第8章 平台式惯性导航系统原理及应用分解

§3.5 平台式惯性导航系统的基本原理1、平台式惯导系统的基本组成原理平台式惯导系统的核心是一个惯性级的陀螺稳定平台，它确定了一个平台坐标系(用p 来标识)p p p z y ox ，三个惯性级的加速度计的敏感轴分别沿三个坐标轴的正向安装，测得载体的加速度信息就体现为比力f v在平台坐标系中的三个分量p x f 、p y f 和p z f 。

如果使平台坐标系精确模拟其一选定的导航坐标系(用n 来标识)n n n z y ox ，也便得到了比力在导航坐标系中的三个分量n x f 、n y f 和n z f ，通过必要的计算和补偿，可从中提取出载体相对导航坐标系的加速度矢量v&v 的三个分量，再通过两次积分，可得到载体相对导航坐标系的速度和位置。

平台式惯导系统按所选定的导航坐标系的不同又可分为：1）当地水平面惯性导航系统。

这种系统的导航坐标系是一种当地水平坐标系，即平台系的两个轴p ox 及p oy 保持在水平面内，p oz 轴与地垂线相重合。

由于两个水平轴可指向不同的方位，故这种系统又可分为（1）指北方位惯导系统。

这种系统在工作时p ox 指向地理东向(E)，p oy 指向地理北向(N)，即平台系模拟当地地理坐标系(用t 来标识)t t t z y ox 。

(2) 自由方位惯导系统。

在系统工作中，平台p oy 轴不跟踪地理北向而是与正北方向夹某个角度)(t α，称自由方位角。

由于)(t α可以有多种变化规律，因此又有自由方位、游动方位等区分。

2) 空间稳定惯导系统。

这种系统的导航坐标系为惯性坐标系(用i 来标识)，一般采用原点定在地心的惯性坐标系。

i oz 轴与地轴重合指向北极，i ox 、i oy 轴处于地球赤道平面内，但不随地球转动（x 轴指向春分点）。

与当地水平面惯导系统相比，平台所取的空间方位不能把运动加速度和重力加速度分离开，而要依靠计算机进行补偿。

我们知道，地球相对惯性空间是转动的，因而在地表任何一点的水平坐标系也在随之一道转动。

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： a F。

测量水平约束力F，求的a，对a积分一次，即得水平速度，再m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： v eT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 为地球自转角速度；eT 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；dv eTdt表示在平台坐标系 T 内观察到的地速向量的时间变化率。

惯性导航系统原理及其应用作者：陈继伟夏楚瑜杨璐来源：《商情》2013年第33期【摘要】本文介绍了惯性导航系统的主要组成器件，基本原理和主要类型。

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 INS 陀螺仪惯性导航系统（Inertial Navigation System）是以惯性原理为理论基础，以陀螺仪和加速度计等为硬件设备基础，结合机电，光学，物理，数学，计算机科学等多种学科技术建立的导航参数解算系统。

与天文导航系统，无线点导航系统，卫星导航系统相比，惯性导航系统具有设备隐蔽性，导航自主性和信息获取完整性等独特优点，故惯性导航系统一直作为一种重要的导航设备，广泛应用于民用，军事，科研等多个领域。

一、惯性仪表惯性仪表，又称惯性器件，是惯性导航系统获取导航参数的主要硬件设备。

目前，惯性仪表主要指陀螺仪和加速度计。

（一）陀螺仪陀螺仪主要用于获取运动体角运动信息。

陀螺仪具有两大特性：定轴性，在不受外力矩作用时，陀螺转子的方向始终指向初始恒定方向。

进动性，在受外力作用时，陀螺转子讲偏离原始方向，做以下运动：根据以上两个特性制成的陀螺仪能够精确测定陀螺轴指向。

目前，陀螺仪发展已经进入第四个阶段，即激光陀螺，静电陀螺，振动陀螺广泛应用。

在未来，高灵敏度，高可靠性，结构简单，成本低廉的光纤陀螺将是主要发展趋势。

（二）加速度仪加速度计主要用于获取运动体加速度信息。

假设加速度计处于垂直方向上，由于地球重力影响，根据牛顿第二定律，只需已知测试元件质量，通过测量测试元件所受的力，便可求出运动体加速度。

通常记f（specific force）定义为作用在单位质量的非引力外力，可由加速度计测出。

目前，工程上常采用具有偏心质量的摆式加速度，常见有液浮摆式加速度计，陀螺积分加速度计。

二、惯性导航系统分类根据构建导航坐标系方法不同，常将惯性导航系统分为两类平台式惯性导航系统，将加速度计安装在稳定平台上，稳定平台由陀螺仪控制，使平台始终与要求的导航坐标系保持一致。

惯性导航仪的工作原理导航是指确定和控制航行方向和位置的过程。

惯性导航仪（Inertial Navigation System，简称INS）是一种独立于外部参考的导航系统，它利用惯性传感器测量加速度和角速度来计算飞行器的位置、速度和姿态。

惯性导航仪主要由三个部份组成：加速度计、陀螺仪和计算单元。

1. 加速度计：加速度计是惯性导航仪的重要组成部份，用于测量飞行器在三个坐标轴上的加速度。

常用的加速度计有微机械式加速度计和光纤陀螺加速度计。

微机械式加速度计利用微机械传感器测量加速度，其原理是根据牛顿第二定律，通过测量质量在受力下的位移来计算加速度。

光纤陀螺加速度计则利用光纤的光程差来测量加速度，其原理是根据光纤在加速度作用下的弯曲程度。

2. 陀螺仪：陀螺仪用于测量飞行器的角速度，即绕三个坐标轴的旋转速度。

常用的陀螺仪有机械陀螺仪和光纤陀螺仪。

机械陀螺仪利用陀螺效应测量角速度，其原理是通过转子的旋转来保持陀螺仪的稳定，当飞行器发生旋转时，陀螺仪会产生相应的力矩，从而测量角速度。

光纤陀螺仪则利用光纤的光程差来测量角速度，其原理是根据光纤在旋转作用下的光程差变化。

3. 计算单元：计算单元是惯性导航仪的核心部份，它通过对加速度计和陀螺仪的测量数据进行处理和融合，计算出飞行器的位置、速度和姿态。

常用的算法有卡尔曼滤波算法和扩展卡尔曼滤波算法。

卡尔曼滤波算法是一种递归滤波算法，它通过对测量数据和系统模型的加权融合，实现对飞行器状态的估计。

扩展卡尔曼滤波算法则是对卡尔曼滤波算法的扩展，用于处理非线性系统模型。

惯性导航仪的工作原理是基于牛顿力学和陀螺效应的原理，通过加速度计和陀螺仪测量飞行器的加速度和角速度，并通过计算单元对测量数据进行处理和融合，从而实现对飞行器的导航定位。

惯性导航仪具有独立性强、精度高、抗干扰能力强等优点，广泛应用于航空航天、船舶、导弹、车辆等领域。

然而，惯性导航仪也存在积累误差问题，随着时间的推移，由于测量误差的积累，导航精度会逐渐下降。

第8章平台式惯性导航系统原理及应用分解导航系统是指通过利用一些特定设备和技术，能够确定用户在地球表面的位置、速度和方向等信息的系统。

其中，惯性导航系统是一种通过测量加速度和角速度来获得位置和姿态等信息的导航系统。

平台式惯性导航系统是一种常见的惯性导航系统，具有广泛的应用领域。

平台式惯性导航系统主要由陀螺仪和加速度计两部分组成。

陀螺仪用于测量角速度，而加速度计用于测量加速度。

通过分析和处理这些测量数据，可以计算出导航系统的位置、速度和姿态等信息。

在平台式惯性导航系统中，陀螺仪和加速度计通常被安装在一个机械平台上，该平台可以旋转和倾斜。

当导航系统发生运动时，陀螺仪和加速度计可以测量出相应的角速度和加速度，进而计算出导航系统的姿态和加速度。

平台式惯性导航系统的原理是基于牛顿力学中的惯性定律。

根据惯性定律，一个物体在没有外力作用时，将保持其匀速直线运动状态，或者保持其静止状态。

因此，当平台式惯性导航系统没有受到其他力的影响时，陀螺仪和加速度计的测量数据可以被用来计算导航系统的姿态和加速度。

平台式惯性导航系统具有广泛的应用领域。

首先，它被广泛应用于航空航天领域。

在飞机和航天器的飞行过程中，由于缺乏地面参考，惯性导航系统可以提供稳定和精确的位置和姿态信息，从而保证飞行的安全和稳定性。

其次，平台式惯性导航系统也被广泛应用于海洋领域。

在海上航行中，由于海上条件的复杂性，常规导航系统容易受到干扰和影响。

而平台式惯性导航系统可以通过测量姿态和速度等信息来提供可靠的导航支持。

另外，平台式惯性导航系统还被应用于无人驾驶车辆、船舶和机器人等领域，以及医疗设备和工业自动化等领域。

总结起来，平台式惯性导航系统是一种通过测量陀螺仪和加速度计的数据来计算导航系统姿态和加速度的导航系统。

它的工作原理基于惯性定律，广泛应用于航空航天、海洋、无人驾驶和医疗设备等领域。

第8章平台式惯性导航系统原理及应用平台式惯性导航系统（Inertial Navigation System，简称INS）是一种基于惯性传感器的导航系统，它通过测量和积分加速度和角速度来得出飞行器在空间中的位置、速度和姿态。

平台式INS由惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，简称IMU）和数据处理单元组成，广泛应用于航空、航天、海洋、地质勘探等领域。

平台式INS的原理是基于牛顿第二定律和角动量守恒定律。

当飞行器作加速度和角速度运动时，惯性传感器会感知到这些运动并输出相应的信号。

IMU通常由加速计和陀螺仪组成，加速计用于测量加速度，陀螺仪用于测量角速度。

通过对加速度和角速度进行积分，可以得到飞行器在三维空间中的位置、速度和姿态。

平台式INS的应用十分广泛。

在航空领域，它被用于航空器的导航、制导和控制系统，可以实现自主飞行和目标跟踪。

在航天领域，它被用于航天器的姿态控制和轨迹修正。

在海洋领域，它被用于船舶和潜艇的导航和定位。

在地质勘探领域，它被用于测量地震波和地壳变动。

平台式INS具有许多优点。

首先，它不受外界环境的影响，可以在任何条件下进行导航。

其次，它具有高精度和高精度保持能力，可以提供精确的导航信息。

再次，它具有良好的可靠性和稳定性，可以长时间运行而不受干扰。

然而，平台式INS也存在一些局限性。

首先，积分误差会随时间的推移累积，导致导航精度下降。

其次，惯性传感器本身存在零偏和尺度因素等误差，需要进行校准和补偿。

再次，平台式INS在长时间无法接收外部定位信息的情况下，会出现漂移现象，导航精度降低。

为了克服这些问题，常常采取多传感器融合的方法，将惯性传感器与其他定位系统（如全球定位系统）相结合，以提高导航精度和可靠性。

另外，还可以使用自适应滤波和状态估计算法对积分误差和传感器误差进行校正和补偿。

总之，平台式惯性导航系统是一种基于惯性传感器的导航系统，通过测量和积分加速度和角速度来得出飞行器在空间中的位置、速度和姿态。