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惯性导航基本原理PPT课件

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惯性导航1(坐标系及方向余弦)PPT幻灯片课件

惯性导航1(坐标系及方向余弦)PPT幻灯片课件

一点或某一矢量在一个坐标系中的坐标，变换成另一坐标系
的坐标来表示。
20
基于方向余弦的坐标变换
21
图1-9
22
方向余弦矩阵性质
23
方向余弦间关系式
九个方向余弦之间存在六个约 束条件，因而实际上只有三个 方向余弦是独立的。仅仅给定 三个独立的方向余弦，并不能 唯一的确定两个坐标系之间的 相对角位置。为了解决这个问 题，通常采用三个独立的转角 即欧拉角来求出九个方向余弦 的数值，这样便能唯一的确定 两个坐标系之间的相对角位置。
24
欧拉角
25
26
思考：小角度条件下转动？
27
地心惯性坐标系：原点取在地心，Zi轴与地球自 转轴一致，Xi、Yi轴在赤道平面内，构成右手直
角坐标系。地心惯性坐标系不参与地球的自转运 动，即其三根坐标轴在惯性空间的方向保持不变。
6
地球坐标系
7
地理坐标系
8
地理坐标系特点
9
10
11
12
13
载体坐标系 载体坐标系zb轴垂直于甲板， yp轴眼载体纵轴，
惯性导航
1
惯性导航核心： 1、需要确定载体加速度方向。(陀螺仪测姿态，
即加速度方向) 2、需要确定载体加速度大小。 (加速度计测加
速度大小)
陀螺仪和加速度计是惯性系统最关键的核 心惯性器件！
2
什么是运动物体的姿态？
词典: 指物体呈现的样子。
惯性技术: 指物体坐标系与参考坐标系相对角位移
关系。
15
惯性元件输出的信号是相对惯性空间的测量信 号，根据导航的任务不同，则必须将其转换为 地理坐标系或其他坐标系的信号。
---->坐标系的旋转及表示方法。

导航系统-惯性导航PPT课件

导航系统-惯性导航PPT课件
Rh Rh
VE
R hcos
V sin
R hcos
N VN
ψ
沿东向轴的变化: 沿北向轴的变化: 沿垂直轴向的变化:
E
VN Rh
V cos
Rh
N
cos
V sin
Rh
Z
sin
V R
h
sin
tg
2021年3月17日
导航系统
V VE E
23
导航系统--区域导航 地理坐标系相对于惯性系的运动角速度
导航系统--区域导航
导航系统课程内容
传统导航
➢ 仪表导航 ➢ 无线电导航
区域导航
➢ 简单区域导航（DME/DME、DME/VOR）
➢ 惯性导航
所需导航性能
➢ RNP参数
基于性能的导航（PBN）
2021年3月17日
导航系统
1
导航系统--区域导航
惯性导航概述
惯性导航系统功能
➢ 自动测量飞机各种导航参数及飞机控制参数，供飞行员使用 ➢ 与飞机其他控制系统相配合完成对飞机的人工或自动控制
2021年3月17日
导航系统
13
导航系统--区域导航
机体系与地理系之间的关系
地理系向机体系转换:
俯仰 XB
XG
γ:倾斜 XB
YG
:俯仰
YB
ZG ψ:真航向
ZB
倾斜 YB
XB 偏航
2021年3月17日
导航系统
ZB ZB
YB
14
导航系统--区域导航
坐标系变换
V
x
y
V
'
x' y'
则 V ' CV

惯性导航原理课件

惯性导航原理课件

未来惯性导航系统将更加注重 小型化、低功耗和集成化设计 ，以满足各种便携式和嵌入式 设备的需求。
惯性导航技术与其他导航技术 的融合将进一步深化，形成更 加高效、精准、可靠的导航解 决方案。
THANKS 感谢观看
由于制造工艺和环境因素的影响，陀螺仪 的测量结果会存在误差，需要进行误差补 偿。
加速度计的测量结果也会受到多种因素的 影响，需要进行误差补偿。
积分误差
外部干扰误差
由于积分运算本身的误差累积效应，惯性 导航系统在长时间工作时误差会逐渐增大 ，需要进行定期校准。
载体运动过程中受到的外部干扰（如风、 水流等）会影响惯性导航系统的测量结果 ，需要进行相应的误差补偿。
06 总结与展望
本课程总结
01
介绍了惯性导航的基本原理和实现方法，包括陀螺仪
和加速度计的工作原理、误差模型和标定技术等。
02
重点讲解了卡尔曼滤波器在惯性导航系统中的应用，
以及如何进行系统状态估计和误差修正。
03
结合实际案例，分析了不同场景下惯性导航系统的优
缺点和适用性。
惯性导航技术发展趋势
随着传感器技术和微电子技术的不断发展，惯性导航系统的精度和稳定性将得到进 一步提升。
角速度测量
陀螺仪实时测量载体的角速度 ，并输出角速度数据。
加速度测量
加速度计实时测量载体的加速 度，并输出加速度数据。
运动参数计算
控制系统根据角速度和加速度 数据，通过积分运算计算载体 位置、姿态等运动参数。
控制输出
控制系统将计算得到的运动参 数输出到执行机构，以控制载
体运动。
误差分析
陀螺仪误差
加速度计误差
民用领域应用
01
02

惯导PPT第一章.

惯导PPT第一章.
– XT and YT are in the equator plane, XT is in the intersection of the equator plane and the Greenwich meridian – ZT is the same axis as the earth rotation axis
XT
YT
返回
2018年8月10日
惯导
24
Space-fixed or Inertial Frame(惯性 坐标系）
Z
– Space-fixed or inertial frame (Galilean)- (a) or (I) or (X,Y,Z)
– X and Y are in the equator plane, X pointing certain star
第一章 惯性导航中的地球、重力和坐标系
第一节 导航和惯性导航
导航及其种类
导航(Navigation)，就是引导航行的简称，是指将载体从一个位置引 导到另一个位置的过程。通常将飞机、舰船、导弹、坦克及宇宙飞行 器等，统称载体，于是也就有了航空导航、舰船导航、陆地导航及航 天制导之分。 导航的基本要素：即时位置(坐标)、航行速度、航行方位(航向)或飞过 距离等。
• 80年代以后到90年代初，以激光陀螺、光纤陀螺为代表的捷联式惯导 系统，得到极其迅速的发展和非常广泛的应用。 • 90年代惯性技术的发展，在系统方面主要是广泛应用惯导与GPS全球 定位系统，以及惯导与其它导航系统的双重和多重组合。
惯性技术的重要性及发展方向
惯性技术的发展表明，作为导航和制导，使用惯性系统有着其它导 航和制导技术无法比拟的优点，尤其自主性、抗干扰性和输出参数的 全面性等，对于军事用途的飞机、舰艇、导弹等有着十分重要的意义。 例如，惯性制导的中远程导弹，一般来说命中精度70％取决于惯性系 统的精度，它基本上决定了导弹是否能打准的问题。对于核潜艇，由 于潜航时间长，其位置和速度是变化的，而这些数据又是发射导弹的 初始状态参数，直接影响导弹的命中精度，因而需要提供高精度的位 置、速度等信号，而唯一能满足这一要求的导航设备就是惯性导航系 统。又如，战略轰炸机，由于要求它经过长时间远程飞行后，仍能保 证准确投放(发射)武器而命中目标，只有使用惯性导航系统才是最为 合适的，因为这样不依赖外界信息，隐蔽性好，不易受到外界干扰， 又不会因沿途经海洋，过沙漠而影响导航精度。

惯性导航原理ppt课件

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代入上述投影变换式
Ve ' x'i y' j z' k q 1 P1i P2 j P3k
x'i y' j z'k
( P1i P2 j P3k) (xi yj zk) ( P1i P2 j P3k)
进行四元数乘法运算，整理运算结果可得
20
四元数表示转动 方向余弦
或简单表示为
q M v, P
12
四元数基本性质 乘法
2．四元数乘法
q M ( P1i P2 j P3k)(v 1i 2 j 3k)
(v P11 P2 2 P33 )
( 1 P1v P2 3 P32 )i
( 2 P2v P31 P13 ) j
( 3 P3v P12 P2 1 )k
7
6. 机体坐标系——
Oxb yb zb
机体坐标系是固连在机体上的坐标系。机 体坐标系的坐标原点o位于飞行器的重心处， x沿机体横轴指向右，y沿机体纵轴指向前， z垂直于oxy，并沿飞行器的竖轴指向上。
8
3.2四元数理论
9
四元数 表示
四元数：描述刚体角运动的数学工具 (quaternions) 针对捷联惯导系统，可弥补欧拉参数在描述和解算方面的不足。
四元数 映象图解
V xi yj zk
V x'i' y' j'z'k'
Ve xi yj zk Ve ' x'i y' j z' k
19
四元数表示转动 方向余弦
Ve ' q 1Ve q 将该投影变换式展开，也就是把
Ve xi yj zk q P1i P2 j P3k

《惯性导航原理》课件

《惯性导航原理》课件
本课程旨在介绍惯性导航的基本原理、技术特点、应用场景和发展趋势，为学生和 从业人员提供全面深入的学习资料。
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ppt课件


受任何干扰 、隐蔽性强 、输出信息量大 、输出信息实时性强
等优点 ，使其在军事领域和许多民用领域都得到了广泛的应
用 ，已被许多机种选为标准导航设备或必装导航设备 。
一、惯性导航技术的发展历史
图1.4 陀螺仪弹
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。由于陀螺 仪是惯性导航的核心部件，因此，可以按各种类型陀螺出现的 先后、理论的建立和新型传感器制造技术的出现，将惯性技术 的发展划分为四代。
几种姿态结算是重点
三、惯导系统的分类
Bortz 和 Jordon 最早提出了等效旋转矢量概念用于陀 螺输出不可交换误差的修正， 从而在理论上解决了不可交换 误差的补偿问题， 其后的研究就主要集中在旋转矢量的求解 上 ，根据在相同姿态更新周期内 ，对陀螺角增量等间隔采样 数的不同 、有双子样算法、 三子样算法等 。为减少计算量 Gilmore 提出了等效旋转矢量双回路迭代算法Miller 讨论 了在纯锥运动环境下等效旋转矢量的三子样优化算法， 此后 ，在 Miller 理论的基础上 Jang G. Lee 和 Yong J.Yoon 对等效旋转矢量的四子样优化算法进行了研究。 Y.F.Jiang 对利用陀螺的角增量及前一更新周期采样值的算法进行了研究 ， 研究结果表明， 采样阶数越高，更新速率越快 ，姿态更新 算法的误差就越小。 Musoff 提出了圆锥补偿算法的优化指 标， 分析了圆锥补偿后的算法误差与补偿周期幂次 r 的关系 。 这些理论研究奠定了姿态更新算法的经典理论基础 。
一、惯性导航技术的发展历史
图1.5 惯导技术发展历史
二、惯性传感器的最新发展现状
2.1陀螺仪 定义：传统意义上的陀螺仪是安装在框架中绕回转体的对

惯性导航基本原理PPT课件

次积分而求得。要进行积分必须要知道初始条件: 初始速度，初始位置，初始姿态。而捷联惯导系统 中初始对准的另一个关键问题是要在较短的时间内 以一定的精度确定出从载体坐标系到地理坐标系的 初始变换矩阵。
21
2.对准要求 精确、快速。传感器精度高，同时对陀螺、加速
度计进行补偿
3.对准方法和过程 过程：分两步即粗对准和精对准 自主对准，不依赖外信息，受控式（依赖外信息） 方法：光的方法，天文的方法 粗对准：利用重力和地球自转角速率，直接估算
t
v i ( t ) v i ( t ) a i ( ) d 0 t0
t
r i ( t ) r i ( t ) v i ( u ) d u 0 t0
：视加速度，测量值；g ：引力加速度。
12
平台式惯导系统组成
13
5捷联惯性导航工作原理
陀螺、加速度计固联在载体上。 测量载体相对于惯性系的旋转角速度、加速 度矢量（在载体坐标系中的值）。然后依据初始 时刻载体的位置、速度及姿态，计算出载体坐标 系相对于惯性系的姿态角、加速度，对加速度一 次（二次）积分得到速度（位置）。
14
Ri (t) Ri (t) b (t)
b
b
ib
33
33
33
f i(t) R i (t) f b(t)
b
31
31
0
z
y
b ib
z
0 x
y
x
0
其中
R i ：b系至 i系的旋转变换矩阵； b
b ：捷联陀螺测得的 b系相对于i系旋转角速度矢 ib
量在 b系中的值，、、 为其轴向分量。
2
0
x 1 f (t t )3
6

导航原理惯性导航休拉调谐分解课件


处理单元将解算得到的控制指令输出 给执行机构，对载体进行控制和调整 。
A/D转换
处理单元将陀螺仪和加速度计的模拟 信号转换为数字信号，便于计算机处 理。
03
休拉调谐原理
休拉调谐的概念
惯性导航系统
惯性导航系统是一种通过测量物体的 加速度和角速度来确定物体位置、速 度和姿态的导航系统。
休拉调谐原理
休拉调谐是惯性导航系统中一种重要 的调谐方法，通过调整惯性传感器的 安装位置和方向，以减小惯性传感器 对导航性能的影响。
陆地导航
车辆导航（Vehicle Navigation）
在复杂的城市道路和高速公路上，惯性导航系统可以提供精确的车辆位置、速度和航向 信息，为驾驶者提供实时的道路指引。
机器人导航（Robot Navigation）
在工业自动化和智能服务领域，惯性导航系统可以帮助机器人实现精确的移动和定位， 提高工作效率和安全性。
采用先进的滤波算法和数据处理技术，对惯性传感器数据进行优化处理，以提高 导航精度。
小型化、集成化
微型化设计
通过采用微型化设计，将惯性传 感器和导航计算机等组件集成在 一个小型封装中，实现更小体积 和更轻重量。
集成化技术
采用先进的集成电路技术和微加 工技术，将多个组件集成在一个 芯片上，实现更小体积、更轻重 量和更低功耗。
休拉调谐的原理
惯性传感器安装位置
在休拉调谐中，惯性传感器的安装位置应尽量远离运动物体，以减小运动物体 对惯性传感器的影响。
惯性传感器安装方向
惯性传感器的安装方向应尽量与导航坐标系的方向一致，以减小惯性传感器对 导航性能的影响。
休拉调谐的实现方法
选择合适的安装位置
在安装惯性传感器时，应选择远离运动物体、尽量与导航坐标系 一致的位置。

《惯性导航系统》课件


轨道监测。
惯较高的测量精度，适用于精密导航和定位。
可靠性
不受外界环境干扰，适用于复杂环境和恶劣条件。
鲁棒性
不受信号遮挡和干扰，适用于密集城市和山区等特殊环境。
惯性导航系统的发展趋势
1
集成化
将惯性传感器和导航算法集成在一起，提高系统性能。
2
精度提升
《惯性导航系统》PPT课
件
本课件介绍了惯性导航系统的定义、组成和原理，以及在航空、航海、矿业
和地震勘探等领域的应用场景。
什么是惯性导航系统
惯性导航系统是一种利用惯性传感器测量和计算对象运动状态和位置的系统。
惯性导航系统的应用场景
1
航空 ✈️
2
飞机、无人机等飞行器的导航和姿态控
航海 ⛵️
船舶的导航、位置定位和目标跟踪。
引入更精密的传感器技术和导航算法，提高导航精度。
3
多源数据融合
融合其他导航系统数据，提高位置和姿态的准确性。
惯性导航系统的应用前景
航空航天领域
工业制造领域
军事领域
飞行器导航、姿态控制和自主
机器人导航、定位和轨迹规划
武器系统导航、目标跟踪和战
导航技术的重要组成部分。
的关键技术。
场监测的重要手段。
结论
惯性导航系统在现代导航领域具有重要作用，随着技术的不断发展，其应用
前景将更加广泛。
制。
3
矿业 ⛏️
地下矿场的测量和导航。
4
地震勘探
地震仪的定位和震源分析。
惯性导航系统与其他导航系统的比较
GPS
北斗卫星导航系统
轨道测量系统
全球卫星定位系统，依赖卫
中国自主建设的卫星导航系
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惯导家族成员均是由加速度计测得的加速度经两 次积分而求得。要进行积分必须要知道初始条件: 初始速度，初始位置，初始姿态。而捷联惯导系统 中初始对准的另一个关键问题是要在较短的时间内 以一定的精度确定出从载体坐标系到地理坐标系的 初始变换矩阵。
.
22
2.对准要求
精确、快速。传感器精度高，同时对陀螺、加速 度计进行补偿
.
8
（3）加速度计测量原理
S
f
a
S 0 刻划
（不受外力）
0 刻划 g
.
9
地球
加速度计不能敏感引力加速度
.
10
加速度计
.
11
4 平台式惯性导航工作原理
Z平
azaLeabharlann Y平axX平 平台式惯导系统示意图
.
12
测量载体在惯性坐标系中的加速度，然后一次积分 得到速度，二次积分得到位置。
a i(t) f i(t) g i(t)
t
v i ( t ) v i ( t ) a i ( ) d 0 t0
t
r i ( t ) r i ( t ) v i ( u ) d u 0 t0
其中 f ：视加速度，测量值；g ：引力加速度。
.
13
平台式惯导系统组成
.
14
5捷联惯性导航工作原理
陀螺、加速度计固联在载体上。 测量载体相对于惯性系的旋转角速度、加速 度矢量（在载体坐标系中的值）。然后依据初始 时刻载体的位置、速度及姿态，计算出载体坐标 系相对于惯性系的姿态角、加速度，对加速度一 次（二次）积分得到速度（位置）。
.
5
2 惯性导航的组成
1惯性导航组件 加速度计 陀螺仪 主要完成导航参数的测量和计算 （1）平台式 一个三轴空间平台，2、3个高精度陀螺仪以及三个 高精度的加速度计，一部数字计算机，其他电子线 路板 （2）捷联式 三个高精度陀螺仪以及三个高精度的加速度计一部 数字计算机，其他电子线路板没有实际的陀螺稳定 平台，将加速度计和陀螺仪直接与飞机机体链接， 用导航计算机计算数学平台。
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
2、用途
惯性导航系统用于各种运动机具中，包括飞机、
潜艇、航天飞机等运输工具及导弹，然而成本及复杂
性限制了其可以应用的场合。
惯性系统最先应用于火箭制导，二战期间经德国人冯
布劳恩改进应后，应用于 V-2火箭 制导。战后美国麻
省理工学院等研究机构及人员对惯性制导进行深入研
x
2
0
x 1 f (t t )3
6
0
结论：惯导误差随时间迅速增加。
.
20
三类误差：静态、动态、随机误差。 误差原因：惯性元件不尽完善，安装误差，温度
变化等。 结论：惯导误差随时间迅速增加。
应对措施：建立惯导误差模型，测试标定模型参 数，然后对惯导系统进行补偿。
.
21
7 惯性导航初始对准
1.为何要对准
惯性导航基本原理
.
1
主要内容
1 引言
2 惯性导航的组成
3 加速度计测量原理
4 平台式惯性导航基本原理
5 捷联惯性导航基本原理
6 误差分析
7 惯性导航初始对准 8 功能与用途
.
2
1 引言
（1）惯性导航系统功能
测量载体相对于惯性坐标系的加速度、角速度，通过 积分计算获取载体的导航信息。
（2）惯性导航系统发展
3.对准方法和过程
过程：分两步即粗对准和精对准 自主对准，不依赖外信息，受控式（依赖外信息） 方法：光的方法，天文的方法 粗对准：利用重力和地球自转角速率，直接估算 初始姿态矩阵。
精对准：精确校正计算参考坐标系n¢与真实参考 坐标系n之间的小失准角f。
.
23
8 功能与用途
1、功能
已知点的位置根据连续测得的运动体航向角和速
究，从而发展成应用飞机、火箭、航天飞机、潜艇的
现代惯性导航系统。
.
24
以机械陀螺为敏感器件的惯性导航系统的发展； 以光学或微机电陀螺为敏感器件的惯性导航系统的发展。
.
3
（3）系统分类
平台式惯导系统 捷联式惯导系统
（4）系统组成
导航信息 计算机
陀螺 加速度计
.
4
（5）惯导优点
① 依靠自身测量信息进行连续定位； ② 不需接收外部信息，不受外界干扰； ③ 不向外部辐射能量，具有隐蔽性； ④ 可同时确定载体位置/速度/姿态信息。
.
6
2、控制显示组件：包括导航参数的显示，初 始值的引入，系统实验故障显示和告警等。
3、方式选择组件：主要用来控制系统的工作 状态。
4、备用电池组件:特殊情况下供电。
.
7
3 加速度计测量原理
（1）加速度计功能
测量载体相对于惯性坐标系的视加速度在体坐标系中的值。
（2）加速度计分类
摆式、摆式积分陀螺加速度计……
x
y
z
.
16
i系： “数学平台”坐标系，b 系中的视加速度 测量值转换至该系，位置、速度参数在该 系中计算。
由角速度测量值及初始时刻转换矩阵、姿态角， 可以计算任意时刻转换矩阵、姿态角。
.
17
捷联式惯性导航系统的特点：
陀螺仪动态范围大； 导航计算量大； 结构简单、体积小、重量轻、成本低等。
.
18
6 误差分析
假设载体沿 y 轴方向做匀加速直线运动。
y′ y f
x′
ε
o
x
.
19
假设视加速度、角速度有常值误差 f、 ，则
a f y
v f (t t )
y
0
y 1 f (t t )2
2
0
(t t ) 0
a f (t t )
x
0
v 1 f (t t )2
.
15
R i (t) R i (t) b (t)
b
b
ib
33
33
33
f i(t) R i (t) f b(t)
b
31
31
0
z
y
b ib
z
0 x
y
x
0
其中
R i ：b系至 i系的旋转变换矩阵； b
b ：捷联陀螺测得的 b系相对于i系旋转角速度矢 ib
量在 b系中的值，、、 为其轴向分量。