第二章 平台式惯性导航系统
3.7平台式惯导的基本原理
的信息；2ωK
ie
×
K vep
是载体的相对速度
K vep
与牵连角速度
ωK ie
引起的哥氏加
速度；ωK ep
×
K vep
是法向加速度，而
K g
为重力加速度，gK
=
K G
− ωKie
×
(ωK ie
×
K R)
。
可将上述式子写成以下形式：
vKep
=
fK－[(2ωKie
+
ωK
ep
)
×
K vep
− gK] =
1）当地水平面惯性导航系统。这种系统的导航坐标系是一种当地 水平坐标系，即平台系的两个轴 OXp 及 OYp 保持在水平面内， OZp 轴 与地垂线相重合。由于两个水平轴可指向不同的方位，故这种系统又
可分为
（1）指北方位惯导系统。 这种系统在工作时 OXp 指向地理东向 (E)， OYp 指向地理北向(N)，即平台系模拟当地地理坐标系(用 t 来标
K f
−
K aE
上式表明，必须从测得的比力
f
中补偿掉有害加速度
G aE
，才能提
取出载体的运动加速度
vKep
。
G aE
中又包含两部分，一是重力加速度
K g
，
另一部分中又包含哥氏加速度和法向加速度。若按上式中的各个矢
量，用它们各自在平台坐标系中的分量来表示，则
v epp
=
f
p－(2ω
p ie
+
ω
p ep
)
×
vepp＋g
p
式 中 vepp
=
⎢⎢⎡vveeppppyx
导航系统
第1 章绪论1.1 导航的基本概念导航是引导运载体到达预定目的地的过程。
导航分两类：(1)自主式导航，用飞行器或船舶上的设备导航，有惯性导航、多普勒导航和天文导航等；(2)非自主式导航，用于飞行器、船舶、汽车等交通设备与有关的地面或空中设备相配合导航，有无线电导航、卫星导航。
在军事上，导航还要配合完成武器投射、侦察、巡逻、反潜和援救等任务。
高效、高精度的导航系统更是我国这种发展中国家赶超发达国家的战略性资源和倍能器。
在军用方面，随着新时期军事战略方针的转变及高新技术武器装备的发展，导航定位定向系统已经成为我军现代化建设中一项不可缺少的重要军事技术装备，其重要性表现在：它是信息战必不可少的基础设备，是建立战场统一坐标的前提，是快速、准确火力部署的保障，同时又是实现武器精确打击能力的必要条件。
所以，导航定位定向系统对迅速提高我军的综合作战能力，加快数字化部队建设至关重要；在民用方面，国外的导航定位定向系统己在大地测量、定向钻并、隧道掘进、地面车辆导航、飞机进场着陆、航天航空遥感、机载重力测量、公路监测、地下油气管道监测、矿井监测、激光断面监测等方面得到广泛地的应用，并取得了巨大的经济效益。
在日常生活中我们经常接触到的导航是车载导航，车载导航属于非自主式导航，车载导航是利用车载GPS（全球定位系统）配合电子地图来进行的，汽车GPS导航系统由两部分组成：一部分由安装在汽车上的GPS接收机和显示设备组成；另一部分由计算机控制中心组成，两部分通过定位卫星进行联系。
1.2 惯性导航(INS)概述通常说的惯性技术，是惯性器件、惯性测量、惯性导航、惯性制导和惯性稳定等技术的统称。
惯性技术既是一门学科，也是一门工程技术，在陆、海、空、天各个领域有着广泛应用。
惯性器件（陀螺仪和加速度计）、惯性仪表、惯性导航系统都是以牛顿力学定律为基础的。
惯性导航系统通过加速度计实时测量载体运动的加速度，经积分运算得到载体的实时速度和位置信息。
惯导(惯性导航系统).
北京七维航测科技股份有限公司 Beijing SDi Science&Technology Co.,Ltd.惯导(惯性导航系统)概述惯性导航系统（INS，以下简称惯导）是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。
其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。
惯导的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，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
惯性导航系统（英语：INS）惯性导航系统是以陀螺和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统，该系统根据陀螺的输出建立导航坐标系，根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置。
运用领域现代惯性技术在各国政府雄厚资金的支持下，己经从最初的军事应用渗透到民用领域。
惯性技术在国防装备技术中占有非常重要的地位。
对于惯性制导的中远程导弹，一般说来命中精度70%取决于制导系统的精度。
对于导弹核潜艇，由于潜航时间长，其位置和速度是变化的，而这些数据是发射导弹的初始参数，直接影响导弹的命中精度，因而需要提供高精度位置、速度和垂直对准信号。
目前适用于潜艇的唯一导航设备就是惯性导航系统。
惯性导航完全是依靠运载体自身设备独立自主地进行导航，不依赖外部信息，具有隐蔽性好、工作不受气象条件和人为干扰影响的优点，而且精度高。
对于远程巡航导弹，惯性制导系统加上地图匹配技术或其它制导技术，可保证它飞越几千公里之后仍能以很高的精度击中目标。
惯性技术己经逐步推广到航天、航空、航海、石油开发、大地测量、海洋调查、地质钻控、机器人技术和铁路等领域，随着新型惯性敏感器件的出现，惯性技术在汽车工业、医疗电子设备中都得到了应用。
因此惯性技术不仅在国防现代化中占有十分重要的地位，在国民经济各个领域中也日益显示出它的巨大作用。
北京七维航测科技股份有限公司Beijing SDi Science&Technology Co.,Ltd.导航和惯导从广义上讲从起始点将航行载体引导到目的地的过程统称为导航。
陀螺仪基本知识惯性导航
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将大地水准体用 一个有确定参数的 旋转椭球体来逼近 代替（如椭球面与 真实大地水准面之 间的高度差的偏差 平方和最小），这 种旋转椭球体称为 参考椭球体，简称 参考椭球。
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国际通用参考椭球体
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WGS-84坐标系基本参数
（1）椭球长半径 (a) 6378137 2m;
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5.机体坐标系 OX BY(BMZBobile Frame，Body Frame )
机体坐标系与飞机固连，
用表示OX BYB，Z坐B 标原点 机O纵与轴飞一机致重，心重O与合Z飞，B 机O竖X与B轴飞
一致， O与Y飞B 机横轴一致。Fra bibliotekZB YB
XB
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6.平台坐标系OX pYpZ（pPlatform frame ）
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二、惯性系统中常用的坐标系
在地球上进行导航，所定义的坐标系要将惯导系统 的测量值与地球的主要方向联系起来。因此涉及到了 各种不同的坐标系，主要有以下几类：
陀螺坐标系 地理坐标系 惯性坐标系 地球坐标系 载体坐标系
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1.陀螺坐标系oxyz
x轴：与陀螺内环轴一致，固连于内环上； z轴：与陀螺转子轴一致，固连于内环上；但不随转子转动； y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
2.传感器:输出与被测量参数成一定关系的电信号 。如陀螺航向传感器，角速度传感器。
3.本身作为一个元部件，与其它自动控制元部件 组成各种陀螺装置。如陀螺稳定平台，惯性导 航系统等。
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。
《惯性导航系统》教学大纲
课程类型：理论课（含实践/实验）学时：60 《惯性导航系统》教学大纲一、教学对象本标准适用于电气工程及其自动化、自动化等专业，三年级，本科层次学生。
二、课程概述（一）课程的性质、地位《惯性导航系统》课程是电气工程及其自动化、自动化、弹药工程、电子工程、火力指挥与控制等专业本科生必修的专业基础课。
本课程是在已经掌握《理论力学》、《航空电机学》、《自动控制原理》和《航空仪表》等课程的基础上，着眼惯性导航系统技术发展方向，立足航空航天领域惯性导航系统装备现状，研究惯性导航原理及其在陆海空天导航领域中的应用的一门课程。
(二)课程基本理念本课程以新时期新阶段高等教育发展战略为依据，坚持科学发展观，全面落实素质教育和创新教育，着力提高人才培养质量。
在教学过程中着眼学生惯性导航系统知识、能力和素质全面发展的基本要求，落实知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观“三位一体”的课程教学目标，注重理论与实践相结合，课内教育与课外教育相结合，注重学生创新意识与创新能力培养，培养复合型专业技术人才。
坚持启发式教学思想，突出“学为主体，教为主导”的教学理念，提倡现代化、多样化的教学方式，大力倡导自主探索、合作交流等积极主动的学习方式，使学生的学习过程成为在教师引导下的“再创造”过程。
遵循现代高等教育规律，瞄准专业发展前沿，贴近工程实际，突出惯性导航前沿理论和关键技术研究。
(三)课程设计思路以课程基本理念为指导，对课程目标分别从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等方面进行了具体明确的阐述。
课程内容与教学要求主要阐述学生学习本课程必须掌握的内容要点及达到的基本要求，并注明了重点和难点。
在实施建议部分，分别对课程教学实施、课程考核评价、教材选编使用、课程资源开发与利用以及教学保障等提出了明确建议。
以培养学生惯性导航系统知识、掌握惯性导航设备使用维护技能为课程设计主线，按总体设计、单元设计及课堂设计安排教学内容，采用研讨式、“问题链”式等符合现代教育理念的教学方法，拓宽学生的知识面，培养学生的专业技能和科学素质。
2012-02-27'第1章(1.4常用坐标系及变换)(3学时)
§1.4.1 导航中常用的坐标系
坐标的作用和区别：
{1,0} {-1,0} {0,2} {2.828, 45度}
6
§1.4.1 导航中常用的坐标系
坐标的转换：球面到平面
7
§1.4.1 导航中常用的坐标系
坐标系的定义： 坐标系是量测物体的质心或质点在空间的相对位置， 以及物体在空间的相对方位所使用的基准线组。 引入坐标系的目的： 1）确切地描述飞行器的运动状态。 2）研究飞行器运动参数的变化规律。 3）便于与时间一起反映物理事件的顺序性和持续性。
§1.4.1 导航中常用的坐标系
c
28
§1.4.1 导航中常用的坐标系
本书中重要的坐标系有： 1. 2. 3. 4. 5. 地心惯性坐标系 地球坐标系 地理坐标系 载体坐标系 导航坐标系
29
§1.4.2 在地球上运动的角速率表达
地理坐标系相对惯性坐标系随载体相 对地球坐标系的位置的变化而变化，载体 相对于地球的运动引起地理坐标系相对于 地球坐标系的转动。
2
第一章
§1.1 §1.2 §1.3 §1.4 §1.5
导航系统概述
导航与大地测量、制导的关系 导航技术发展简史 惯性导航技术发展简况 导航的基本概念和原理 地球形状描述与曲率半径
3
§1.4导航的基本概念和原理
§1.4.1 导航中常用的坐标系 §1.4.2 在地球上运动的角速率表达 §1.4.3 常用坐标系间的变换矩阵 §1.4.4 两种定位的方式及原理
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§1.4.2 在地球上运动的角速表达
地理坐标系相对于惯性参考坐标系的 转动角速度包括两部分：地理坐标系相对 于地球坐标系的转动角速度和地球坐标系 相对于惯性参考坐标系的转动角速度 。
惯性导航系统
分类
• 平台式惯性导航系统 根据建立的坐标系不同，又分为空间稳定和本地水平两种工作方式。空 间稳定平台式惯性导航系统的台体相对惯性空间稳定，用以建立惯性坐标 系。地球自转、重力加速度等影响由计算机加以补偿。这种系统多用于运 载火箭的主动段和一些航天器上。本地水平平台式惯性导航系统的特点是 台体上的两个加速度计输入轴所构成的基准平面能够始终跟踪飞行器所在 点的水平面（利用加速度计与陀螺仪组成舒拉回路来保证），因此加速度 计不受重力加速度的影响。这种系统多用于沿地球表面作等速运动的飞行 器（如飞机、巡航导弹等）。在平台式惯性导航系统中，框架能隔离飞行 器的角振动，仪表工作条件较好。平台能直接建立导航坐标系,计算量小， 容易补偿和修正仪表的输出,但结构复杂，尺寸大。
• 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： 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。
Vx Vx 0 ax dt
0
t
t
Vy Vy 0 a y dt
0
t
x x0 Vx dt
0
y y0 Vy dt
0
t
组成
惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等 组成。 • 惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪，又称惯性导航组合。 3个自由度陀螺仪用来测量运载体的3个转动运动；3个加速 度计用来测量运载体的3个平移运动的加速度。 • 计算机根据测得的加速度信号计算出运载体的速度和位置数 据。 • 控制显示器显示用陀螺仪的不同，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。 为了得到飞行器的位置数据，须对惯性导航系统每个测量通道的输出 积分。陀螺仪的漂移将使测角误差随时间成正比地增大，而加速度计的 常值误差又将引起与时间平方成正比的位置误差。这是一种发散的误差 （随时间不断增大），可通过组成舒拉回路、陀螺罗盘回路和傅科回路 3 个负反馈回路的方法来修正这种误差以获得准确的位置数据。
惯性导航系统概论惯性导航ppt课件
2.4 第四代发展阶段 当前，惯性技术目标是实现高精度、高可靠性、低成本、
小型化、数字化、应用领域更加广泛的导航系统一方面，陀螺 的精度不断提高；另一方面，随着新型固态陀螺仪的逐渐成熟 ，以及高速大容量的数字计算机技术的进步。
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2 我国惯导的发展历程 我国从“六五”开始，原国防科工委就把惯性技术纳人预先
11
3 惯性导航系统的发展方向
惯性导航系统的设计和发展须要考虑权衡的主要因素： 1)必须针对并满足应用的需求。其中导航性能和价格成本是
首要的两个特性指标。价格成本包含系统自身成本、维护 成本和使用寿命。因此对于很多导航应用，合理的价格仍 然被置于应用要求的最前面。导航性能包括：导航的精确 性、连续性、完整性、易用性。易用性是指系统易于使用 和维护、系统的自主性等。 2)实际的应用环境是最大的挑战。系统的体积、功耗、可靠 性和可用性会关系到惯性导航系统能否在具体的应用环境 中被采用。
基本导航参数即时位臵地速航向角航迹角航迹误差偏流角风速风向待飞时间待飞距离飞机姿态角角速率52惯性导航系统基本功能电子信息工程学院15基本导航参数电子信息工程学院16惯性导惯性导航组件航组件自动驾驶仪自动驾驶仪气象雷达气象雷达自动信自动信号引进号引进组件组件更新更新不更新不更新信号器信号器真航向磁航向真航向磁航向备用电池组件备用电池组件大气数据系统大气数据系统调协头调协头航路航路进近转换进近转换测距器测距器dmedme全向信标全向信标vorvor控制显控制显示组件示组件方式选方式选择组件择组件水平状水平状态指示态指示姿态指引姿态指引指示器指示器惯导系统与飞机其它系统的连接电子信息工程学院1753惯性导航系统基本组成和简要原理1
惯性导航原理
1
第五章惯导系统概论
平台式惯导系统
惯导系统的分类 基于当地地理坐标系的INS -- 稳定与修正 基于惯性坐标系的INS – 重力补偿 框架系统
* 1
第一页，共29页。
1.0 惯导系统的任务
platform
a x X Acc. a x V x
Sx
ay
ay
Vy
Y Acc.
Sy
vehicle
导航过程中, 平台必须模拟坐标系 XY, 这是借助于
*
22
22
第二十二页，共29页。
5.2 框架: 三环的闭锁
三环系统的限制：
外框架轴 // 载体的俯仰轴
载体可绕方位轴和俯仰轴任意转 动 载体绕滚动轴的转动只能限于 ±90º度之间
方位轴 滚动轴
俯仰轴
*
23
第二十三页，共29页。
23
5.3*框架: 三环的闭锁
当滚动角为 90 度, 框架系统 无法再隔离载体绕其新方位 轴（原俯仰轴）的转动
*
15
15
第十五页，共29页。
4.3 重力加速度的分量
当载体从 A 移动到 B,
重力加速度 g 的分量
gx
g
x Rh
gy
g y Rh
gz
g
R Rh
ZP
x
ZP
A
XP
gx
XP
B
g
gz
g 的大小也和载体距地面的高度有关
g
g0
R2 (R h)2
*
16
第十六页，共29页。
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4.3 重力加速度的分量
则
并假设 h << R
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y(t)y0 0VY(t)dt
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