捷联惯性导航原理

光纤陀螺捷联惯性导航系统The Fiber Optical Gyroscope Strap-down InertialNavigation System中文摘要光纤陀螺捷联惯性导航系统由于具有结构简单、无运动部件、动态范围宽等特点，在导航领域里深受关注，并且正在迅速发展。

光纤陀螺捷联惯性导航系统研发的关键技术在于光纤陀螺惯性测量组件的硬件设计、初始对准技术以及光纤陀螺惯性测量组件的测试与误差标定技术。

【关键词】光纤陀螺惯性导航捷联惯性导航系统AbstractThe Strap-down Inertial Navigation System (SINS) can provide location and attitude. It has inertial sensors combined on the body, including gyros and accelerometers. And an on-board computer realizes the navigation algorithm. The mainstream of recent navigation sensor research is that about gyros without rotor. While in comparison with ring laser gyro or fiber optical gyro, hemispherical resonator gyro (HRG) is competitive due to the optimum cost VS degree of required accuracy, reliability and longevity.Key words: Fiber Optical Gyroscope; Inertial navigation; Strap-down Navigation System一、惯性技术的发展（一）惯性技术的重要性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，它是惯性导航、惯性制导、惯性测量和惯性敏感器技术的总称。

1、方向余弦表cos cos sin sin sin sin cos cos sin sin cos sin sin cos cos cos sin cos sin sin sin cos sin sin cos sin cos cos cos C ψϕψθϕψϕψθϕθϕψθψθθψϕψθϕψϕψθϕθϕ-+-⎡⎤⎢⎥=-⎢⎥⎢⎥+-⎣⎦（1.0.1）X E Y C N Z ζ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦（1.0.2） 在列写惯导方程需要采用方向余弦表，因为错误！未找到引用源。

α较小，经常采用两个假设，即：cos 1sin 1αα≈≈ （1.0.3）式中 α-两坐标系间每次相对转动的角度。

由于在工程实践中可以使其保持很小，所以进一步可以忽略如下形式二阶小量，即：sin sin 0αβ≈ （1.0.4）式中β-两坐标系间每次相对转动的角度。

可以将C 近似写为：111C ψϕψθϕθ-⎡⎤⎢⎥=-⎢⎥⎢⎥-⎣⎦（1.0.5） 2、用四元素表示坐标变换对于四元素123q p i p j p k λ=+++，可以表示为如下形式cossincos sincos sincos 2222q i j k θθθθαβγ=+++ （2.0.1）式（2.0.1）的四元数称为特殊四元数，它的范数1q =。

1'R q Rq -= （2.0.2）式中''''R xi yj zk R x i y j z k=++=++ （2.0.3）将q 和1q -的表达式及式（2.0.3）带入（2.0.2），然后用矩阵表示为：()()()()()()()()()22221231231322222123213231222213223131222''22'22p p p p p p p p p x x y p p pp p p p p p yz z p p p p p p p p p λλλλλλλλλ⎡⎤+--+-⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=-+--+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎢⎥+-+--⎣⎦（2.0.4）由四元素到方向余弦表的建立123cos cos22sin cos22sin sin22cos sin22p p p θψϕλθψϕθψϕθψϕ-=-=-=+= （2.0.5） 将式（2.0.5）带入式（2.0.4），有cos cos sin cos sin cos sin sin cos cos sin sin sin cos cos cos sin sin sin cos cos cos cos sin sin sin sin cos cos C ϕψϕθψϕψϕθψϕθϕψϕθψϕψϕθψϕθθψθψθ-+⎡⎤⎢⎥=---+⎢⎥⎢⎥-⎣⎦（2.0.6）3、四元数转动公式的进一步说明采用方向余弦矩阵描述飞行器姿态运动时，需要积分姿态矩阵微分方程式，即C C =Ω （3.0.1）式中 C -动坐标系相对参考坐标系的方向余弦阵Ω-动坐标系相对参考坐标系角速度ω的反对称矩阵表达式 其中C 为公式（1.0.5）提供000z y zx y xωωωωωω⎡⎤-⎢⎥Ω=-⎢⎥⎢⎥-⎣⎦（3.0.2）采用（3.0.1）计算需要列写9个一阶微分方程式，计算量大。

车载捷联惯导系统基本原理一、捷联惯导系统基本原理捷联惯导系统基本原理如图2-1所示：图中陀螺和加速度计直接与载体系b固联，用来测量载体的角运动信息和线运动信息。

导航解算的本质是根据初值进行积分的过程，通过求解姿态微分方程完成对姿态和航向角的积分，通过求解比力微分方程完成对速度的积分，通过求解位置微分方程实现对位置的积分。

捷联惯导的姿态矩阵C n 相当于“数学平台”，取代了平台惯导中的实体平台，而ωˆ相当于对数学平台“施矩”的指令角速率。

二、捷联惯导微分方程（一）姿态微分方程在捷联惯导系统中，导航坐标系n 和载体坐标系b 之间的角位置关系通常用姿态矩阵、四元数和欧拉角表示，相应也存在姿态矩阵微分方程、四元数微分方程和欧拉角微分方程三种形式。

姿态矩阵微分方程的表达式为：在欧拉角微分方程式(2.2-7)中，当俯仰角θ趋于90º时，cosθ趋于0，tanθ趋于无穷，方程存在奇异性，所以这种方法不能在全姿态范围内正常工作；姿态矩阵微分方程式(2.2-1)可全姿态工作，但姿态矩阵更新相当于求解包含9个未知量的线性微分方程组，计算量大；四元数微分方程式(2.2-6)同样可以全姿态工作，且更新算法只需求解4个未知量的线性微分方程组，计算量小，算法简单，是较实用的工程算法。

（二）速度微分方程速度微分方程即比力方程，是惯性导航解算的基本关系式：三、捷联惯性导航算法捷联惯导解算的目的是根据惯性器件输出求解载体姿态、速度和位置等导航信息，实际上就是求解三个微分方程的过程，相应存在姿态更新算法、速度更新算法和位置更新算法。

（一）姿态更新算法求解微分方程式(2.2-6)可得四元数姿态更新算法为：在车辆行驶过程中，一般不存在高频大机动环境，并且车载导航系统往往不工作在纯惯性导航方式，而是利用里程仪或零速条件进行组合导航，所以算法误差的影响有限，常用的5ms采样周期和二子样优化算法即可满足要求。

四、捷联惯导误差模型传感器误差、初值误差和算法误差是SINS的主要误差源，其中器件误差和初值误差又是影响导航结果的主要因素。

捷联惯性导航原理概要捷联惯性导航（Inertial Navigation System，简称INS）是一种基于惯性力学原理运行的导航系统，用于测量和跟踪物体的位置、速度和加速度。

它通过内部的陀螺仪和加速度计来测量物体在空间中的运动状态，并根据质量、力和运动的基本原理来计算物体的位置和速度。

通过将陀螺仪和加速度计的输出信号转换为数字信号，并通过计算机处理，可以获得物体相对于初始参考点的位置和速度。

这些数据可以通过与地图或导航系统的集成来确定物体的位置和方向。

捷联惯性导航系统的原理是基于牛顿运动定律和旋转不变性原理。

根据牛顿第一定律，当物体处于惯性坐标系中且不受任何力的作用时，它将保持静止或匀速直线运动。

根据牛顿第二定律，当物体受到外力作用时，它将产生加速度。

根据旋转不变性原理，即物理量在不同坐标系下具有相同的数值，陀螺仪和加速度计可以测量物体的角速度和加速度，从而得到物体的位置和速度。

捷联惯性导航系统具有高精度和高稳定性的优势，尤其适用于无法使用其他导航系统（如GPS）或需要高精度导航的环境。

然而，它也存在一些局限性。

首先，由于陀螺仪和加速度计的测量误差和漂移，容易导致导航误差的累积。

其次，捷联惯性导航系统无法提供绝对位置信息，需要与其他导航系统集成才能获得绝对位置。

为了提高捷联惯性导航系统的性能，可以采用多传感器融合技术。

通过将多种导航系统（例如GPS、地图、惯性导航）的输出数据进行融合，可以提高导航的精度和可靠性，同时减少漂移和误差的影响。

总之，捷联惯性导航系统是一种基于惯性力学原理运行的导航系统，利用陀螺仪和加速度计测量物体的运动状态，并根据质量、力和运动的基本原理计算物体的位置和速度。

它具有高精度和高稳定性的优势，但也存在一些局限性，需要与其他导航系统集成才能获得绝对位置信息。

通过多传感器融合技术的应用，可以进一步提高捷联惯性导航系统的性能。

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-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、偏航角和位置信息等。

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置参数。

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。

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。

捷联惯性导航原理捷联惯性导航（Inertial Navigation System，简称INS）是一种基于捷联惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）的导航系统。

该系统通过测量物体在空间中的加速度和角速度，进而推导出它的位置、速度和航向等导航信息。

捷联惯性导航系统由三个主要组件组成：加速度计、陀螺仪和计算机。

加速度计用于测量物体的加速度，陀螺仪用于测量物体的角速度，而计算机则用于整合和处理这些测量数据。

加速度计和陀螺仪通常被组合在一起形成IMU，IMU被安装在导航系统的载体上。

加速度计是用来测量物体的线性加速度的设备。

它的作用类似于测力仪，通过测量物体所受的力，可以计算出物体的加速度。

加速度计一般使用压电传感器或气泡级感应器来测量物体的加速度。

陀螺仪则是用来测量物体的角速度的设备。

它的原理基于陀螺效应，通过测量物体围绕轴线旋转的角速度来推导物体的旋转状态。

陀螺仪分为一体式陀螺仪和光纤陀螺仪两种类型，一体式陀螺仪主要使用电子仪器的原理，而光纤陀螺仪则使用光学原理。

在捷联惯性导航系统中，加速度计和陀螺仪的输出数据会被输入到计算机中进行处理。

计算机通过积分和滤波等算法，对加速度和角速度进行处理，推导出物体的位置和速度等导航信息。

计算机还会结合其他传感器如GPS等，以提高导航系统的精度和稳定性。

然而，捷联惯性导航也存在一些局限性。

首先，由于加速度计和陀螺仪的精度和稳定性有限，导致导航系统随着时间的推移会产生累积误差。

其次，在长时间的运动过程中，加速度计和陀螺仪可能受到震动、振动和温度变化等外界因素的影响，进而导致导航系统的精度下降。

为了解决这些问题，通常将捷联惯性导航系统与其他导航系统如GPS进行组合导航。

通过将两种导航系统的输出数据进行融合，可以克服各自的缺点，提高导航系统的精度和鲁棒性。

总结起来，捷联惯性导航是一种基于物体惯性特性的导航系统，通过测量物体的加速度和角速度，推导出物体的位置、速度和航向等导航信息。

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ω。

因此b g及速度计的输入量为---b g，陀螺的输入量为地球自转角速率bie bω就成为初始对准的基准。

将陀螺及加速度计的输入引出计算机，通过计ie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，陀螺及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及载体固联，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，则其它计算就及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C，姿态矩阵也称行姿态基准计算来提供数学平台，即实时更新姿态矩阵nbC也可表为捷联矩阵。

一般选择地理坐标系为导航坐标系，那么捷联矩阵nb C，其导航原理图如图2.1所示。

示为tb由惯导系统的工作原理可以看出，捷联式惯性导航系统有以下几个主要优点: 1.惯性敏感器便于安装、维修和更换。

2.惯性敏感器可以直接给出舰船坐标系轴向的线加速度、线速度，供给舰船稳定控制系统和武备控制系统。

捷联式惯性导航原理捷联式惯性导航（Inertial Navigation System，简称INS）是一种基于惯性测量装置的导航系统。

它通过测量线性加速度和角速度来得出加速度、速度和位置信息，从而实现航海、航空和航天等领域的精确导航和定位。

捷联式惯性导航系统由多个惯性传感器组成，包括加速度计和陀螺仪。

加速度计用于测量线性加速度，而陀螺仪则用于测量角速度。

这些传感器安装在导航系统的载体上，并与导航系统的计算单元相连。

捷联式惯性导航系统的原理可分为两个主要步骤：传感器测量和姿态解算。

传感器测量是指测量加速度计和陀螺仪输出的信号。

加速度计通过测量导航系统相对于载体的线性加速度来估计速度和位移。

陀螺仪则通过测量导航系统相对于载体的角速度来估计转角和航向。

这些测量值由传感器输出，并发送给导航系统的计算单元进一步处理。

姿态解算是指根据传感器测量值计算导航系统相对于载体的三维方向。

这个过程基于四元数算法和方向余弦矩阵等数学模型。

根据加速度计的测量值，可以得到系统的重力矢量，从而计算出系统相对于地球的姿态。

陀螺仪的测量值则用于校正角速度误差和姿态的漂移。

通过不断地积分和更新测量值，导航系统可以保持准确的姿态信息。

捷联式惯性导航系统的优势在于其自主性和抗干扰能力。

由于不依赖于外部信号源，如卫星或地面控制点，INS可以在任何环境中进行导航。

同时，由于惯性传感器对外部扰动的响应速度很快，导航系统可以及时纠正估计误差，从而实现高精度的导航和定位。

然而，捷联式惯性导航系统也存在一些缺点。

由于惯性传感器存在漂移和积分误差，INS的导航信息随着时间的推移会变得不准确。

此外，惯性传感器的准确性和稳定性也会受到温度、振动和电磁干扰等因素的影响。

为了解决这些问题，通常需要与其他导航系统，如全球定位系统（GPS）或地面测量系统（如激光测距仪），进行组合导航。

总的来说，捷联式惯性导航系统是一种基于惯性传感器测量的导航系统。

它通过测量线性加速度和角速度，计算出加速度、速度和位置信息。