惯性导航的原理与应用
惯性导航技术发展与应用
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。
惯性导航的原理
惯性导航的原理惯性导航是一种基于惯性传感器测量的导航技术，它可以独立于外界参考，为导航系统提供必要的位置、速度和姿态信息。
惯性导航系统主要由加速度计和陀螺仪组成，通过测量加速度和角速度来推算出位置、速度和姿态等相关信息。
惯性导航的原理可以分为两个方面：加速度计和陀螺仪。
一、加速度计：加速度计是惯性导航系统中的一个重要传感器，它能够测量物体在三维空间中的加速度。
加速度计的工作原理是基于牛顿第二定律，通过测量物体受到的惯性力大小来推算出物体的加速度。
加速度计通常采用压电效应或微机械系统（MEMS）技术来实现测量。
当一个物体处于静止状态时，加速度计可以测量出物体所受到的地心引力加速度，即9.8米/秒²。
当物体发生运动时，加速度计可以测量出物体除地心引力之外的其他加速度。
通过对加速度的积分，可以得到物体的速度和位置信息。
然而，由于加速度测量中存在累积误差和噪声，积分过程会导致速度和位置信息的漂移。
二、陀螺仪：陀螺仪是另一个重要的惯性导航传感器，它能够测量物体在三维空间中的角速度。
陀螺仪的工作原理是基于陀螺效应，即物体在旋转时会产生角动量。
陀螺仪通过测量角动量的大小和方向来推算出物体的角速度。
陀螺仪通常采用悬挂式陀螺或光纤陀螺等技术来实现测量。
陀螺仪具有高精度和高灵敏度的特点，可以提供准确的角速度信息。
通过对角速度的积分，可以推算出物体的姿态信息，比如俯仰角、滚转角和偏航角等。
综合应用加速度计和陀螺仪的测量结果，惯性导航系统可以实现导航信息的获取。
加速度计提供了物体的加速度，而陀螺仪提供了物体的角速度，通过对加速度和角速度的积分，可以得到物体的速度和位置信息。
此外，陀螺仪还可以提供物体的姿态信息。
然而，惯性导航系统存在一定的问题和挑战。
首先，加速度计和陀螺仪本身存在噪声和漂移问题，这会导致定位和姿态信息的不准确性和不稳定性。
其次，积分过程会导致误差的累积，导致位置和姿态信息的漂移。
为了解决这些问题，通常需要结合其他导航系统，如全球定位系统（GPS）或视觉传感器等，进行信息融合处理，以提高惯性导航系统的精度和稳定性。
惯性导航系统
（二）导航参数测量原理
❖ 飞机位置计算原理
地速和航迹角
t
GSSN 0 aSN dt
t
GSEW 0 aEW dt
GS GSSN 2 SGEW 2 tanTTK GSEW
GSSN
▪ 位置
t
X 0 GSSN dt
t
Y 0 GSEW dt
t GSSN 0R
dt 0
t 0
②系统校准后短时定位精度高。
缺点：存在积累误差，随时间定位精度逐渐降低。
❖ 2.分类：
平台式惯性导航系统（水平导航） ❖加速度计和陀螺仪安装在1～2个三轴陀螺稳定 平台上的惯性导航系统。
❖陀螺稳定平台 捷联式惯性导航系统（水平导航和垂直导航）
❖将陀螺和加速度计直接固联于机体上的惯性导 航系统。
检查飞行中的航线数据 单独提供姿态基准信号
❖（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。
返回
返回
§2 惯性导航系统操作程序
❖ 飞行前
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
FAULT DC FAIL
备用电池组件BU
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
惯性导航仪的工作原理
惯性导航仪的工作原理惯性导航仪（Inertial Navigation System，简称INS）是一种用于航空、航海和导弹等领域的导航设备，它利用陀螺仪和加速度计测量物体在空间中的加速度和角速度，从而推导出物体的位置、速度和姿态信息。
惯性导航仪不依赖于外部参考物体，可以在没有地面基站或卫星信号的情况下进行导航。
一、惯性导航仪的组成部分惯性导航仪通常由三个陀螺仪和三个加速度计组成，分别用于测量物体的角速度和加速度。
陀螺仪用于测量物体绕三个轴的角速度，而加速度计用于测量物体在三个轴上的加速度。
这些传感器通过电子器件将测量到的数据转换为数字信号，然后传输给导航计算单元进行处理。
二、惯性导航仪的工作原理1. 加速度计的工作原理加速度计通过测量物体在三个轴上的加速度来推导物体的位置和速度信息。
加速度计通常采用微机械系统（MEMS）技术，其基本原理是利用微小的质量块和弹簧构成的振动系统。
当物体受到加速度时，振动系统会发生位移，通过测量位移的变化可以计算出加速度的大小。
2. 陀螺仪的工作原理陀螺仪通过测量物体绕三个轴的角速度来推导物体的姿态信息。
陀螺仪通常采用旋转质量和电容传感器构成的系统。
当物体绕某个轴旋转时，旋转质量会产生离心力，使电容传感器的电容值发生变化。
通过测量电容值的变化可以计算出角速度的大小。
3. 导航计算单元的工作原理导航计算单元是惯性导航仪的核心部分，它接收加速度计和陀螺仪传感器的数据，并利用运动学和动力学原理进行计算和推导。
导航计算单元通过积分加速度计的数据来计算速度和位移，同时利用陀螺仪的数据来推导物体的姿态信息。
导航计算单元通常采用微处理器或数字信号处理器（DSP）进行数据处理和算法运算。
三、惯性导航仪的优势和应用1. 优势惯性导航仪具有以下优势：- 不依赖外部参考物体：惯性导航仪可以在没有地面基站或卫星信号的情况下进行导航，适用于无人机、导弹等需要长时间、长距离飞行的应用。
- 高精度：惯性导航仪采用高精度的传感器和算法，能够提供精确的位置、速度和姿态信息。
《惯性导航原理》课件
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。
惯性导航技术
f
i
C
i b
f
b
第二章 惯性导航原理
3.2 惯性坐标系机械编排
第二章 惯性导航原理
3.2 惯性坐标系机械编排
比力 哥氏加速度 向心力加速度 当地质量引力加速度
dve dt
i
f
ωie ve
ωie (ωie r) g
g1 g ie [ie r]
重力矢量
vi f i ωi vi gi
3.捷联惯性导航机械编排
2）哥氏定理 哥氏定理：用于描述矢量的绝对变化率与相对变化率间
的关系。设有矢量 r ， m, n 是两个作相对旋转的坐标
系，则哥氏定理可描述为：
dr dt
m
dr dt
n
ωnm
r
根据哥氏定理，有
dr dt
e
dr dt
i
ωie
r
即 ve vi ωie r
第二章 惯性导航原理
则
xR yR
c11 c21
c12 c22
c13 c23
xr yr
C
R b
yxbb
zR c31 c32 c33 zr
zb
C 称 R 为方向余旋矩阵，或坐标变换矩阵。 b
第二章 惯性导航原理
4.捷联姿态计算
反之则有：
xb yb
c11 c12
c21 c22
c31 c33
第二章 惯性导航原理
1.惯性导航概述
比力的概念： 加速度计 并不能直接测量载体相对惯 性空间的加速度，而测量的 是比力，即惯性空间加速度 与引力加速度之差。量值是 作用在敏感器上的每单位质 量的非万有引力。 陀螺仪测量的是运载体相 对于惯性空间姿态变化或转 动速率。
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惯性导航的原理与应用
一、什么是惯性导航
惯性导航是一种基于惯性测量单元（Inertial Measurement Unit, IMU）的导航
技术，通过测量物体在空间中的加速度和角速度来确定物体的位置、速度和姿态等信息。
它不依赖于外部参考系，可以在没有GPS信号或者其他外部传感器的情况
下独立工作。
二、惯性导航的原理
惯性导航主要基于牛顿第二定律和刚体运动学理论，通过测量物体的加速度和
角速度来计算物体的位置、速度和姿态等信息。
2.1 加速度测量
加速度计是IMU中的一个重要组件，用于测量物体在各个轴向上的加速度。
加速度计的原理基于牛顿第二定律，通过测量物体在加速度计感知范围内的加速度，可以间接计算出物体在空间中的位置和速度。
2.2 角速度测量
陀螺仪是IMU中的另一个重要组件，用于测量物体的角速度。
陀螺仪的原理
基于刚体运动学理论，通过测量物体固连陀螺仪旋转的角速度，可以计算出物体的角位移和角速度。
三、惯性导航的应用
惯性导航具有独立工作、实时性高、适用于各种环境等优点，因此在许多领域
得到了广泛应用。
3.1 航空航天领域
在航空航天领域，由于GPS信号在高空、极地等特定区域无法覆盖，惯性导航成为了一种重要的辅助导航手段。
宇航员在太空行走时，使用惯性导航可以确定其位置和速度，从而进行正确的行动。
3.2 自动驾驶领域
在自动驾驶领域，车辆需要实时获取自身的位置、速度和姿态等信息，以进行
精确的导航和路径规划。
惯性导航通过IMU的测量，可以提供高精度的车辆动态
参数，为自动驾驶提供重要的数据支持。
3.3 体育训练领域
体育训练领域需要对运动员的动作、力量等进行精确监测和分析。
惯性导航可
以通过IMU的测量，实时监测运动员的加速度和角速度等信息，为教练员提供科
学的训练数据，改善训练效果。
3.4 船舶与潜艇领域
在船舶与潜艇领域，惯性导航可以在没有GPS信号的情况下，通过IMU的测
量提供船舶的准确位置和速度信息，帮助航海员进行航行和导航。
3.5 军事领域
惯性导航在军事领域有着重要的应用。
在导弹、飞机等军事装备中，惯性导航
可以提供高精度的定位和导航信息，帮助军事装备实现准确的打击和精确的导航目标。
四、总结
惯性导航是一种基于IMU的导航技术，通过测量物体在空间中的加速度和角
速度来确定物体的位置、速度和姿态等信息。
它在航空航天、自动驾驶、体育训练、航海和军事等领域有着广泛的应用前景。
随着技术的发展和研究的推进，惯性导航将进一步提高精度和准确性，为人们的生活带来更多的便利和安全。