续的定 位信息，保障潜艇作战和战略威慑能力。
无人机导航
无人机依靠惯性导航系统进行长航程、长时间飞行，实现复杂环境 下的精确导航和任务执行。
民用应用
航空交通管制
在航空交通管制中，惯性导航系统为飞机提供精确的位置和速度 信息，确保空中交通安全有序。
的组合方法。
陀螺仪与加速度计
深入探讨了陀螺仪和加速度计的工作 原理、分类及优缺点。
误差分析与校正
讨论了惯性导航中常见的误差来源及 其校正方法。
课程目标
01
掌握惯性导航的基本原理和技术 特点。
02
了解惯性导航在各个领域的应用 情况。
探讨惯性导航的未来发展趋势和 挑战。
03
提高学生对导航技术的兴趣和认 知水平，为未来的学习和职业发
展打下基础。
在深空探测任务中，惯性导航系统为 航天器提供连续、高精度的位置和速 度信息，确保航天器在深空中的精确 导航和科学数据采集。
地球物理学研究
在地球物理学研究中，利用惯性导航 系统进行地震数据采集和地壳运动监 测，推动地质灾害预警和地球科学研 究。
05
惯性导航技术发展
技术现状
惯性导航技术已广泛应用于军事、航 空、航海等领域。
与其他导航手段融合
研究如何更好地将惯性导航与其他导 航手段（如GPS、北斗等）进行融合 ，实现优势互补。
人工智能与大数据的应用
讨论如何利用人工智能和大数据技术 对惯性导航数据进行处理和分析，提 高导航性能。
THANKS
感谢观看
潜艇导航
在潜艇导航中，惯性导航系统用于长时间隐蔽航行，提供连续的定 位信息，保障潜艇作战和战略威慑能力。
无人机导航
无人机依靠惯性导航系统进行长航程、长时间飞行，实现复杂环境 下的精确导航和任务执行。
民用应用
航空交通管制
在航空交通管制中，惯性导航系统为飞机提供精确的位置和速度 信息，确保空中交通安全有序。
的组合方法。
陀螺仪与加速度计
深入探讨了陀螺仪和加速度计的工作 原理、分类及优缺点。
误差分析与校正
讨论了惯性导航中常见的误差来源及 其校正方法。
惯性导航基本原理PPT课件
次积分而求得。要进行积分必须要知道初始条件: 初始速度，初始位置，初始姿态。而捷联惯导系统 中初始对准的另一个关键问题是要在较短的时间内 以一定的精度确定出从载体坐标系到地理坐标系的 初始变换矩阵。
21
2.对准要求 精确、快速。传感器精度高，同时对陀螺、加速
度计进行补偿
3.对准方法和过程 过程：分两步即粗对准和精对准 自主对准，不依赖外信息，受控式（依赖外信息） 方法：光的方法，天文的方法 粗对准：利用重力和地球自转角速率，直接估算
t
v i ( t ) v i ( t ) a i ( ) d 0 t0
t
r i ( t ) r i ( t ) v i ( u ) d u 0 t0
：视加速度，测量值；g ：引力加速度。
12
平台式惯导系统组成
13
5捷联惯性导航工作原理
陀螺、加速度计固联在载体上。 测量载体相对于惯性系的旋转角速度、加速 度矢量（在载体坐标系中的值）。然后依据初始 时刻载体的位置、速度及姿态，计算出载体坐标 系相对于惯性系的姿态角、加速度，对加速度一 次（二次）积分得到速度（位置）。
14
Ri (t) Ri (t) b (t)
b
b
ib
33
33
33
f i(t) R i (t) f b(t)
b
31
31
0
z
y
b ib
z
0 x
y
x
0
其中
R i ：b系至 i系的旋转变换矩阵； b
b ：捷联陀螺测得的 b系相对于i系旋转角速度矢 ib
量在 b系中的值，、、 为其轴向分量。
2
0
x 1 f (t t )3
6
21
2.对准要求 精确、快速。传感器精度高，同时对陀螺、加速
度计进行补偿
3.对准方法和过程 过程：分两步即粗对准和精对准 自主对准，不依赖外信息，受控式（依赖外信息） 方法：光的方法，天文的方法 粗对准：利用重力和地球自转角速率，直接估算
t
v i ( t ) v i ( t ) a i ( ) d 0 t0
t
r i ( t ) r i ( t ) v i ( u ) d u 0 t0
：视加速度，测量值；g ：引力加速度。
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平台式惯导系统组成
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5捷联惯性导航工作原理
陀螺、加速度计固联在载体上。 测量载体相对于惯性系的旋转角速度、加速 度矢量（在载体坐标系中的值）。然后依据初始 时刻载体的位置、速度及姿态，计算出载体坐标 系相对于惯性系的姿态角、加速度，对加速度一 次（二次）积分得到速度（位置）。
14
Ri (t) Ri (t) b (t)
b
b
ib
33
33
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f i(t) R i (t) f b(t)
b
31
31
0
z
y
b ib
z
0 x
y
x
0
其中
R i ：b系至 i系的旋转变换矩阵； b
b ：捷联陀螺测得的 b系相对于i系旋转角速度矢 ib
量在 b系中的值，、、 为其轴向分量。
2
0
x 1 f (t t )3
6
捷联惯性导航原理概要
捷联惯性导航原理概要捷联惯性导航（Inertial Navigation System，简称INS）是一种基于惯性力学原理运行的导航系统，用于测量和跟踪物体的位置、速度和加速度。
它通过内部的陀螺仪和加速度计来测量物体在空间中的运动状态，并根据质量、力和运动的基本原理来计算物体的位置和速度。
通过将陀螺仪和加速度计的输出信号转换为数字信号，并通过计算机处理，可以获得物体相对于初始参考点的位置和速度。
这些数据可以通过与地图或导航系统的集成来确定物体的位置和方向。
捷联惯性导航系统的原理是基于牛顿运动定律和旋转不变性原理。
根据牛顿第一定律，当物体处于惯性坐标系中且不受任何力的作用时，它将保持静止或匀速直线运动。
根据牛顿第二定律，当物体受到外力作用时，它将产生加速度。
根据旋转不变性原理，即物理量在不同坐标系下具有相同的数值，陀螺仪和加速度计可以测量物体的角速度和加速度，从而得到物体的位置和速度。
捷联惯性导航系统具有高精度和高稳定性的优势，尤其适用于无法使用其他导航系统（如GPS）或需要高精度导航的环境。
然而，它也存在一些局限性。
首先，由于陀螺仪和加速度计的测量误差和漂移，容易导致导航误差的累积。
其次，捷联惯性导航系统无法提供绝对位置信息，需要与其他导航系统集成才能获得绝对位置。
为了提高捷联惯性导航系统的性能，可以采用多传感器融合技术。
通过将多种导航系统（例如GPS、地图、惯性导航）的输出数据进行融合，可以提高导航的精度和可靠性，同时减少漂移和误差的影响。
总之，捷联惯性导航系统是一种基于惯性力学原理运行的导航系统，利用陀螺仪和加速度计测量物体的运动状态，并根据质量、力和运动的基本原理计算物体的位置和速度。
它具有高精度和高稳定性的优势，但也存在一些局限性，需要与其他导航系统集成才能获得绝对位置信息。
通过多传感器融合技术的应用，可以进一步提高捷联惯性导航系统的性能。
惯导1 力学基础
q ( , P)
可证明： 4．四元数的范数 定义
和
q* ( , P)
互为共轭
(qh)* h * q *
q
2 2 1 2 2 2 3
q qq* P P P
则称为规范化四元数
q 1
1.5 用四元素表示坐标变换
5．逆四元数
q
1
1 q* q q
当
q 1时 q
当角度α 、β 非常小时，经常采用如下假设：
cos 1 sin
1 C
sin sin 0
1
则从上述 OENδ 到 OXYZ 的方向余弦矩阵 可近似为：
1
1.5 用四元素表示坐标变换
一、四元数的基本概念
q cos
2
sin
2
cos i sin
2
cos j sin
2
cos k
为特征四元数 （范数为 1 ）
四元数既表示了转轴方向，又表示了转角大小（转动四元数）
四元数表示转动 矢量旋转
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） 扁率=(a-b)/a
1.2 地球的形状和重力特性
二、地球重力场特性
Z
地球的重力是地心引力j和地球自 转产生的离心力F的合力：
四元数：描述刚体角运动的数学工具，1843年由哈密顿提 出的。
针对捷联惯性导航系统，弥补欧拉参数在设计现代控制系 统时的不足。
惯性测量技术及导航分解
当转角α 、β 、γ 非常 小时，可以近似得：
x' 1 y ' z '
1
X Y 1 Z
绕定点转动 基座到内框架的变换
研究陀螺仪的运动，实质是研究 转子轴方向的变化规律。 能准确反映转子轴变化规律的是 内框架（而不是转子本身）。因此 对陀螺仪来说，一般更关心的是内 框架的运动规律。 从固定坐标系到内框架坐标系的 坐标变换方程为：
X x’ y’ z’ C11 C21 C31 Y C12 C22 C32 Z C13 C23 C33
绕定点转动 坐标系旋转
直接求取方向余弦矩阵比较困难，因此引入内框架坐标系 oxyz和外框架坐标系ox1y1z1，借助坐标旋转 。 旋转顺序： 外框架坐标系 ox1y1z1 绕 着外框架轴相对固定坐标 系OXYZ转过α角 内框架坐标系 oxyz 绕着 内框架轴相对外框架坐标 系ox1y1z1转过β角 转子坐标系ox’y’z’绕着 转子轴相对内框架坐标系 OXYZ转过γ 角
以角速度ω 绕固定点 O 转动的 刚体内任意一点 M 的速度
i V R x x
j y
k z
y z
( y z z y)i ( z x x z) j ( x y y x)k vxi vy j vz k
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
x' 1 y ' z '
1
X Y 1 Z
绕定点转动 基座到内框架的变换
研究陀螺仪的运动，实质是研究 转子轴方向的变化规律。 能准确反映转子轴变化规律的是 内框架（而不是转子本身）。因此 对陀螺仪来说，一般更关心的是内 框架的运动规律。 从固定坐标系到内框架坐标系的 坐标变换方程为：
X x’ y’ z’ C11 C21 C31 Y C12 C22 C32 Z C13 C23 C33
绕定点转动 坐标系旋转
直接求取方向余弦矩阵比较困难，因此引入内框架坐标系 oxyz和外框架坐标系ox1y1z1，借助坐标旋转 。 旋转顺序： 外框架坐标系 ox1y1z1 绕 着外框架轴相对固定坐标 系OXYZ转过α角 内框架坐标系 oxyz 绕着 内框架轴相对外框架坐标 系ox1y1z1转过β角 转子坐标系ox’y’z’绕着 转子轴相对内框架坐标系 OXYZ转过γ 角
以角速度ω 绕固定点 O 转动的 刚体内任意一点 M 的速度
i V R x x
j y
k z
y z
( y z z y)i ( z x x z) j ( x y y x)k vxi vy j vz k
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
惯性导航概述
2. 加速度的测量
若加速度计沿垂直方向向下以加速度 az 运动，且 az g
则：
f az g az g g g 0
即：无输出信号。为了解决这个问题，在加计的输出端加一个综 合环节——预先加一个－g。则，进入第一个积分器的信号
为 a g a。z 经过两次积分，可以得到高度。
g
M
—
1.3 舒勒调谐
在运动载体(车、船、飞机)的导航技术中常需要 地垂线方向作为基准，人们只能用摆(如单摆)寻 找地垂线。但摆极易受干扰，当载体加速或振动 时，摆就不再指示地垂线，有什么办法使摆不受 载体运动的干扰呢？
1.3 舒勒调谐
摆是一个振动系统，其固有振动周期是
如果高频干扰，摆的响应就不灵敏。因此，增加 摆长,增大固有振动周期就能降低受干扰的程度。
4 惯性导航
本章内容
1.1 惯性导航系统基本理论 1.2 惯导系统的分类 1.3 舒勒摆原理 1.4 惯导系统高度通道的不稳定性 1.5 惯导系统的基本方程——比力方程
1.1 基本理论
惯导系统是十分复杂的精密机电综合系统， 但其基本原理却是： 牛顿定律
V adt
S Vdt adtdt
若α有一个初始偏角α（0）和初始角速度å（0），则
或：
其中：
——相当于摆线长度等于地球半径的单摆所具有的周期 。
上述分析说明，当物理摆满足上面的条件时，原来静止且 垂直的物理摆不管载体的加速度有多大，运动到何处，物 理摆始终保持垂线位置。即使原来并不静止且不垂直，则 摆以84.4分钟为周期往复摆动，平均位置仍然跟踪地垂线， 与加速度和载体所处位置无关。
即
d2A dt 2
|i
＝f
G
f ＝ F弹 m
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X XT
Ω*t
– YT与XT、 ZT 组成的 平面垂直
Greenwich meridian
YT
– 固连于地球上并与地 球一起转动
返回
2018年11月27日
17
机体坐标系
ZB
XB：飞机纵轴
YB：飞机横轴
YB
ZB：飞机立轴 姿态角： γ - roll - pitch - heading
返回
XB
2
第一章
导航和惯性导航系统以及坐标系
1. 导航和惯性导航 2. 惯性和非惯性坐标系
2018年11月27日
3
第一节
导航和惯性导航
导航及其种类
导航：是指将载体从一个位置引导到另一个位置的过程。 导航基本要素：位置、速度、航向
种类：导航仪表、无线电导航、天文导航、多普勒雷达导航、 卫星导航、惯性导航和组合导航。
2018年11月27日
20
地理坐标系与机体坐标系的关系
设起始时地理坐标系与机体坐标系重合。
飞机绕其竖轴转动ψ角，相当于飞机方位发生了变化，即航向 发生了变化 飞机绕其纵轴转动γ角，相当于飞机有倾斜角。 飞机绕其横轴转动θ角，相当于飞机有俯仰角。
姿态角定义
航向角：飞机纵轴在水平面内的投影相对地理系指北线夹角 俯仰角：飞机纵轴与地平面间的夹角或飞机绕其横轴的转角 倾斜角：飞机横轴与地平面间的夹角或飞机绕其纵轴的转角
2018年11月27日
4
导航方法简介 无线电导航
利用无线电波直线传播及恒速特性 机上接收系统 精度较高，电波易受干扰
多普勒雷达导航
利用多普勒效应测量速度 无需地面台，定位精度与反射面形状有密切关系 当接收不到反射波时无法工作
2018年11月27日
5
导航方法简介 卫星导航
无线电波传输，依赖卫星 导航卫星、地面站和用户设备三大部分 导航精度高，适于全球导航，价格低廉 需要庞大地面站支持，电波易受干扰，卫星受人控制
天文导航
借助星体跟踪器自动跟踪两个星体 云雾天气飞行或中低空无法看到其它星体
2018年11月27日
6
导航方法简介 惯性导航
基本原理——惯性测量元件测量载体相对于惯性空间的运 动参数，并经计算后实施导航任务。
加速度计——加速度——速度与位置 陀螺仪——角运动——姿态和航向
2018年11月27日 7
2018年11月27日 10
惯导系统特点
工作自主性强 提供导航参数多 抗干扰力强，适用条件宽 导航精度随飞行时间增加而不断下降
平台式惯导与捷联式惯导
是否存在实体平台 平台式惯导存在实际的陀螺稳定平台，承载惯性元件 捷联式惯导采用“数学平台”，加速度计和陀螺仪直接安装 在载体上
陀螺坐标系
– ox轴：与陀螺内环轴一致，固连于内环上 – oz轴：与陀螺转子轴一致，固连于内环上，但不随转子转动 – oy轴：与oxy平面平行，大方向与外环一致，但一般不与外环 轴一致
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地理坐标系
ZT N
V E G L XT
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– E轴：指东，即坐标 原点纬线向东的方向 – N轴：指北，即坐标 原点经线向北的方向 – V 轴：沿地垂线方向
地球自转 飞机运动
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地球自转的影响
•地球自转的影响仅与纬度有关，两个方向上的分量： • 北方向上的分量: N e cos • 垂直方向上分量: z e sin
e
N
Pole Axis
z
Earth Rotation is φ
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导航方法简介 组合导航
提高导航系统的余度和容错能力 GPS+INS；无线电导航+惯性导航；三者组合
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坐标系定义（一）
陀螺坐标系 地理坐标系 惯性坐标系 地球坐标系 机体坐标系 平台坐标系
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陀螺坐标系
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地理坐标系与机体坐标系的转换:
XB
Pitch
ZB
ZB XG YG ZG γ:Roll XB YB ZB XB Yaw YB
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YB
e heading
返回
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地理坐标系与惯性坐标系的关系
地理坐标系相对惯性坐标系的运动组成：
YT
返回
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惯性坐标系
Z
– 取地球中心为原点
– Z轴：指向地球自转 轴方向
– 另外两轴在赤道平面 内，不随地球转动
equator
X
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Y
返回
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地球坐标系
ZT Ω – WGS-84 (XT,YT,ZT)
– XT 赤道平面和与本 初子午线的交线
– ZT 地球自转轴重合
equator
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平台坐标系
•原点：飞行器中心
•ZP=ZG:地垂方向
•XP,YP,:水平面上
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坐标系转换关系（二）
在飞机上模拟惯性坐标系或地理坐标系
利用三自由度自由陀螺或定位陀螺来模拟惯性系或地理系
坐标系转换关系
地理坐标系与机体坐标系的关系（姿态角） 地理坐标系与惯性坐标系的关系
惯性导航系统
张晓瑜
中国民航大学航空自动化学院电子系 2018/11/27
讲述内容
导航与惯性导航概述与坐标系 陀螺仪及应用 加速度计 惯性平台 舒勒摆原理及其在平台惯导系统中实现 惯性导航系统的系统误差 捷联式惯导系统 惯导系统的初始对准 组合导航
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用经、纬度表示的简化惯导系统方框图
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惯导系统基本组成
惯性元件——加速度计、陀螺仪 测量飞机运动的加速度、角速度 稳定平台 为加速度计提供准确的安装基准和测量基准 导航计算机 进行积分、相加、乘除和三角函数等数学计算，同时计算修正指令 控制显示组件 导航参数显示、初始数据的引入、系统实验、故障显示和告警 方式选择组件 控制系统的工作状态 备用电池组件 交流电源失效时，作为备用电源
e
返回
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φ means Latitude
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飞机飞行的影响（1/2）
巡航 ZP 巡航 ZP
YP
YP
ZP