《惯性导航简介》

惯性导航简介——《导航概论》课程论文专业：测绘工程A组姓名：师嘉奇学号：2015301610091一.摘要与关键字1.本文摘要：本文主要对导航工程的基本内涵，方法与原理进行简单介绍，主要介绍有关惯性导航的相关内容，并且根据在本学期《导航概论》这门课程上所学习的内容谈一谈自己对导航应用的设想以及对本课程教学的建议。

2.关键字：惯性导航，定位技术，应用与服务，发展与前景二.导航工程基本内涵导航定位的历史与人类自身发展的历史一样久远。

人类的导航定位活动源自于其生活和生产的需要。

陆地上的导航定位最早发生在人类祖先外出寻找食物或狩猎的过程中，那时，他们通常在沿途设置一些特殊的“标记”来解决回家迷路的问题。

随着探索遥远地域的愿望与行动的出现，他们则通过观察和利用自然地标（如山峰、河流、树木、岩石等)以及自然天体（恒星)来解决导航定位问题这也使得他们能够翻越高山、跨越河流。

谈到导航，很多人会认为这是一个在近现代才提出的词汇，但是，导航的历史已经非常久远了。

从古代黄帝作战使用的指南车，到战国时期的司南，从近代航海使用的指南针，再到当今社会人手一部的智能手机，导航已经有了很悠久的历史。

那么，导航工程的基本内涵到底是什么呢？首先，我们可以通过两个英文的句子来大概了解一下到底什么是导航“when am I？”和“How and when to get there?”，这两个问题问的是我现在在哪？我要怎么到那里去？它们也指出了导航的内涵，那就是在哪，怎样去，多久到达。

因此，通过科学的定义，将航行载体从起始点引导到目的地的过程称为导航，导航系统给出的基本参数是载体在空间的即时位置、速度和姿态、航向等，导航参数的确定由导航仪或导航系统完成。

通过这种技术引导载体方向的过程即为导航。

导航是解决人，事件，目标相互位置动态关系随时间变化的科学，技术，工程问题。

在室外或者自然环境中的导航，按照载体运动的范围，可分为海陆空天(海洋、陆地、空中、空间)导航四类；按照所采用的技术，常用的导航方法有，天文导航、惯性导航、陆基无线电导航、卫星导航、特征匹配辅助导航（如地形匹配、地磁匹配、重力匹配)等，以及上述导航方法之间的不同组合（组合导航）。

室内定位导航作为当今导航技术发展的个重要分支，它借鉴室外导航的相关技术，同时结合现代通信技术、网络技术传感器技术以及计算机技术的最新发展，已经成为一个重要的研究热点并在人们日常工作和生活中逐步得到应用。

室内导航与自然环境中的导航既有联系又有其自身的特点，其主要差异是来自于应用环境及所采用的技术方法不同。

导航系统有两种工作状态：指示状态和自动导航状态。

如导航设备提供的导航信息仅供驾驶员操纵和引导载体用，则导航系统工作为指示状态，在指示状态下，导航系统不直接对载体进行控制，如果导航系统直接提供信息给载体的自动驾驶控制系统，由自动驾驶系统操纵和引导载体，则导航系统工作于自动导航状态。

在这两种工作状态下，导航系统的作用都只是提供导航参数，“导航”的含义也侧重于测量和提供参数。

导航有很多种技术途径，如无线电导航，天文导航，惯性导航等可实现相应的导航任务，在这些导航技术中，惯性导航占有特殊的地位，惯性导航具有高度自主的突出优点，以牛顿力学为理论基础，只依靠安装在载体内的惯性测量传感器陀螺，加速度计和相应的配套装置建立基准坐标系,进而获得载体的加速度，推算速度位置等导航参数。

另外，现代运载体的高精度、长时间、远程导航等导航要求不断提高，单纯惯性导航不能完全满足，采用现代控制理论信息融合方法，以软硬件迅速发展的计算机为计算工具，将惯导系统和其他导航系统综合，构成以惯性导航为主，其他导航手段为辅的组合导航系统，应用日益广泛。

以制导技术为例，制导技术可以分为航路规划和目标跟随两部分，其中航路规划是根据地理参考系，物体所在的位置和目标方位计算物体到达目的地的合理路径，目标跟随是通过导引系统测量物体与目标相对位置，计算导航参数，最后到达目标的过程。

在当今社会，制导技术有着非常广泛的应用。

当然，谈到导航，也不完全都是高科技，在我们的身边，就有非常多的导航原理的应用，以动物界的导航现象为例，动物界存在着主动式和被动式两种导航的方式，具体来说，例如蝙蝠采用回波定位的方式进行导航，沙蚁通过偏振光导航，信鸽则采用的是地磁导航；当然，作为高等生物的人类，也具有很强的导航能力，人们通过太阳高度角认识季节，通过昼夜交替判断时间，通过日出日落判断东南西北，在人类的身体中，具有位置细胞，头部方向细胞和网格细胞，这些细胞都可以帮助人类进行导航。

因此，导航在我们生活的世界里无处不在，是一门非常重要的学科。

三.惯性导航简介通过上面的介绍，我们可以发现，在现代导航技术中，惯性导航具有非常重要的地位，这是因为惯性导航是一种完全自主式的先进的导航系统，它是根据牛顿力学定律，利用惯性器件来测量运载体本身的加速度，经过一次积分得到物体的速度，在经过一次积分得到物体的位移即地理位置。

他能提供运载体姿态，速度和位置的导航信息，并且和外界不发生任何光电关系，因此隐蔽性好，工作不受气象条件的限制。

这一独立的优点使其成为航空航天航海领域中的一中广泛应用的主要导航方法。

下面对惯性导航进行介绍。

1.导航系统的理论基础（1）1687年牛顿提出了力学和引力定律，是惯性技术的基础；（2）1765年俄国欧拉院士出版了“刚体绕定点转动的理论”的书，是陀螺仪理论的基础。

2.观星测量的基本原理（1）牛顿第一定律：物体在不受外力的情况下，始终保持静止后匀速直线运动状态；（2）牛顿第二定律：在宏观低速的情况下，物体的合外力等于物体的质量与加速度的乘积即F=m*a；（3）牛顿定律在惯性空间始终成立。

3.惯性导航主要内容惯性导航所要解决的基本问题是不断确定载体的姿态、速度和位置。

任何物质的运动和变化，都是在空间和时间中进行的。

物体的运动或静止及其在空间的位置。

是指它相对另一物体而言。

这就是说，在描述物体的运动时，必须选定一个或几个物体作为参考系。

当物体对于参考系的位置有了变化时，就说明该物体发生了运动；反之，如果物体对于参考系没有发生任何位置变化，就说明该物体是静止的。

惯性导航是通过采用惯性仪表或装置（陀螺和加速度计），实时测量载体运动相对某一空间基准的三维空间导航坐标系中的加速度，经计算得到载体的实时速度、位置以及姿态信息。

为了保证加速度计的输出是导航坐标系中的矢量，根据构建导航坐标系方法和途径的不同，可将惯性导航系统分为两种类型：一种是采用物理平台模拟导航坐标系的系统，称为平台式惯性导航系统；另一种是采用数学算法确定导航坐标系的系统，称为捷联式惯性导航系统。

平台式惯性导航系统采用陀螺稳定平台来始终跟踪所需要的导航坐标系，以解决安装在稳定平台上的加速度计输出信号的基准问题。

例如，当选择当地水平坐标系为导航坐标系时，通过陀螺的作用使平台始终跟踪当地水平面，三个直角坐标轴始终指向东、北、天方向，沿这三个坐标轴安装的加速度计分别测量出载体沿东西、南北和垂直方向的运动加速度。

将这三个方向上的加速度分量分别积分，便可以得到载体沿这三个方向的速度分量，即将这三个方向上的速度分量再分别积分，便得到载体沿这三个方向的位置分量。

载体在地球上的位置用经度L 、纬度B 和高程H 表示，它们的时间变化率可由载体沿东、北和垂直方向的运动速度计算得到：)()()()t (Φcos )()()(...t v t H h M t v B h N t v t L u ne =+=+= 其中，M,N 分别为地球参考椭球的子午圈曲率半径和卯酉圈曲率半径。

当将地球近似看成一个半径为R 的圆球时，则有M=N=R 。

在惯性导航系统中，陀螺提供载体的姿态改变量或它相对惯性空间的转动速率。

但是，加速度计却不能够将载体的总加速度即相对惯性空间的加速度与地球引力场引起的加速度分离。

这些传感器实际上提供的测量值是相对惯性空间的加速度与引力场吸引产生的加速度的代数和，简称比力(Specific Force)。

不论是平台式惯导系统，还是捷联式惯导系统，都要用到比力方程。

所以，对于惯性导航系统而言，需要联合有关载体转动测量值、比力和引力场的知识来计算相对于事先定义的参考框架中姿态、速度和位置的估计值，以实现其导航功能。

dt t a t v t v k t t e e k e )()()(00⎰+=dt t a t v t v dt t a t v t v k kt t u u k u t t n n k n )()()()()()(0000⎰⎰+=+=作为一种导航系统，惯性导航也有自己的不足之处，它也存在误差在分析惯导系统的工作原理时，是将惯导系统看成为一个理想的系统。

比如，认为指北方位系统的平台系真实地模拟了地理系。

但在实际惯导系统中，惯性元件、元件安装以及系统的工程实现中各个环节都不可避免地存在误差。

在这些误差因素影响下，惯导系统输出的导航参数不可避免地会有或大或小的误差，没有误差的导航系统是不存在的。

研究惯导系统误差的目的在于：通过分析确定各种误差因素对系统性能的影响，对关键元器件提出适当的精度要求；另一方面，借助误差分析，可以对系统的工作情况和主要元部件的质量进行评价；误差分析的结论是建立初始对准的理论基础，使惯导系统开始工作时有一个精确的初始条件；通过分析误差源对系统的影响，采取有效措施进行补偿，达到提高惯导输出参数精度的目的。

惯性导航系统性能的误差因素称为误差源，根据误差产生的原因和性质，惯性导航的误差源可以分为下面几种：（1）元件误差：它包括加速度计和陀螺仪的不完善所引起的误差，主要指陀螺的漂移和加速度计的零位偏差，以及两个元件的刻度因数误差。

（2）安装误差：指加速度计和陀螺安装到平台台体上的不准确性造成的误差。

（3）初始条件误差：指初始对准及输入计算机的初始位置、初始速度不准所形成的误差。

（4）计算误差：测由于导航计算机的字长限制和量化器的位数限制等所造成的计算误差。

（5) 原理误差：也叫编排误差。

是由于力学编排中数学模型的近似，地球形状的差别和重力异常等引起的误差。

例如、用旋转椭球体近似作为地球的模型，在导航参数的计算中就会造成误差；力学编排时忽略高度通道造成误差等。

（6）外干扰误差：包括两个方面：一是由于飞机机动飞行时的冲击及振动引起的加速度干扰；二是与惯导系统交联的其他导航设备带来的方位误差和位置及速度误差。

惯性导航的误差源不是彼此孤立的。

根据他们的来源、性质和对系统的影响，可以将其中的某几类归划到另几类中去，也可舍去一些次要因素，从而使问题的分析简单明了。

理论和实践证明，对惯性系统的工作性能影响较大的还是元件误差、安装误差和初始条件误差。

因此，为了减弱这些误差对惯性导航系统的影响，我们需要通过误差改正方程去提高导航的精度。