惯性导航技术的发展及其应用
超高精度MEMS惯性导航系统研究
超高精度MEMS惯性导航系统研究随着科技的发展和应用的深入，惯性导航系统在多个领域得以广泛应用，如军事、民用航天、航空、海洋测绘、智能车辆等。
其中，MEMS惯性导航系统因为其小型化、集成化、低功耗、高精度等优点，成为了近年来重要的研究方向和应用领域。
一. MEMS惯性导航系统及其重要性MEMS惯性导航系统是一种利用微机电系统（MEMS）芯片实现导航、定位和姿态控制的技术，其使用惯性传感器来检测物体的运动状态，以实现导航和航迹测量。
该系统由加速度计和陀螺仪组成，具有较高的稳定性和精度，能够满足在复杂环境下的导航需求。
MEMS惯性导航系统在飞行器、导弹、舰船、无人机等多个领域得到广泛应用。
在航空领域，MEMS惯性导航系统可以降低飞行器的依赖于卫星导航系统的程度，提高飞行器的精度和可靠性。
在海洋测绘领域，MEMS惯性导航系统可以实现船舶的自主导航和定位。
在智能车辆领域，MEMS惯性导航系统可以实现车辆的姿态控制和车辆路径规划。
二. MEMS惯性导航系统的研究进展MEMS惯性导航系统的研究已经取得了不少进展，其中最主要的不仅是研究了MEMS元件的制备、设计和优化方法，而且重点是提高惯性传感器和导航算法的精度和可靠性。
（1）MEMS元件制备技术的研究MEMS惯性导航系统的核心元件是加速度计和陀螺仪，研究人员通过探索各种工艺方法，努力提高加速度计和陀螺仪的精度和空间分辨率。
一般来说，MEMS里的惯性传感器包括加速度计和角速度计。
原则上角速度计的灵敏度要高于加速度计，这样就会导致较高的姿态稳定和角度读数的理想情况。
而加速度计对加速度和位置变化的读取具备高精度的优势。
研究人员在元件制备过程中的相应技术方案上不断优化，使得MEMS惯性导航系统随着等越来越适应目前多种实际的应用基础设施和技术应用。
（2）导航算法的研究在MEMS惯性导航系统中，导航算法决定着其导航精度和可靠性的高低。
目前，导航算法主要包括基于传感器模型的动态位置估计算法、基于卡尔曼滤波（Kalman filter）的状态估计算法和基于系统辨识（system identification）的状态估计算法。
惯性导航概述 - 惯性导航概述
课程教学内容介绍
惯性导航基础 基本概念、导航参考基准描述、导航坐标系
惯性级加速度计 基本原理、性能指标、基本结构、再平衡回路
惯性级陀螺仪 基本原理、性能指标、挠性陀螺、激光陀螺
课程教学内容介绍
惯性平台 平台作用、工作原理、控制回路分析、平台结构
惯性导航原理 舒勒回路、导航方程、力学编排方程
惯导基本原理
加速度分解及速度参数计算
VE VE0
t
0 aE dt
t
VN VN0
0 aN dt
VU VU0
t
0 aU dt
惯导基本原理
位置参数计算
0
t
VE
dt
0 (R h) cos
0
t VN dt 0 Rh
h h0
t
0VU dt
惯导基本原理
基本原理
惯导基本原理
舰船导航
分类： 陆地导航
航空导航 航天导航
按技术分
惯性导航 无线电导航 多普勒雷达导航 卫星导航 天文导航 地形辅助导航 组合导航
惯导基本原理
基本概念 利用惯性测量元件（陀螺、加速度计）测量载体相对惯性空
间的角运动参数和线运动参数，在给定运动初始条件下，经导 航解算得到载体速度、位置及姿态和航向的一种导航方法。
基本结论
★导航依据→牛顿第二定律（惯性系） ★导航方法→基于加速度的积分推算 ★导航精度→加速度的精确测量
惯导基本原理
主要特点
★自主性强、隐蔽性好 ★抗干扰力强、适用条件宽 ★ 导航参数丰富、数据更新率高 ？导航误差随时间积累、平面导航而不是立体导航 （高度通道发散）
惯导基本原理
基本组成
IMU CDU
《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。
惯性技术在航空领域的发展与应用
惯性技术在航空领域的发展与应用摘要：惯性技术是在复杂环境条件下自主建立运动载体方位和姿势基准的一种方式，惯性技术在航空领域之中的广泛应用，极大的提升了运动信息的精准度，为飞行路线的控制和飞行运行安全提供了保障，本文之中对惯性技术在航空领域的发展与应用做出了相关介绍。
关键词：惯性技术;航空领域;发展应用惯性技术是惯性导航、惯性敏感期器、惯性测量、惯性制导、惯性稳定的统称，现代导航系统、控制系统及制导系统的研究发展，无不得益于惯性技术的应用。
这使得惯性技术在航空领域之中具有不可代替的支撑作用。
尤其是各种新型惯性技术的出现，更是显著的提升了航空领域运动载体性能，而在未来，相信惯性技术还会在航空领域有更加广阔的发展看空间。
1惯性技术在航空领域的发展趋势惯性技术是无环境限制载体运动信息感知技术，涉及光学、力学、微电子、机械等多方面的知识，是现代精准导航、控制、制导的核心信息源，在航空领域之中具有不可替代的支撑作用，并呈现出以下发展趋势。
第一，继续提高惯性仪表和系统的精度，在航空领域之中，陀螺仪、加速计等惯性测量仪器的核心技术就是惯性技术，并对提升航空运行导航和制导精度做出了重大的贡献，而相信在未来新型惯性技术的出现，将会更好的优化光源平均波长稳定性，从而促使惯性仪表和系统的精度得到更好的提高。
第二，实现高可靠、长寿面、长期免标定发展，未来航空领域的各种运行载体将会有更高的可用性，并且要求惯性仪表仪器及系统有更强的可靠性和更高的寿命，因此就必须要解决辐射条件下掺铒光纤光源变化而引起陀螺标度因数长期飘逸误差的问题，而这也将成为未来惯性技术的发展方向。
第三，实现轻质化、低功耗、低成本，伴随着航空领域的进步发展，对制导设备、惯性仪器的重量和功耗提出了更好的要求，这就要求未来的惯性技术要向轻质化、低功耗、低成本的方向发展，如美国的MicroPNT计划中，使用了MEMS半球斜振陀螺仪，将惯性技术与光学技术更好的结合在了一起，促使陀螺仪能耗更低，这无疑就是惯性技术发展的一种体现。
惯性技术在精确制导武器中的应用与发展
文章编号:1671-637X(2007)03-0045-03惯性技术在精确制导武器中的应用与发展鲁 浩1,2, 位晓峰2, 庞秀枝2(1.北京航空航天大学,北京 100083; 2.中国空空导弹研究院,河南洛阳 471009)摘 要: 探讨了惯性技术在精确制导武器中的应用与发展,给出了战术武器对惯性技术的要求,对国外惯性技术的现状和发展趋势进行了分析,对国内惯性技术的研究方向进行了展望。
关 键 词: 武器; 精确制导; 导航战; 惯性技术中图分类号: V249.3 文献标识码: A Appli ca ti on of i n erti a l technology i n Prec isi onGu i ded M un iti on sLU Hao1,2, W E I Xiao-feng2, P ANG Xiu-zhi2(1.B eijing U niversity of A eronautics&A stronautics,B eijing100083,China;2.China A irborne M issile A cade m y,L uoyang471009,China)Abstract: The app licati on of inertial technol ogy in Precisi on Guided Muniti ons(PG M)and its devel op2 ment are discussed.The de mands of tactical weapons t o inertial technol ogy are p resented.The current conditi on and future devel opment directi on of inertial technol ogy in foreign countries are analyzed,and the devel opment of domestic inertial techniques is als o studied.Key words: weapon; p recisi on guidance; navigati on war; inertial technol ogy1 惯性技术在精确制导武器中的地位惯性技术是武器系统定向导航的关键技术。
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。
惯性导航系统
惯性导航系统一、惯性导航系统（Inertial Navigation System，INS）1、基本观点惯性导航系统（ INS）是一种不依靠于外面信息、也不向外面辐射能量的自主式导航系统。
其工作环境不单包含空中、地面，还能够在水下。
惯性导航系统目前已经发展出挠性惯导、光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表等多种方式。
陀螺仪由传统的绕线陀螺发展到静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机械陀螺等。
激光陀螺丈量动向范围宽，线性度好，性能稳固，拥有优秀的温度稳固性和重复性，在高精度的应用领域中向来占有着主导地点。
因为科技进步，成本较低的光纤陀螺（ FOG）和微机械陀螺（ MEMS）精度愈来愈高，是将来陀螺技术发展的方向。
我国的惯导技术最近几年来已经获得了长足进步，液浮陀螺平台惯性导航系统、动力调谐陀螺四轴平台系统已接踵应用于长征系列运载火箭。
其余各种小型化捷联惯导、光纤陀螺惯导、激光陀螺惯导以及般配 GPS修正的惯导装置等也已经大批应用于战术制导武器、飞机、舰艇、运载火箭、宇宙飞船等。
如漂移率0.01 ° - 0.02 °/h 的新式激光陀螺捷联系统在新式战机上试飞，漂移率0.05 °/h 以下的光纤陀螺、捷联惯导在舰艇、潜艇上的应用，以及小型化挠性捷联惯导在各种导弹制导武器上的应用，都极大的改良了我军装备的性能。
惯性导航系统有以下主要长处：（ 1）因为它是不依靠于任何外面信息，也不向外面辐射能量的自主式系统，故隐蔽性好，也不受外界电磁扰乱的影响；（ 2）可全天流全世界、全时间地工作于空中、地球表面以致水下；（ 3）能供给地点、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好并且噪声低；（ 4）数据更新率高、短期精度和稳固性好。
其弊端是：（1）由于导航信息经过积分而产生，定位偏差随时间而增大，长久精度差；（2）每次使用从前需要较长的初始瞄准时间；（3）设施的价钱较昂贵；（4）不可以给出时间信息。
捷联惯性技术的发展及与平台惯导系统的对比
捷联惯性技术的发展及与平台惯导系统的对比捷联惯性技术是指利用惯性敏感器（通常使用加速度计和陀螺仪）来测量载体相对于惯性参考系的角速度和加速度，从而计算得到载体的姿态、速度和位置等参数的技术。
捷联惯性技术具有体积小、重量轻、可靠性高、成本低等优点，因此在军事、航空、航海等领域得到了广泛应用。
捷联惯性技术的发展可以追溯到20世纪60年代，当时美国国防部高级研究计划局（DARPA）开始资助一些研究项目，以探索将惯性敏感器直接固定在载体上的可能性。
随着微电子技术和制造工艺的不断发展，捷联惯性技术的性能得到了大幅提升，同时成本也得到了降低。
在捷联惯性技术的发展过程中，出现了多种不同的技术路线。
其中，卡尔曼滤波器是一种被广泛应用于捷联惯性系统的数据处理方法。
卡尔曼滤波器是一种最优估计方法，它能够利用观测数据和预测模型来估计系统的状态，同时考虑到观测噪声和模型误差。
在捷联惯性系统中，卡尔曼滤波器可以用于融合加速度计和陀螺仪的测量数据，以提高系统的性能和精度。
平台惯导系统是一种基于平台稳定性的惯性导航系统。
它通过将惯性敏感器安装在稳定的平台上，可以大大提高系统的精度和可靠性。
平台惯导系统通常由平台、惯性敏感器、控制系统和数据处理系统等组成。
其中，平台是整个系统的支撑结构，惯性敏感器用于测量载体的角速度和加速度，控制系统用于控制平台的运动轨迹，数据处理系统则用于对测量数据进行处理，得到载体的姿态、速度和位置等参数。
与捷联惯性技术相比，平台惯导系统具有更高的精度和可靠性。
这是因为在平台惯导系统中，惯性敏感器可以安装在稳定的平台上，从而消除了载体运动对测量数据的影响。
此外，平台惯导系统还可以通过控制系统来实现主动减震，以进一步提高系统的性能和精度。
然而，平台惯导系统也存在一些缺点。
首先，它的体积和重量较大，不利于小型化和轻量化。
其次，它的成本较高，不利于大规模应用。
最后，它的维护和校准难度较大，需要专业人员和技术支持。
视觉—惯性导航定位技术研究进展
五、结论与展望
总之，视觉—惯性导航定位技术是一个充满挑战和机遇的研究领域。未来研 究需要不断探索和创新，以推动该技术的进一步发展与应用。
六、
参考内容
内容摘要
随着技术的不断发展，视觉惯性组合导航技术作为一种集成了视觉导航和惯 性导航优势的新型导航方法，受到了广泛。本次演示将概述视觉惯性组合导航技 术的原理、研究现状、应用场景以及未来发展前景，并探讨其中的优势和不足之 处。
数据采集是实验设计的第一步。在视觉—惯性导航定位系统中，需要采集大 量环境图像信息和惯性传感器数据。为了获得准确的实验数据，需要选择合适的 视觉传感器和惯性传感器，并确定其安装位置和参数设置。
三、视觉—惯性导航定位技术的实验设计和数据分析方法
数据预处理是实验设计的重要环节。由于采集到的数据可能存在噪声、失真 等问题，需要进行数据清洗、去噪等预处理工作，以便更好地进行后续的数据分 析和处理。
未来展望
3、多源数据融合技术的研究：将惯性导航定位系统与其他导航系统或传感器 进行数据融合，从而获得更为准确和可靠的位置信息。
未来展望
4、实时性研究：提高数据处理的速度和实时性，实现实时导航和决策。
结论
结论
惯性导航定位系统数据处理技术是提高该系统性能的关键因素之一，因此具 有重要研究价值。本次演示对该领域的研究背景、概念阐述、技术原理、研究现 状、技术应用、未来展望和结论进行了简要综述。未来，随着科技的不断进步， 惯性导航定位系统数据处理技术将在更多领域得到广泛应用，并成为推动相关领 域发展的重要驱动力。
研究现状
研究现状
近年来，国内外学者针对惯性导航定位系统的数据处理技术进行了广泛的研 究。其中，卡尔曼滤波器作为一种经典的滤波方法，在惯性导航定位系统中得到 了广泛应用。此外，越来越多的研究集中在利用神经网络、深度学习等先进算法 提高数据处理精度和稳定性方面。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
兵工自动化 自动测量与控制 O. I. Automation 2006年第25卷第9期 Automatic Measurement and Control 2006, Vol. 25, No. 9
·55·文章编号：1006-1576（2006）09-0055-02 惯性导航技术的发展及其应用
周徐昌，沈建森 （海军工程大学 研究生队，湖北 武汉 430033）
摘要：惯性导航技术，通过陀螺和加速度计测量载体的角速率和加速度信息，经积分运算得到载体的速度和位置信息。包括平台式惯导系统和捷联惯导系统。平台式惯导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。捷联惯导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。该技术的发展和应用趋势，以惯性导航和GPS卫星导航的组合导航最为典型。 关键词：惯性导航；平台式惯导系统；捷联惯导系统；组合导航 中图分类号：TN967.1 文献标识码：A
Development of Inertial Navigation Technology and Its Applications
ZHOU Xu-chang, SHEN Jian-sen (Brigade of Graduate, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)
Abstract: The inertial navigation technology measured the angular rate sensor and acceleration information of carrier by using peg-top and accelerometer; after integral calculation, the speed and position information of carrier were acquired. The inertial navigation technology includes platform inertial navigation system and SINS. The platform inertial navigation system used peg-top to stabilize the loop through platform and control the angular speed of the platform track navigation coordinate system. The SINS adopted the angular speed of relative navigation coordination system to calculate gesture matrix; and the acceleration information of torpedo body coordinate system axis was transformed into navigation coordinate system axis and the navigation calculation was carried out. The typical application of the development and application tendency for this technology was the combination navigation of inertial navigation and GPS satellite navigation. Keywords: Inertial navigation; Platform inertial navigation system; SINS (ship's inertial navigation system); Integrated navigation
0 引言 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），故广泛应用于航天、航空、航海领域，特别是军事领域。
1 惯性导航的基本原理
x o
y Ay
∫ Ax αy αx ∫ vyvxvy0 vx0 ∫
∫ x0
y0
y
x图1 惯性导航基本原理 平面导航的工作原理如图1。取oxy为定位坐标系，载体的瞬时位置为(x,y)坐标。如果在载体内
用一个导航平台把2个加速度计的测量轴分别稳定在x和y轴向，则加速度计分别测量载体x和y轴的相对惯性空间的运动加速度，经导航计算机的运算得到载体的航行速度vx、vy和瞬时位置x、y。
∫+=∫+=t0y0yyt0x0xxdtavvdtavv
∫+=∫+=t0y0t0x0dtvyydtvxx
在实际的长航程惯性导航系统中，考虑到地球表面为球面，载体位置用地理经纬度λ和φ表示，如果x轴指北，y轴指东，R为地球半径，则用经纬度表示的载体的位置为：
dtR
ut
0x
0∫+ϕ=ϕ
dt
cosR
ut
0y
0∫
ϕ+λ=λ
从结构上看，惯性导航分为平台式惯性导和捷联式惯性导，如图2和图3。
加速度计导航计算机 加速度信息位置信息速度信息控制显示
陀螺导航平台陀螺施矩信息稳定回路 控制平台信息
图2 平台惯导原理框图 平台式惯导系统，其导航加速度计和陀螺都安
收稿日期：2006-04-07；修回日期：2006-05-30 作者简介：周徐昌（作者未提供）。 兵工自动化 自动测量与控制 O. I. Automation 2006年第25卷第9期 Automatic Measurement and Control 2006, Vol. 25, No. 9
·56·装在机电导航平台上，加速度计输出的信息，送导航计算机，由其计算航行器位置、速度等导航信息及陀螺的施矩信息。陀螺在施矩信息作用下，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。而航行器的姿态和方位信息，则从平台的框架轴上直接测量得到。 位置 速度 加速度计 陀螺仪 姿态矩阵
姿态矩阵计算
导航
计算机 控制
显示
姿态角计算
αbib
ωbib
αpib
ωpib
载体 姿态和方位
数学平台 图3 捷联式惯导原理框图
捷联惯导系统，导航加速度计和陀螺直接安装在载体上。用陀螺测量的角速度信息bibω减去计算的导航坐标系相对惯性空间的角速度pibω，得载体坐标系相对导航坐标系的角速度bnbω，利用该信息
计算姿态矩阵。可把载体坐标系轴向加速度信息转换到导航坐标系轴向，再进行导航计算。利用姿态矩阵元素，提取姿态和航向信息。而姿态矩阵计算、加速度信息的坐标变换、姿态与航向角计算可代替导航平台功能。而计算导航坐标系的角速度信息binω则相对平台坐标系上陀螺旋矩信息，如图4。
加速度计 误
差补偿 陀螺
仪
比例的 坐标变换姿态矩阵计算四元数即时修正 姿态速率计算 四元数归一化 速度的 即时修正速度计算
姿态计算
地球角速率计算
位置计算ωie
Φ,λVΨ,θ,γ
图4 捷联惯导系统算法流程 位置速率计算
2 捷联式惯性导航的特点及其应用 捷联式惯导技术是20世纪60年代发展起来的，将惯性敏感元件（IMU）直接安装在载体而非机电平台上，以数学平台代替机电式导航平台的导航技术，是惯性导航技术的重要发展方向。20世纪70年代以来，作为捷联系统的核心部件，惯性测量装置和计算机技术有很大发展，随着电子技术、计算机技术、现代控制理论的不断进步，为捷联惯性技术的发展创造有利条件。硬件方面，新一代低成本中等精度的惯性器件如压电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、石英加速度计的研制成功，为捷联惯导的飞速发展打下物质基础，元器件中没有传统陀螺的转子式结构，因而具有结构牢固、可靠性高、启动时间短和对线性过载不敏感等特点，在较宽的动态测
量范围内具有良好的线性度，是非常理想的捷联惯性测量器件；软件方面，算法编排、误差建模、误差标定与补偿、测试技术等关键技术的不断提高极大地促进了捷联惯导技术的迅猛发展。目前，捷联式惯性技术已广泛应用于飞机、舰船、潜艇、导弹上，大有逐渐取代平台式惯导系统的趋势。
3 惯性导航和其他导航方式的组合 由于惯性导航原理（由惯性传感器敏感的加速度信息积分得到载体的速度和位置）决定了单一惯性导航系统的导航误差将随时间而累积，导航精度随时间而发散，因此惯性导航系统不能单独长时间工作，须定期校准。随着现代控制理论及微电子、计算机和信息融合等的发展，在导航领域展开了以惯性导航系统为主的多导航系统组合导航的研究。 组合导航的基本原理是利用信息融合技术，通过最优估计、数字滤波等信号处理方法把各种导航系统如无线电、卫星、天文、地形及景象匹配等导航系统的结合。以发挥各种导航技术优势，达到比任何单一导航方式更高的导航精度和可靠性。常见有以惯性导航和GPS卫星导航组合的（INS/GPS）
导航系统。与惯导相比GPS具有成本低，导航精度高，且误差不随时间积累等优点，GPS导航系统输出的导航信息作为系统状态的观测量，通过卡尔曼滤波对系统的状态（位置、速度等）及误差进行最优估计，以实现对惯导系统的校准和误差补偿。而惯导系统自主、实时、连续等优点可弥补GPS易受
干扰、动态环境可靠性差的不足。INS/GPS组合方式有松耦合和紧耦合2种，如图4、图5。
惯性测量装置加速度计偏差和陀螺漂移修正 载体运动导航仪 位置、速度和姿态修正导航卡尔曼滤波器
位置和速度
载体运动参数接收机卡尔
曼滤波器 位置和速度
+ - GPS接收机
卫星测量
图5 INS/GPS松耦合原理框图
惯性测量装置加速度计偏差和陀螺漂移修正 载体运动导航仪 位置、速度、姿态和时钟误差修正导航卡尔曼滤波器
伪距和距离差
载体运动参数
+ - GPS接收机
卫星测量图6 INS/GPS紧耦合原理框图
伪距和距离差
随着多传感器融合理论的发展，组合导航系统从INS/多普勒、INS/天文、INS/VOR/DEM、
INS/LORAN等，发展到INS/地形匹配、NS/GPS和INS/图像匹配，及多种系统和传感器组合的INS/GPS/地形轮廓/景象匹配。 （下转第59页）