现代导航技术第2章(惯性导航技术及系统)

现代军用导航技术

作者: 东北一只虎发布日期: 2005-11-11

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精确制导武器给人的印象是精确打击所需的末制导技术。但是，实际的中远程制导武器（如防区外打击武器）在到达最后攻击处的巡航或滑翔阶段中，需要由导航系统按照一定的预定轨迹修正运动姿态，以保证导弹或制导炸弹在飞行末段进入末制导导引头的有效制导区域，否则就会因目标丢失造成脱靶。此外，由于战场空间的拓展，导航技术在多种军事装备中广泛应用，甚至拓展到单兵系统。现代战争迫切要求武器系统装备精密导航设备，提供准确的导航信息，来提高武器的战斗性能。

一、卫星导航技术

卫星导航技术是指利用卫星导航定位系统提供位置、速度及时间等信息来完成对各种目标的定位、导航、监测和管理。它综合了传统天文导航定位和地面无线电导航定位的优点，相当于设置在太空的一个无线电导航台，可在任何时间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度。

目前成功应用的卫星导航系统有

1.美国的GPS、

2.俄罗斯的GLONASS和

3.我国自主研制生产的"北斗一号"卫星导航系统。

4.欧洲正在实施"伽利略"计划，预计将于2008年投入使用。

1. GPS导航系统

GPS、GLONASS和"伽利略"均为全球导航系统。它们工作原理类似，均是利用同时接收到4颗以上导航卫星的导航信号，计算出导航信息。GPS是由美国国防部运作的军民两用系统，直接目的是为了满足军事需要。该系统已经广泛地应用在美军的各种武器平台上，扩展为精确制导武器中复合制导的一种极其重要的手段。GPS系统提供需授权的P码（可加密为Y码）精密定位服务（PPS）和C/A码标准定位服务（SPS）。目前，P码提供的运动目标在空间的位置精度可达5m，测速精度优于0.1m/s，计时精度可达20ns。GPS已成为美军实施远程精确打击的"法宝"，在多次军事冲突中发挥了重要作用。为了增强GPS的稳定性和抗干扰性，美军近年来对GPS进行了一系列的改进：改变军用接收机对C/A码的依赖直接获取P（Y）码；发射新型GPS卫星，将军用和民用码分离，增加新的民用频率，播发新的军用M码并加大其发射功率；利用战场上空的无人机创造伪GPS星座，增强抗干扰性等。

二、惯导系统的发展历史及发展趋势

1.惯性导航系统的概念·························2

2.惯导系统的发展历史及发展趋势···············3

惯性导航系统的发展·······················3

我国的惯性导航系统·······················5

捷联惯导系统现状及发展趋势···············6

3.惯性导航系统的组成························10

4、惯性导航系统的工作原理····················14

5、惯性导航系统的功能·······················18

6、惯性导航系统的服务模式与应用模式··········20

7、惯性导航系统当前的应用情况················21

8、惯性导航系统的特点························23

系统的主要优点······················23

系统的主要缺点·····················24

9、惯性导航系统给我们的启示················24

1

惯性导航系统

一、惯性导航系统的概念

什么是惯性导航或惯性制导呢?惯性导航系统（INS）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。在给定的运动初始条件（初始地理坐标和初始速度）

下，利用惯性敏感元件测量飞机相对惯性空间的线运动和角

运动参数，用计算机推算出飞机的速度、位置和姿态等参数，

从而引导飞机航行。

推算的方法是在运载体上安装加速度计，经过计算(一

次积分和二次积分)，从而求得运动轨道(载体的运动速度和

距离)，进而进行导航。在运载体上安装加速度计，用它来

敏感、测量运载体运动的加速度，经过计算(一次积分和二

次积分)，从而求得运动轨道(运载体运动的速度和距离)，

并且产生对运载体运动所需要的控制信号，控制运载体按要

求弹道运动，称为惯性制导。这就是说，惯性制导是对运载

《惯性导航系统》学习指南

1 学习指南

《惯性导航系统》课程包括惯性导航基础、惯性元件、惯性平台、平台式惯导原理、捷联式惯导原理等5个单元的内容。由于本门课程具有：涉及知识面宽，与物理学、工程力学、控制科学、材料学、计算机科学等知识联系紧密；教学内容丰富，数学公式复杂，空间关系抽象，逻辑推理和形象思维要求高的课程特点，导致课程在教学过程易于出现教师难教、学生难学的现象。为帮助大家学好本门课程，我们给出学习建议，供大家参考。

一、课程前后关系

1．前置课程

本门课程是电气工程及其自动化和自动化等专业的专业基础课，根据专业人才培养方案和课程自身的知识体系结构，学习本门课程需要具备《物理学》、《理论力学》、《电机学》、《电路原理》、《模拟数字电路》、《自动控制原理》和《陀螺原理》等相关课程的专门知识，这些知识是学好本门课程的重要基础。

2．后续课程

本门课程的后续课程主要有《飞行控制系统》、《组合导航系统》、《机载航电设备》等。学好本门课程可以为上述课程的学习打下良好的学习基础。

二、主讲教材与参考教材

1．主讲教材

本门课程的主讲教材是2008年9月国防工业出版社出版的空军航空机务体系统编教材《惯性导航》。该教材从惯性导航基础、惯性元件、惯性平台、平台式惯导原理、捷联式惯导原理五个知识模块，系统阐述了惯性导航基本概念、基本原理和基本结构。 2 教材针对惯性导航理论抽象、复杂的特点，特别加强了空间概念、坐标系转换和惯导几何位置关系的物理解释，惯性导航方程、力学编排方程、误差方程、对准方程等复杂公式推导过程的物理本质分析，以便于读者加深对惯性导航内涵和实质的理解。

2．参考教材

本门课程为广大读者提供了大量辅助参考资料，参考资料包括参考教材、学位论文、学术论文三个类别。这些参考资料有助于读者全面了解惯性导航及相关领域的知识结构，惯性导航理论和技术的发展方向。以下给出的是主要参考教材清单。

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.

高中地理：惯性导航系统(INS)与全球卫星定位系统(GPS)结合技术在飞行器上的应用

惯性导航系统（INS）与全球卫星定位系统（GPS）结合技术在飞行器上的应用

目前飞行器所使用的导航系统，能适应全天候、全球性应用的确实不多。传统无线电导航，如塔康（TACAN）等，在应用上存有很多的限制和不便之处。而为改善此缺点，一套不需要其它外来的辅助装置，就可提供所有的导航资料，让飞行员参考的惯性导航系统（Inertial Navigation System），虽已被成功发展并广为应用，但其在系统上的微量位置误差会随飞行时间的平方成正比累积，因此长时间飞行会严重影响到导航精确度，如果没有适当的修正，位置误差在一个小时内会累积超过300米。另一套精密的导航系统GPS，其误差虽不会随时间改变，但GPS并非万能，有优点，也有先天的缺陷，它在测量高机动目标时容易脱锁并且会受到外在环境及电磁干扰，再者GPS短时间的相对误差量大于INS，若只依靠它来做导航或控制，会造成相反效果。所以在导航系统设计上，常搭配惯性系统来使用，正巧GPS与INS有互补的作用，可经过一套运算法则，将两者优点保留，去除缺点，本文即针对两种导航系统特性进行探讨，并利用卡尔曼滤波器法则完成简易测量数据关系推导，设计一套“GPS/INS组合式导航系统”。

2 前言

早期舰船航行常利用“领航方法”来决定载体的位置及方向，观察陆地突出物，来引导船身驶向某处目标。随着飞行器的问世，初期飞行也全凭借着飞行员对当时自我方向、距离、高度及速度的感觉来控制驾驶，执行起飞、落地及飞机转场等等动作。这种控制载体由一个地方到另一个地方其间方向与距离指示的艺术，就称之为“导航”（Navigation）。然而仅仅依循着人为的导航方式，在天气良好条件下或周遭存有许多明显参考目标物时，单纯凭目视来判断飞行并不困难；但如果遇上天气条件不佳、能见度差、参考目标不存在活不明显时，就得依靠飞行员的经验、技巧及运气来进行方位及位置的判别，这无形中会造成飞行员的压力，更会严重影响到飞行安全的诸多不确定因素。因此，人们就积极开发各种导航技术，借着科技的快速发展与进步，导航的艺术也变得更多样化且精确可靠。“导航科学”可定义为“计算并决定一个载体的位置与预先设定的目的地的方向的一种应用”。

惯性导航系统的发展及应用

绪论

惯性导航是一门重要的学科技术，它是飞机、船舶、火箭等载体能顺利完成导航和控制任务的关键性技术之一。1942年德国在V-2火箭上首次应用了惯性导航原理；1954年纯惯性导航系统在飞机上试飞成功。30余年来，惯性导航技术获得迅速发展。在我国惯性导航技术已在航空、航天、航海和陆地车辆的导航和定位中得到应用。1970年以来，我过多次发射的人造地球卫星和火箭都采用了本国研制的惯性导航系统。不仅如此，70多年以来，这门科学技术还在大地测量、海洋勘测、石油钻井、航空测量和摄影等国民经济领域里获得成功应用。

惯性导航简介

惯性导航（Inertial Navigation）是20 世纪中期发展起来的完自主式的导航技术。通过惯性测量组件（IMU）测量载体相对惯性空间的角速率和加速度信息，利用牛顿运动定律自动推算载体的瞬时速度和位置信息，具有不依赖外界信息、不向外界辐射能量、不受干扰、隐蔽性好的特点，且惯导系统能连续地提供载体的全部导航、制导参数（位置、线速度、角速度、姿态角）。惯性导航技术，包括平台式惯导系统和捷联惯导系统。平台式惯性导航系统将陀螺通过平台稳定回路控制平台跟踪导航坐标系在惯性空间的角速度。捷联惯性导航系统利用相对导航坐标系角速度计算姿态矩阵，把雷体坐标系轴向加速度信息转换到导航坐标系轴向并进行导航计算。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飞行器的三个转动运动；3个加速度计用来测量飞行器的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飞行器的速度和位置数据。控制显示器显示各种导航参数。

陀螺仪

陀螺仪是惯性系统的主要元件。陀螺仪通常是指安装在万向支架中高速旋转的转子，转子同时可绕垂直于自转轴的一根轴或两根轴进动，前者称单自由度陀螺仪，后者称二自由度陀螺仪。陀螺仪具有定轴性和进动性，利用这些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角偏差的位置陀螺。由于光学、MEMS 等技术被引入于陀螺仪的研制，现在习惯上把能够完成陀螺功能的装置统称为陀螺。陀螺仪种类多种多样，按陀螺转子主轴所具有的进动自由度数目可分为二自由度陀螺仪和单自由度陀螺仪；按支承系统可分为滚珠轴承支承陀螺，液浮、气浮与磁浮陀螺，挠性陀螺（动力调谐式挠性陀螺仪），静电陀螺；按物理原理分为利用高速旋转体物理特性工作的转子式陀螺，和利用其他物理原理工作的半球谐振陀螺、微机械陀螺、环形激光陀螺和光纤陀螺等。

机器人行业服务机器人应用方案

行业服务应用方案

第1章服务概述 ............................................................................................................................. 3

1.1 服务市场发展现状 ........................................................................................................... 3

1.2 服务分类与关键技术 ....................................................................................................... 4

第2章服务应用场景 ..................................................................................................................... 4

2.1 餐饮服务领域 ................................................................................................................... 4

2.1.1 迎宾服务 ....................................................................................................................... 5

2.1.2 点餐服务 ....................................................................................................................... 5

惯性导航系统的软件设计

第２９卷第１期　

２００２年１月　应　用　科　技　

Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．２９．№．１　

Ｊａｎ．，２００２　

文章编号：１００９—６７１Ｘ（２００２）０１—００３８—０２　

惯・陛导航系统的软件设计　

戎健美，程建华　

（哈尔滨工程大学自动化学院、黑龙Ｌｒ－哈尔滨　１５０００１）　

摘　要：介绍ｒ在实时操作系统ＶｘＷｏｒｋ￣和图形包ＲｔＸ　Ｗｉｎｄｏｗｓ的基础上，编制一套多功能、多任务的惯　

性导航系统的应用软件系统的几个主要问题　①　

关键词：ＶｘＷｏｒｋ￣；ＲｔＸ　Ｗｉｎｄｏ￣；惯性导航系统　

中图分类号：ＴＰ３９３　２文献标识码：Ａ　

Ｔｈｅ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｉｎｅｒｔｉａｌ　Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　

ＲＯＮＧ　Ｊｉａｎ—ｍｅｉ，ＣＨＥＮＧ　Ｊｉａｎ—ｈｕａ　

Ａｕｔｏｌｎａｔｋ＞ｉ＇＊Ｃｏｌｌｅｇｅ、Ｈａｒｂｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｌｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ、Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１、Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｅ　ｉｎｔｒ（ｘｌｕｃｅｄ　ｓｏｎｌｅ　ｍａｉｎ　ｉｓｓｕ￣ｏｆ　ｐｒｏｇｒａｉｎｍｉｎｇ　ｏｆ　ａｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｕｈｉ—　

ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ａｎ（３　ｎｍｈｉｔａｓｋｉｎｇ　ｉｎｅｒｔｉａｌ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｒｉ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｖｘ—　

Ｗｏｒｋｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｇｒａｐｈｉｃｓ　ｐａｃｋａｇｅ　ＲｔＸ　Ｗｉｎｄｏｗｓ　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＶｘＷｏｒｋｓ；ＲｔＸ　Ｗｉｎｄｏｗｓ；ｉｎｅｒｔｉａｌ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　

０　引　言　

惯性导航是自主式导航系统．具有完全独立　

工作性能，不受任何自然条件或环境的干扰或影　

响，具有连续长时间工作的特点、也具有精度高的　

无人驾驶系统的定位和导航技术解析

随着科技的不断进步和人们对智能化生活的需求，无人驾驶技术逐渐成为了现实。无人驾驶系统的定位和导航技术是实现无人驾驶的核心，本文将对其进行解析。

一、定位技术

无人驾驶系统的定位技术是指通过各种传感器和算法，准确地确定车辆的位置和姿态。目前，主要的定位技术包括全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（INS）和视觉定位系统（VPS）等。

全球定位系统（GPS）是最常用的定位技术之一。通过接收卫星发射的信号，GPS可以确定车辆的经纬度坐标。然而，GPS在城市峡谷等信号遮挡的环境中容易失效，因此需要结合其他定位技术来提高精度和可靠性。

惯性导航系统（INS）是一种通过测量车辆的加速度和角速度来估计位置的技术。INS具有高精度和实时性的优势，但是由于误差累积的问题，长时间使用会导致定位偏差。因此，INS通常与其他定位技术结合使用，以提高定位的准确性。

视觉定位系统（VPS）是利用摄像头和图像处理算法来实现定位的技术。通过识别和匹配环境中的特征点，VPS可以确定车辆的位置和姿态。VPS具有较高的精度和稳定性，但是对环境要求较高，需要有足够的纹理和光照条件。

二、导航技术

无人驾驶系统的导航技术是指根据定位信息和地图数据，规划和控制车辆的运动轨迹。目前，主要的导航技术包括路径规划、环境感知和运动控制等。

路径规划是指根据起点、终点和地图数据，确定车辆的最优行驶路径。常用的路径规划算法包括A*算法、Dijkstra算法和深度优先搜索算法等。这些算法可以考虑车辆的动力学约束和交通规则，确保车辆的行驶安全和效率。环境感知是指通过传感器获取车辆周围环境的信息，包括道路、障碍物和交通标志等。常用的环境感知技术包括激光雷达、摄像头和毫米波雷达等。这些传感器可以实时监测周围环境的变化，并将数据传输给导航系统，以便做出相应的决策。

运动控制是指根据导航系统的指令，控制车辆的加速度、转向和制动等。无人驾驶系统通常使用电控单元（ECU）来实现运动控制。ECU通过控制车辆的各个执行器，如发动机、刹车和转向系统，来实现精确的运动控制。