惯性导航原理 习题
《惯性导航原理》课程习题
2012年 5月30日，授课老师：吴了泥
1．分类介绍当代导航系统？
2．平台式惯导的硬件组成，各个器件的作用？
3．自由转子陀螺的干扰力矩由哪些引起，高精度陀螺如何改进支撑方式，减小干扰力矩。
4．描述转子陀螺的定轴性、进动性、表观运动和章动。
5．用动量距定理说明转子陀螺进动方向和大小，说明转子陀螺的表观运动。
6．描述双自由度陀螺的技术方程。从技术方程出发，描述常值外力矩下陀螺的运动。
7．描述单自由度陀螺的技术方程，并解算单自由度陀螺的种类。
8．说明双自由度陀螺、单自由度陀螺如何测量角运动。
9．说明二自由度陀螺的单轴稳定平台如何实现稳定和跟踪。
10．简要描述动力调谐陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和微机械陀螺的的机理和特点。
11．普通摆式加速度计的技术方程，说明测量机理。
12．挠性摆式加速度计的结构，简要描述其工作机理，并给出技术方程。
13．描述惯性坐标系，导航坐标系，地理坐标系，以及机体坐标系的定义。
14．说明比力的概念，写出比力方程，并描述比力方程的意义？
15．描述休拉调谐，及其物理意义？陀螺稳定平台如何实现休拉调谐？
16．说明惯导垂直通道为什么是不稳定的？说明垂直通道阻尼回路的作用。
17．平台式惯导的力学编排，及施矩指令。
18．平台式惯导有哪些误差源，并描述误差传播过程。
19．简要推导姿态误差方程、速度误差方程和位置误差方程。
20．惯导的基本误差特性是哪三种振荡运动合成的？说明三种振荡运动产生的原因。
21．简要说明平台式惯导水平对准和方位对准的基本原理。
22．捷联惯导和平台惯导的区别，捷联惯导的优缺点？
23．说明比力坐标变换的方法。
24．描述欧拉角的定义，用欧拉角法描述姿态矩阵，并写出微分方程。
25．描述四元数法的物理意义，用四元数法描述姿态矩阵，并写出微分方程。写出四元数和欧拉角间的转换关系。
26．什么叫转动的不可交换性误差？旋转等效矢量法是如何消除转动不可交换性误差？用旋转等效矢量法描述姿态矩阵，并写出微分方程。
自动驾驶技术IMU的基础知识和应用场景
自动驾驶技术IMU的基础知识和应用场景 前面我们介绍了MEMS 陀螺仪的一些基本概念，也说明了陀螺仪和加速度计是构成IMU惯性测量单元的主要部件。在查找IMU的过程中，我们经常会看到DOF,自由度的概念，今天我们就从DOF开始进一步理解IMU的基础知识和应用场景。 想象一个笛卡尔坐标系，形下图所示，具有x轴、y轴和z轴，传感器能够测量各轴方向的线性运动，以及围绕各轴的旋转运动。这就是所有惯性测量单元的根本出发点，所有惯性导航系统都是据此而构建。 这些器件带有一个三轴加速度计，显然这是指x轴、y轴和z轴。加速度计会测量线性速度的变化，也会响应重力。加速度计会根据其方向而对重力作出响应，如下图所示，这使得我们能够基于非常简单的三角公式估算其方向。利用arcsin公式，我们可以使用一个轴，而利用arctan公式，我们可以将笛卡尔坐标系中两个彼此正交的轴合并。二者的主要区别在于：arcsin方法能够测量+/- 90度，而arctan方法能够测量+/- 180度，也就是全部360度，这样您将知道您在哪一个象限。 陀螺仪对旋转角速率进行积分，您就能估算角位移。大致上说，加速度计具有很好的长期偏置稳定性和长期精度，但会对线性振动作出响应。当进行角度估计时，线性振动会表现出来，有时候需要滤波，这会给其他方面带来负担，或者有时候振动太高，超出加速度计测量范围，从而完全破坏角度估计。 因此，陀螺仪没有对线性振动的一阶响应，但因为它对输出进行积分，所以任何偏置误差都会转换为角度估计的漂移。任何系统的基本调整空间在于使用此类传感器的根本出发点。加速度计的长期稳定性更好，但易受振动影响。陀螺仪不易受振动影响，但长期稳定性较差，会导致估算更快地漂移。 IMU应用实例之工业检查系统 想象屏幕上方的灰色条是生产车间的天花板。天花板安装了某种摄像或照相设备，该设备
惯性导航技术的工作原理
惯性导航技术的工作原 理 Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998
惯性导航系统基本工作原理 惯性导航系统是十分复杂的高精度机电综合系统，只有当科学技术发展到一定高度时工程上才能实现这种系统，但其基本工作原理却以经典的牛顿力学为基础。 设质量m受弹簧的约束，悬挂弹簧的壳体固定在载体上，载体以加速度a 作水平运动，则m处于平衡后，所受到的水平约束力F与a的关系满足牛顿第 二定律： F a m 。测量水平约束力F，求的a，对a积分一次，即得水平速 度，再积分一次即得水平位移。以上所述是简单化了的理性情况。由于运载体不可能只作水平运动，当有姿态变化时，必须测得沿固定坐标系的加速度，所以加速度计必须安装在惯性平台上，平台靠陀螺维持要求的空间角位置，导航计算和对平台的控制由计算机完成。 陀螺仪组件测取沿运载体坐标系3个轴的角速度信号，并被送入导航计算机，经误差补偿计算后进行姿态矩阵计算。加速度计组件测取沿运载体坐标系3个轴的加速度信号，并被送入导航计算机，经误差补偿计算后，进行由运载体坐标系至“平台坐标系”的坐标变换计算。他们沿机体坐标系三轴安装，并且与机体固连，它们所测得的都是机体坐标系下的物理量。 参与控制和测量的陀螺和加速度计称为惯性器件，这是因为陀螺和加速度计都是相对惯性空间测量的，也就是说加速度计输出的是运载体的绝对加速度，陀螺输出的是运载体相对惯性空间的角速度或角增量。而加速度和角速度或角增量包含了运载体全部的信息，所以惯导系统仅靠系统本身的惯性器件就能获得导航用的全部信息，它既不向外辐射任何信息，也不需要任何其他系统
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。 惯性技术是对载体进行导航的关键技术之一，惯性技术是利用惯性原理或其它有关原理，自主测量和控制运载体运动过程的技术，惯性测量和惯性敏感器技。
INS-J4光纤惯性导航系统
INS-J4光纤惯性导航系统技术指标 1 系统启动 1.1码头启动条件：提供码头位置信息，精度优于5m； 1.2码头启动时间：≤1h，启动后30分钟可保精度输出姿态信息，1小时后可保精度输出全量导航参数； 1.3海上启动条件：连续提供外部位置信息，精度优于5m，数据更新率不低于1HZ； 1.4海上启动时间：≤1h，启动后30分钟可保精度输出姿态信息，1小时后可保精度输出全量导航参数精度； 1.5海上启动舰艇机动限制时间：≤0.5h，前0.5h内舰艇匀速直航。 2 水平定位精度 2.1自主定位误差≤2.0nmile/8h（PEAK），1.0mile/8h（TRMS）； 2.2和GPS组合的定位精度优于GPS精度。 3 航向精度 3.1独立惯导航向误差≤0.05。secФ(8h，RMS)； 3.2和GPS组合的系统航向误差≤0.01。secФ(RMS)。 4 水平姿态精度 4.1独立惯导水平姿态误差≤0.028。(RMS)；
4.2和GPS组合系统水平姿态误差≤0.0028。（RMS）。 5 垂向位移精度 5.1与GPS组合系统的垂向位移误差≤0.02m（RMS）。 6 水平速度精度 6.1独立惯导水平速度误差≤0.6Kn（RMS）； 6.2组合系统水平速度误差≤0.02m/s（RMS）。 7 升沉速度精度 7.1独立惯导升沉速度误差≤0.6Kn（RMS）； 7.2组合系统升沉速度误差≤0.02m/s（RMS）； 8 适用范围 8.1地理范围：南北纬70度之内保精度工作； 8.2航向角速率≤40。/s； 8.3纵摇角速率≤30。/s； 8.4横摇角速率≤30。/s； 8.5航速范围：-10到60Kn； 9 环境指标 满足GJB1060-1991《舰船环境条件要求》和GJB4000-2000《舰艇通用规范》的要求。
惯性导航系统发展综述报告
惯性导航系统发展综述报告 学号：姓名： 摘要：本文介绍了惯性导航系统的主要组成、基本原理、分类以及优缺点。列举了惯性导航系统在当前的主要应用领域及发展趋势。 关键词：惯性导航系统、陀螺仪、加速度计、GPS、组合导航 一.引言 美国《防务新闻》网站报道称，美军正在研制新型导航定位设备，以替代现在广泛使用的GPS卫星定位导航系统。GPS之所以被美军诟病，主要是由于该系统过于依赖脆弱的天基卫星系统。卫星在战时极易被干扰、破坏，或受到网络攻击，自身安全性难以得到有效保证。为有效解决GPS安全性问题和美军对精确定位、导航、授时服务的需求之间难以调和的矛盾，美军开始积极寻求GPS 的替代品。据称，基于现代原子物理学最新成就的微型惯性导航技术是未来代替GPS的一个重要的技术解决方案。 惯性导航系统是人类最早研发明的导航系统之一。早在1942年德国在V-2火箭上就率先应用了惯性导航技术。从2009年，美国国防部先进研究项目局就深入进行新一代微型惯性导航技术的研发与测试工作。据悉，这种新一代导航系统主要通过集成在微型芯片上的三个原子陀螺仪、加速器和原子钟精确测量载体平台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计算出载体平台的瞬时速度、位置信息并为载体提供精确的授时服务。 美军也对该系统的未来发展充满信心。安德瑞·席克尔认为，就像30年前人们没有预想到GPS会发展到目前如此程度一样，在未来20年新一代微型惯性导航系统的发展程度也是无可限量的。 从此报道中可以看出研究惯性导航技术的重要作用。 二．惯性导航系统的概念 惯性导航（inertial navigation）是依据牛顿惯性原理，利用惯性元件（加速度计）来测量运载体本身的加速度，经过积分和运算得到速度和位置，从而达到
飞机导航基础知识
飞机导航基础知识 7.1航向 即飞机机头的方向（航向角是由飞机所在位置的经线北端顺时针测量到航向线的角度）； 航向角的大小由飞机纵轴的水平投影线与地平面上某一基准线之间的夹角来度量。 【基准线：为真子午线（地理经线）的叫真航向； 基准线：为磁子午线（地理磁线）的叫磁航向； 基准线：为真子午线（地理磁场与金属机体磁场的合成磁场的水平分量）的叫罗航向】 7.2方位角 以经线北端为基准，顺时针转到水平面上某方向线的夹角。 分为电台方位角、飞机磁方位角、相对方位角 7.3航迹与航迹角 飞机重心在地面投影点移动的轨迹，叫航迹。 以飞机经线北端顺时针转至航迹的角度饺子航迹角。 7.4偏流角 当有侧风时，飞机的实际航迹就会与飞机的航向不一致； 航向线与航迹线之间的夹角称为偏流角；航迹线偏向航向的右侧叫正偏流角，反之为负偏流角。 7.5偏航距离 从飞机实际位置到飞机航段两个航路点连线间的垂直距离。 7.6地速 飞机在地面投影点移动的速度，即飞机相对于地面的水平移动速度。 7.7空速 飞机相对于周围空气的运动速度。 7.8风速与风向 指飞机当前位置处于相对地面的大气运动速度和方向； 空速、地速与风速三者之间的关系： 地速（Sg）=空速（Sa）+风速（Sw） 7.9航路点 飞机的飞行目的地、航路上可用于改变航向、高度、速度等或向空中交通管制中心报告的明显位置，叫做航路点。 7.10侧滑角 飞机所在位置的空速于飞机纵轴平面的夹角
无线电导航与导航参量 无线电导航的实现----接收和处理无线电信号： 导航台位置精确已知 接收并测量无线电信号的电参量 电参量与导航参量的对应关系---根据有关的电波传播特性，电参量转换成导航需要的、接收点相对于该导航台坐标的导航参量。 导航参量—表示飞机位置与基准点（一般为导航台）之间关系的一些参数。 典型导航参数：位置、高度、方向、距离、距离差等 位置线的定义 在无线电导航中，通过无线电导航系统 测得的电信号中的某一电参量（如幅度、 频率、相位及时间延迟等），可获得相应 的导航参量，对接收点而言，某导航参 量（如方向、高度、距离、距离差等） 为定值的点的轨迹线叫做位置线。 几何定位方法——用几何线或面相交来完成定位的方法 无线电定位普遍采用的一种方法 是无线电导航原理的一个重要组成部分 空间导航与平面导航 飞机导航—严格讲都是空间导航问题 空间导航的定位喜爱通过位置面相交来实现 飞机的空间导航问题可以转化为平面导航问题 在远距离导航中，飞机的高度同它到最近导航台的距离相比较是很小的，可以近似按平面导航来处理； 即使是近距离导航，飞机是装有数据计算机和有高度数据输入的情况下，可以通过计算修正来测得飞机的地平面位置。 位置线的类型：直线、圆、等高线、双曲线。 相应地，可以吧导航系统划分为： #侧向系统，如VOR、ADF的位置线是直线； #测距系统，如DME的位置线是平面上的圆； #测高系统，如LRRA（以地心为圆心的圆）；
捷联式惯性导航系统
1 绪论 随着计算机和微电子技术的迅猛发展，利用计算机的强大解算和控制功能代替机电稳定系统成为可能。于是，一种新型惯导系统--捷联惯导系统从20世纪60年代初开始发展起来，尤其在1969年，捷联惯导系统作为"阿波罗"-13号登月飞船的应急备份装置，在其服务舱发生爆炸时将飞船成功地引导到返回地球的轨道上时起到了决定性作用，成为捷联式惯导系统发展中的一个里程碑。 捷联式惯性导航(strap-down inertial navigation) ，捷联（strap-down）的英语原义是“捆绑”的意思。因此捷联式惯性导航也就是将惯性测量元件（陀螺仪和加速度计）直接装在飞行器、舰艇、导弹等需要诸如姿态、速度、航向等导航信息的主体上，用计算机把测量信号变换为导航参数的一种导航技术。现代电子计算机技术的迅速发展为捷联式惯性导航系统创造了条件。惯性导航系统是利用惯性敏感器、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式航位推算导航系统。在工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰破坏。它完全是依靠载体自身设备独立自主地进行导航，它与外界不发生任何光、声、磁、电的联系，从而实现了与外界条件隔绝的假想的“封闭”空间内实现精确导航。所以它具有隐蔽性好，工作不受气象条件和人为的外界干扰等一系列的优点，这些优点使得惯性导航在航天、航空、航海和测量上都得到了广泛的运用[1] 1.1 捷联惯导系统工作原理及特点 惯导系统主要分为平台式惯导系统和捷联式惯导系统两大类。惯导系统（INS）是一种不依赖于任何外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系
统，具有隐蔽性好，可在空中、地面、水下等各种复杂环境下工作的特点。 捷联惯导系统（SINS）是在平台式惯导系统基础上发展而来的，它是一种无框架系统，由三个速率陀螺、三个线加速度计和微型计算机组成。平台式惯导系统和捷联式惯导系统的主要区别是：前者有实体的物理平台，陀螺和加速度计置于陀螺稳定的平台上，该平台跟踪导航坐标系，以实现速度和位置解算，姿态数据直接取自于平台的环架；后者的陀螺和加速度计直接固连在载体上作为测量基准，它不再采用机电平台，惯性平台的功能由计算机完成，即在计算机内建立一个数学平台取代机电平台的功能，其飞行器姿态数据通过计算机计算得到，故有时也称其为"数学平台"，这是捷联惯导系统区别于平台式惯导系统的根本点。由于惯性元器件有固定漂移率，会造成导航误差，因此，远程导弹、飞机等武器平台通常采用指令、GPS或其组合等方式对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位置参数。如采用指令+捷联式惯导、GPS+惯导（GPS/INS）。美国的战斧巡航导弹采用了GPS+INS +地形匹配组合导航。 惯导系统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，之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。对捷联惯导系统而言，平台的作用和概念体现在计算机中，它是写在计算机中的方向余弦阵。直接安装在载体上的惯性元件测得相对惯性空间的加速度和角加速度是沿载体轴的分量，将这些分量经过一个坐标转换方向余弦阵，可以转换到要求的计算机坐标系内的分量。如果这个矩阵可以描述载体和地理坐标系之间的关系，那么载体坐标系测得的相对惯性空间的加速度和角速度，经过转换后便可得到沿地理坐标系的加速度和角速度分量，有了已知方位的加速度和角速度分量之后，导航计算机便
惯性导航仪的工作原理
惯性导航仪的原理 惯性导航系统（INS，Inertial Navigation System）也称作惯性参考系统，是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量（如无线电导航那样）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。惯性导航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。 惯性导航系统属于推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运动体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中，并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。 惯性导航系统至少包括计算机及含有加速度计、陀螺仪或其他运动传感器的平台（或模块）。开始时，有外界（操作人员、GPS接收器等）给 INS 提供初始位置及速度，此后 INS 通过对运动传感器的信息进行整合计算，不断更新当前位置及速度。 INS 的优势在于给定了初始条件后，不需要外部参照就可确定当前位置、方向及速度。 通过检测系统的加速度和角速度，惯性导航系统可以检测位置变化（如向东或向西的运动），速度变化（速度大小或方向）和姿态变化（绕各个轴的旋转）。它不需要外部参考的特点使它自然地不受外界的干扰或欺骗。 陀螺在惯性参照系中用于测量系统的角速率。通过以惯性参照系中系统初始方位作为初始条件，对角速率进行积分，就可以时刻得到系统的当前方向。这可以想象成被蒙上眼睛的乘客坐在汽车中，感觉汽车左转、右转、上坡、下坡，仅根据这些信息他知道了汽车朝哪里开，但不知道汽车是快，是慢或是否汽车滑向路边。 加速度计在惯性参照系中用于测量系统的线加速度，但只能测量相对于系统运动方向的加速度（由于加速度计与系统固定并随系统转动，不知道自身的方向）。这可以想象成一个被蒙上眼睛的乘客在汽车加速时向后挤压座位，汽车刹车时身体前倾，汽车加速上坡时下压座位，汽车越过山顶下坡时从座位上弹起，仅根据这些信息，乘客知道汽车相对自身怎样加速，即向前、向后、向上、向下、向左或向右，但不知道相对地面的方向。 然而，通过跟踪系统当前角速率及相对于运动系统测量到的当前线加速度，就可以确定参照系中系统当前线加速度。以起始速度作为初始条件，应用正确的运动学方程，对惯性加速度进行积分就可得到系统惯性速率，然后以起始位置座作初始条件再次积分就可得到惯性位置。
惯性导航技术经验的工作原理
精心整理 惯性导航系统基本工作原理 惯性导航系统是十分复杂的高精度机电综合系统，只有当科学技术发展到一定高度时工程上才能实现这种系统，但其基本工作原理却以经典的牛顿力学为基础。 设质量m 受弹簧的约束，悬挂弹簧的壳体固定在载体上，载体以加速度a 作水平运动，则m 处于平衡后，所受到的水平约束力F 与a 的关系满足牛顿第二定律：F a m =。测量水平约束力F ，求的a ，对a 积分一次，即得水平速度，再积分一次即得水平位移。以上所述是简单化了的理性情况。由于运载体不可能只作水平运动，当有姿态变化时，必须测得沿固定坐标系的加速度，所以加速度计必须安装在惯性平台上，平台靠陀螺维持要求的空间角位置，导航计算和对平台的控制由计算机完成。 陀螺仪组件测取沿运载体坐标系3个轴的角速度信号，并被送入导航计算机，经误差补偿计算后进行姿态矩阵计算。加速度计组件测取沿运载体坐标系3个轴的加速度信号，并被送入导航计算机，经误差补偿计算后，进行由运载体坐标系至“平台坐标系”的坐标变换计算。他们沿机体坐标系三轴安装，并且与机体固连，它们所测得的都是机体坐标系下的物理量。 参与控制和测量的陀螺和加速度计称为惯性器件，这是因为陀螺和加速度计都是相对惯性空间测量的，也就是说加速度计输出的是运载体的绝对加速度，陀螺输出的是运载体相对惯性空间的角速度或角增量。而加速度和角速度或角增量包含了运载体全部的信息，所以惯导系统仅靠系统本身的惯性器件就能获得导航用的全部信息，它既不向外辐射任何信息，也不需要任何其他系统提供外来信息，就能在全天候条件下，在全球范围内和所有介质环境里自主、隐蔽的进行三维导航，也可用于外层空间的三维导航。 惯导系统的比力方程 惯导系统根据与系统类型相应的数学方程（称之为力学编排）对惯性器件的输出作处理，从而获得导航数据。尽管各种类型的系统相应的力学编排各不相同，但他们都源自同一个方程：比力方程。比力方程描述了加速度计输出量与运载体速度之间的解析关系： 式中：eT v 为运载体的地速向量；f 为比力向量，是作用在加速度计质量块单位质量上的非引力外力，由加速度计测量；g 为重力加速度；ie ω为地球自转角速度；eT ω为惯性平台所模拟的平台 坐标系T 相对地球的旋转角速度；eT dv dt 表示在平台坐标系T 内观察到的地速向量的时间变化率。以上比力方程说明用加速度计的比力输出计算地速时，必须对比力输出中的三种有害加速度成分作补偿： （1）2ie eT v ω?，即由地球自转（牵连运动）和运载体相对地球运动（相对运动）引起的哥式加速度；
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。百度搜索“乐晴智库”，获得更多行业深度研究报告 惯性导航系统分类
GPS基础知识
GPS原理及应用 一、概述 GPS全球卫星定位系统(Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System)是美国国防部为满足军事部门对海上、陆上和空中进行高精度导航和定位要求而建立的。它具有全球性、全天候、实时连续的三维导航和定位能力，以及良好的抗干扰性和保密性，是世界上新一代卫星导航与定位系统，已成为美国导航技术现代化的重要标志。 GPS导航定位系统不仅用于军事上各种兵种和武器的导航定位，而且在民用上也有着越来越广泛的应用。如智能交通系统中的车辆导航、车辆管理和救援，民用飞机和船只导航和姿态测量，大气参数测试，地震和地球板块运动监测，地球动力学研究，大地测量等。GPS测量定位技术以其自动化程度高、定位速度快、成本低、不受天气因素影响、测点间无须通视、不建觇标等优越性和仪器轻巧、操作方便、定位测量精度高等优点，被广泛应用于我国测绘行业和各种工程建设的测量中，带来了我国测绘技术的一场深刻变革，使我国测绘行业步入了现代化的时代。 二、GPS的导航原理及系统组成 GPS导航原理是GPS利用到达时间（TOA）测距原理来确定用户的位置。这种原理需要测量信号从位置已知的发射源（例如雾号角、无线电信标或卫星）发出至到达用户接收机所经历的时间。 全球定位系统（GPS）由卫星星座、地面控制／监测网络和用户接收设备三个段组成。空间段：即卫星星座，用户根据该星座的卫星进行测距测量。控制段（CS）：维护卫星和维持其正常功能，包括将卫星保持在正确的轨道位置和检测卫星子系统的健康与状况。用户段：由用户接收设备组成，每个用户设备通常称为GPS接收机，用于处理从卫星发射的L波段信号，进而确定用户位置、速度和时间（PVT）。
惯性导航的原理是什么
惯性导航的原理是什么？ 添加评论 分享 按投票排序按时间排序 10 个回答 6赞同反对，不会显示你的姓名 知乎用户，玩摄影的航空人 6 人赞同 惯性导航基于惯性器件陀螺仪和加速度计实现对自身姿态、位置的测量。陀螺仪可以测出系统在三维空间的旋转角度，加速度计可以测出系统在x，y，z三个轴的加速度值。如果已知系统初始位置，就可以利用对加速度值多次积分，依次得到速度，距离，进而结合初始位置，得到系统实时位置。 发布于2015-02-24添加评论感谢 分享 收藏?没有帮助?举报?作者保留权利 37赞同反对，不会显示你的姓名 张斯托洛夫斯基，删除自己发出的评论基本是为了改错字。 37 人赞同 导航解决的其实就是从哪儿来到哪儿去的问题。对此我们总是能想到指南针。 但是有一个经典的笑话，说一个人带着指南针迷路了：“我知道北在哪儿，可是我在哪儿啊？”所以要完成导航，需要知道我在哪儿，还有北在哪儿，如果有目的地的话，还得知道目的地在哪儿，从而告诉用户，通往目的地的道路。其中，【我在哪儿】是非常重要的。 地上铺了方砖，你知道自己一开始在哪块砖上，然后向左三步，往前五步，向左转，再往后退四步，向后转，再往左走两步，等等，每一步都是一块砖的长度。 把这些告诉一个没在房间里的人，他在纸上画画，不看你也知道你现在应该在哪块砖上，朝向哪里。 惯性导航和一些其它导航方法的基本原理差不多就是这样。 你知道自己的初始位置，知道自己的初始朝向（姿态），知道自己每一时刻如何改变了朝向，知道自己每一时刻相对朝向是怎样走的，把这些加一起不停地推，走一步推一步，在不考虑各种误差时，得出的结果就应该正好是你现在的朝向和位置。 但是要怎么知道自己的方向和位置是怎么改变的呢？不同的导航系统用不同的传感器，有不同的方法，比如里程计用车辆上轮子转的周数，多普勒计程仪像蝙蝠一样往水底发射声波……而惯性导航之所以叫【惯性】导航，就是因为使用的是【惯性器件】，也就是加速度计和陀螺仪。
捷联惯导详细讲解
捷联惯导系统从20世纪60年代初开始发展起来，在1969年，捷联惯导系统作为"阿波罗"-13号登月飞船的应急备份装臵，在其服务舱发生爆炸时将飞船成功地引导到返回地球的轨道上时起到了决定性作用，成为捷联式惯导系统发展中的一个里程碑。 捷联式惯性导航(strap-downinertialnavigation)，捷联（strap-down）的英语原义是“捆绑”的意思。因此捷联式惯性导航也就是将惯性测量元件（陀螺仪和加速度计）直接装在导弹需要诸如姿态、速度、航向等导航信息的主体上，用计算机把测量信号变换为导航参数的一种导航技术。 一、捷联惯导系统工作原理及特点 惯导系统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，之后将其变换到导航坐标系，得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位臵信息等。 捷联惯导系统（SINS）是一种无框架系统，由三个速率陀螺、三个线加速度计和微型计算机组成。由于惯性元器件有固定漂移率，会造成导航误差，因此导弹通常采用指令、GPS或其组合等方式对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位臵参数。如采用指令+捷联式惯导 捷联惯导系统能精确提供载体的姿态、地速、经纬度等导航参数，是利用惯性敏感器、基准方向及最初的位臵信息
来确定运载体的方位、位臵和速度的自主式航位推算导航系统。在工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰破坏。它完全是依靠载体自身设备独立自主地进行导航，它与外界不发生任何光、声、磁、电的联系，从而实现了与外界条件隔绝的假想的“封闭”空间内实现精确导航。所以它具有隐蔽性好，工作不受气象条件和人为的外界干扰等一系列的优点。 除此以外捷联惯导系统的最大特点是没有实体平台，即将陀螺仪和加速度计直接安装在机动载体上，在计算机中实时的计算姿态矩阵，通过姿态矩阵把导航加速度计测量的载体沿机体坐标系轴向的加速度信息变换到导航坐标系，然后进行导航计算。同时，从姿态矩阵的元素中提取姿态和航向信息．由此可见，在捷联惯导系统中平台的作用已由计算机及其软件的作用代替了，捷联式惯导系统采用的是数学平台。力学编排就是按照合适的数学模型由观测量计算出导航定位参数。具体地讲，利用陀螺仪测得的载体相对于惯性参照系的旋转角速度，计算出载体坐标系至导航计算坐标系之问的坐标转换矩阵；将测量的比力(加速度计测量载体相对于惯性空间的线加速度)变换至导航坐标系，并经过两次积分得到所需的速度位臵信息。 二、捷联惯导系统有以下独特优点： （1）去掉了复杂的平台机械系统，系统结构极为简单，
惯性导航技术的工作原理
惯性导航系统基本工作原理 惯性导航系统是十分复杂的高精度机电综合系统，只有当科学技术发展到一定高度时工程上才能实现这种系统，但其基本工作原理却以经典的牛顿力学为基础。 设质量m受弹簧的约束，悬挂弹簧的壳体固定在载体上，载体以加速度a 作水平运动，则m处于平衡后，所受到的水平约束力F与a的关系满足牛顿第二 定律： F a m =。测量水平约束力F，求的a，对a积分一次，即得水平速度，再 积分一次即得水平位移。以上所述是简单化了的理性情况。由于运载体不可能只作水平运动，当有姿态变化时，必须测得沿固定坐标系的加速度，所以加速度计必须安装在惯性平台上，平台靠陀螺维持要求的空间角位置，导航计算和对平台的控制由计算机完成。 陀螺仪组件测取沿运载体坐标系3个轴的角速度信号，并被送入导航计算机，经误差补偿计算后进行姿态矩阵计算。加速度计组件测取沿运载体坐标系3个轴的加速度信号，并被送入导航计算机，经误差补偿计算后，进行由运载体坐标系至“平台坐标系”的坐标变换计算。他们沿机体坐标系三轴安装，并且与机体固连，它们所测得的都是机体坐标系下的物理量。 参与控制和测量的陀螺和加速度计称为惯性器件，这是因为陀螺和加速度计都是相对惯性空间测量的，也就是说加速度计输出的是运载体的绝对加速度，陀螺输出的是运载体相对惯性空间的角速度或角增量。而加速度和角速度或角增量包含了运载体全部的信息，所以惯导系统仅靠系统本身的惯性器件就能获得导航用的全部信息，它既不向外辐射任何信息，也不需要任何其他系统提供外来信息，就能在全天候条件下，在全球范围内和所有介质环境里自主、隐蔽的进行三维导航，也可用于外层空间的三维导航。 惯导系统的比力方程 惯导系统根据与系统类型相应的数学方程（称之为力学编排）对惯性器件的输出作处理，从而获得导航数据。尽管各种类型的系统相应的力学编排各不相同，但他们都源自同一个方程：比力方程。比力方程描述了加速度计输出量与运载体速度之间的解析关系： 式中： eT v为运载体的地速向量；f为比力向量，是作用在加速度计质量块 单位质量上的非引力外力，由加速度计测量；g为重力加速度； ie ω为地球自转
《惯性导航系统》学习指南
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。
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。 （1）《惯性导航与组合导航》，张宗麟，北京，航空工业出版社，2000年8月 （2）《惯性导航》，秦永元，北京，科学出版社，2006年5月（3）《捷联惯性导航技术》（英）David H.Titterton，北京，国防工业出版社，2007年12月 （4）《惯性器件与惯性导航系统》，邓志红，北京，科学出版社2012年6 月 （5）《光纤陀螺仪》，（法）Hrtve G. Lefevre，北京，国防工沛出版社，2002年1月 （6）《陀螺原理》，许江宁，北京，国防工业出版社，2005年1月 （7）《无陀螺捷联式惯性导航系统》，史震，哈尔滨，哈尔滨工程大学出版社，2007年8月 （8）《惯性导航与组合导航基础》，刘智平，北京，国防工业出版社，2013年6月 （9）《惯性技术》，邓正隆，哈尔滨，哈尔滨工业大学出版社，2006年2月 （10）《惯性仪器测试与数据分析》，严恭敏，北京，国防工业
2捷联惯性导航系统初始对准原理
第二章 捷联惯导系统的初试对准 2.1引言 惯导系统是一种自主式导航系统。它不需要任何人为的外部信息，只要给定导航的初始条件（例如初始速度、位置等），便可根据系统中的惯性敏感元件测量的比力和角速率通过计算机实时地计算出各种导航参数。由于“平台”是测量比力的基准，因此“平台”的初始对准就非常重要。对于平台惯导系统，初试对准的任务就是要将平台调整在给定的导航坐标系的方向上。若采用游动方位系统，则需要将平台调水平---称为水平对准，并将平台的方位角调至某个方位角处---称为方位对准。对于捷联惯导系统，由于捷联矩阵T 起到了平台的作用，因此导航工作一开始就需要获得捷联矩阵T 的初始值，以便完成导航的任务。显然捷联惯导系统的初始对准就是确定捷联矩阵的初始值。在静基座条件下，捷联惯导系统的加速度计的输入量为---b g ，陀螺的输入量为地球自转角速率b ie ω。因此b g 与 b ie ω就成为初始对准的基准。将陀螺与加速度计的输入引出计算机，通过计算机 就可以计算出捷联矩阵T 的初始值。 由以上的分析可以看出，陀螺与加速度计的误差会导致对准误差；对准飞行器的干扰运动也是产生对准误差的重要因素。因此滤波技术对捷联系统尤其重要。由于初始对准的误差将会对捷联惯导系统的工作造成难以消除的影响，因此研究初始对准的误差传播方程也是非常必要的。 2.2 捷联惯导系统的基本工作原理 捷联式惯性导航系统，陀螺仪和加速度计直接与载体固联，加速度计测量是载体坐标系轴向比力，只要把这个比力转换到导航坐标系上，则其它计算就与平台式惯性导航系统一样，而比力转换的关键就是要实时地进行姿态基准计算来提供数学平台，即实时更新姿态矩阵n b C ，姿态矩阵也称为捷联矩阵。一般选择地理坐标系为导航坐标系，那么捷联矩阵n b C 也可表示为t b C ， 其导航原理图如图2.1所示。
惯性导航系统
惯性导航系统 一、惯性导航系统（Inertial Navigation System，INS） 1、基本概念 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。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。 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。激光陀螺测量动态范围宽，线性度好， 性能稳定，具有良好的温度稳定性和重复性，在高精度的应用领域中一直 占据着主导位置。由于科技进步，成本较低的光纤陀螺（FOG）和微机械陀螺（MEMS）精度越来越高，是未来陀螺技术发展的方向。我国的惯导技术 近年来已经取得了长足进步，液浮陀螺平台惯性导航系统、动力调谐陀螺 四轴平台系统已相继应用于长征系列运载火箭。其他各类小型化捷联惯导、光纤陀螺惯导、激光陀螺惯导以及匹配GPS修正的惯导装置等也已经大量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 的新型激光陀螺捷联系统在新型战机上试飞，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类导弹制导武器上的应用，都极大的改善了我军装备的 性能。 惯性导航系统有如下主要优点：（1）由于它是不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，故隐蔽性好，也不受外界电磁干扰的 影响；（2）可全天流全球、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下；（3）能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且 噪声低；（4）数据更新率高、短期精度和稳定性好。其缺点是：（1）由 于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；（2）每次使用之前需要较长的初始对准时间；（3）设备的价格较昂贵；（4） 不能给出时间信息。但惯导有固定的漂移率，这样会造成物体运动的误差，因此射程远的武器通常会采用指令、GPS等对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位置参数。 2、惯性导航原理 目前，惯性导航分为两大类：平台式惯导和捷联式惯导。它们的主要区别在于，前者有实体的物理平台，陀螺和加速度计置于由陀螺定的平台上，该平台跟踪导航坐标系，以实现速度和位置解算，姿态数据直接取自于平台的环架；在捷联式惯导中，陀螺和加速度计直接固连在载体上。惯性平台的功能由计算机完成，