SPATIAL 惯性导航航姿参考单元

北京七维航测科技股份有限公司 Beijing SDi Science&Technology Co.,Ltd.惯导(惯性导航系统)概述惯性导航系统（INS，以下简称惯导）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。

惯导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。

运用领域现代惯性技术在各国政府雄厚资金的支持下，己经从最初的军事应用渗透到民用领域。

惯性技术在国防装备技术中占有非常重要的地位。

对于惯性制导的中远程导弹，一般说来命中精度70%取决于制导系统的精度。

对于导弹核潜艇，由于潜航时间长，其位置和速度是变化的，而这些数据是发射导弹的初始参数，直接影响导弹的命中精度，因而需要提供高精度位置、速度和垂直对准信号。

目前适用于潜艇的唯一导航设备就是惯性导航系统。

惯性导航完全是依靠运载体自身设备独立自主地进行导航，不依赖外部信息，具有隐蔽性好、工作不受气象条件和人为干扰影响的优点，而且精度高。

对于远程巡航导弹，惯性制导系统加上地图匹配技术或其它制导技术，可保证它飞越几千公里之后仍能以很高的精度击中目标。

惯性技术己经逐步推广到航天、航空、航海、石油开发、大地测量、海洋调查、地质钻控、机器人技术和铁路等领域，随着新型惯性敏感器件的出现，惯性技术在汽车工业、医疗电子设备中都得到了应用。

因此惯性技术不仅在国防现代化中占有十分重要的地位，在国民经济各个领域中也日益显示出它的巨大作用。

北京七维航测科技股份有限公司Beijing SDi Science&Technology Co.,Ltd.导航和惯导从广义上讲从起始点将航行载体引导到目的地的过程统称为导航。

惯性导航仪的工作原理惯性导航仪（Inertial Navigation System，简称INS）是一种利用惯性传感器测量和计算飞行器、舰船或者车辆在空间中的位置、速度和姿态的导航设备。

它不依赖于外部参考物体，可以在无法接收全球定位系统（GPS）信号或者其他导航设备不可用的情况下提供准确的导航信息。

惯性导航仪的工作原理基于牛顿力学定律和惯性测量原理。

它由三个加速度计和三个陀螺仪组成，分别测量飞行器在三个坐标轴上的加速度和角速度。

加速度计测量的是飞行器在空间中的加速度，而陀螺仪则测量的是飞行器的角速度。

在工作过程中，加速度计和陀螺仪会将测量到的数据传输给惯性导航仪的中央处理器。

中央处理器根据牛顿力学定律和惯性测量原理，通过积分计算出飞行器的速度、位置和姿态信息。

具体来说，加速度计测量的加速度数据经过积分后可以得到速度信息，再经过一次积分可以得到位置信息。

陀螺仪测量的角速度数据则可以直接用于计算飞行器的姿态信息。

为了提高惯性导航仪的精度和稳定性，还可以使用其他传感器来对惯性导航仪进行辅助校准。

例如，气压计可以用于测量飞行器的高度信息，磁力计可以用于测量地磁场信息。

这些辅助传感器的数据可以与惯性导航仪的数据进行融合，从而提高导航的准确性。

惯性导航仪的优点是具有较高的精度、独立性和抗干扰能力。

由于不受外界环境和信号干扰的影响，它可以在各种复杂的环境下正常工作。

然而，惯性导航仪也存在一些缺点，例如长期使用会导致误差积累，需要定期进行校准和更新。

总之，惯性导航仪是一种重要的导航设备，通过测量和计算飞行器在空间中的加速度、角速度和姿态信息，提供准确的导航数据。

它的工作原理基于牛顿力学定律和惯性测量原理，具有精度高、独立性强的特点，可以在无法接收其他导航信号的情况下正常工作。

惯性导航仪的工作原理标题：惯性导航仪的工作原理引言概述：惯性导航仪是一种用于确定、跟踪和预测航空器、舰船和导弹等运动状态的关键设备。

它通过测量加速度和角速度的变化来推断位置、速度和方向。

本文将详细介绍惯性导航仪的工作原理，包括传感器、数据处理和位置推算等方面。

一、传感器1.1 加速度计加速度计是惯性导航仪的关键传感器之一。

它通过测量物体在三个坐标轴上的加速度来确定物体的运动状态。

常用的加速度计包括压电式加速度计和微机械系统加速度计。

前者基于压电效应，通过测量压电晶体的电荷变化来计算加速度；后者则利用微机械系统的结构变化来测量加速度。

加速度计的输出信号经过放大和滤波后，传送到数据处理单元进行进一步处理。

1.2 陀螺仪陀螺仪是另一个重要的传感器，用于测量物体的角速度。

它能够感知物体绕三个坐标轴的旋转速度，包括俯仰、横滚和偏航。

常见的陀螺仪有机械陀螺仪和光纤陀螺仪。

机械陀螺仪利用旋转质量的角动量守恒原理来测量角速度；光纤陀螺仪则利用光的干涉效应来测量角速度。

陀螺仪的输出信号也经过放大和滤波后，传送到数据处理单元。

1.3 磁力计磁力计用于测量地球磁场的变化，以确定物体的方向。

它通常包含三个磁场传感器，分别测量物体在三个坐标轴上的磁场强度。

通过分析这些磁场强度的变化，可以确定物体相对于地球的方向。

磁力计的输出信号也会经过放大和滤波后，传送到数据处理单元。

二、数据处理2.1 传感器数据融合惯性导航仪通常会使用多个传感器来获取更准确的数据。

数据融合算法将不同传感器的数据进行整合，以提高导航仪的精度和稳定性。

常见的数据融合算法包括卡尔曼滤波器和粒子滤波器等。

2.2 姿态解算姿态解算是指根据陀螺仪和加速度计的数据，推算出物体的姿态（即俯仰、横滚和偏航角度）。

通过使用姿态解算算法，可以将传感器的原始数据转化为物体的姿态信息，为后续的位置推算提供依据。

2.3 位置推算位置推算是惯性导航仪的核心任务之一。

根据加速度计和陀螺仪的数据，结合起始位置和速度信息，通过积分和微分运算，可以推算出物体的当前位置、速度和方向。

惯性导航技术简介什么是惯性导航系统？惯性导航系统（INS，Inertial Navigation System）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。

发展进程第一代惯性导航技术指1930 年以前的惯性技术，奠定了整个惯性导航发展的基础。

牛顿三大定律成为惯性导航的理论。

第二代惯性技术开始于上世纪 40 年代火箭发展的初期，其研究内容从惯性仪表技术发展扩大到惯性导航系统的应用。

70 年代初期，第三代惯性技术发展阶段出现了一些新型陀螺、加速度计和相应的惯性导航系统，其研究目标是进一步提高INS 的性能，并通过多种技术途径来推广和应用惯性技术。

当前，惯性技术正处于第四代发展阶段，其目标是实现高精度、高可靠性、低成本、小型化、数字化、应用领域更加广泛的导航系统。

技术组成惯性导航技术主要包括陀螺技术、加速度计技术和航位推测技术。

陀螺技术是利用高速旋转的陀螺提供运载体角位移或角速度技术。

机电陀螺是告诉旋转的转子，载体发生角运动时，转子绕垂直于自转轴的一根轴或两根轴发生进动，从而敏感处载体的角运动。

这种装置具有极高的稳定性。

根据这一原理，将陀螺作为惯性导航的基准和稳定系统。

加速度计技术是测量用在体线加速度的技术。

可以测量出运载体线加速度，并输出与加速度成比例的电信号，供计算和控制运载体位置使用。

航位推测技术是根据已知运载体的初始位置，利用由陀螺和加速度计敏感出的运载体运动航向和加速度推算出运载体当前位置的技术。

其原理是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位移。

空中平台航姿参考系统的设计
张静;金志华
【期刊名称】《中国惯性技术学报》
【年(卷),期】2004(012)002
【摘要】利用观测矢量确定载体姿态的原理,依据空中平台的动态要求,确定了航姿参考系统的构成.通过建立姿态误差四元数微分方程,对卡尔曼滤波器在线估计组合航姿系统姿态误差进行了设计,并将建立的传感器测量误差模型加入到滤波模型中.仿真表明,这样组成的航姿参考系统,在传感器测量精度有限的情况下,能在摇摆基座上达到水平姿态精度0.2°,航向精度0.5°.
【总页数】6页(P47-52)
【作者】张静;金志华
【作者单位】上海交通大学仪器工程系,上海,200030;上海交通大学仪器工程系,上海,200030
【正文语种】中文
【中图分类】U666.1
【相关文献】
1.基于航姿参考系统和云台的视频监控跟踪系统设计 [J], 杨健;谢晓方;李德栋
2.基于MAEKF算法的航姿参考系统设计 [J], 王丁伟;祖家奎;黄海
3.基于DSP和STM32的航姿参考系统设计 [J], 白万涛;高国伟
4.低成本小口径动中通天线航姿参考系统设计 [J], 秦超
5.小型航姿参考系统设计 [J], 卢毅
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SPATIALDual双天线实时差分惯导航姿参考系统SPATIAL Dual是一个坚固耐用的微型GPS辅助惯性导航系统和AHRS（航姿参考系统），即使在最苛刻的条件下提供精确的位置、速度、加速度和方向。

它结合了温度校准、加速度计、陀螺仪、磁强计和压力传感器与双天线RTK（实时差分）GNSS全球卫星导航接收器。

这些传感器技术集合在一起，结合一个复杂的融合算法，提供准确和可靠的导航和定位。

特点双天线航向Spatial Dual特点是移动基线RTK 。

这使得它可以提供高准确度航向，无任是静态还是动态目标。

由于干扰磁力航向不能使用，或需要额外的准确度的场合，Spatial Dual是极佳选择。

另一个好处是可以准确地测量车辆的滑移角。

标定传感器动态范围Spatial Dual包含目前市场上最高性能的MEMs惯性传感器。

这些都是通过先进的导航精细标定处理，以进一步提高性能表现，并能在-40°C至85 °C宽温度范围仍然提供始终如一的准确数据。

先进的导航自定标定，唯一所有传感器标定处理，可以提供动态范围，在飞行中允许用户自行选择准确度或加速度传感器准确度范围。

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RTK GNSS接收器Spatial Dual包含三频Trimble RTK GNSS 接收器提供1cm准确度定位，支持所有已运行和未来运行的卫星系统GPS、GLONASS、北斗和GALILEO，同时支持Omnistar服务销售无忧无虑的高准确度定位。

先进的滤波技术Spatial Dual包含AN革命性的新的传感器融合滤波器。

该过滤器是比典型的扩展卡尔曼滤波更智能化，能够从利用人类灵感的人工智能数据中，明显提取更多信息。

它为控制应用设计，拥有高水准的健康监测和预防不稳定，以确保数据稳定、可靠。

微型坚固外壳Spatial Dual船级铝合金外壳防水和防尘达IP67标准、防震2000g，可在最极端的条件下使用。

惯性导航仪的工作原理惯性导航仪（Inertial Navigation System，简称INS）是一种基于惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，简称IMU）的导航系统，它能够通过测量物体的加速度和角速度来计算物体的位置、速度和姿态。

惯性导航仪广泛应用于航空航天、船舶、汽车等领域，具有高精度、高可靠性和抗干扰能力强的特点。

惯性导航仪的工作原理可以分为两个主要步骤：测量和计算。

1. 测量惯性导航仪通过惯性测量单元（IMU）来测量物体的加速度和角速度。

IMU通常由加速度计和陀螺仪组成。

- 加速度计（Accelerometer）：加速度计用于测量物体在三个轴向上的加速度。

它基于牛顿第二定律，通过测量物体所受的惯性力来计算加速度。

加速度计常用的工作原理有压电效应、电容效应和微机械系统（MEMS）等。

- 陀螺仪（Gyroscope）：陀螺仪用于测量物体绕三个轴向的角速度。

它基于角动量守恒定律，通过测量物体的转动力矩来计算角速度。

陀螺仪常用的工作原理有旋转式陀螺仪、光纤陀螺仪和微机械系统（MEMS）等。

2. 计算惯性导航仪通过对测量数据的处理和计算，来推导出物体的位置、速度和姿态等导航信息。

计算过程主要包括积分和滤波两个步骤。

- 积分：惯性导航仪通过对加速度和角速度的积分来计算物体的速度和位移。

加速度积分可以得到速度，速度积分可以得到位移。

但是由于积分过程中存在误差累积的问题，导航系统需要进行误差校正和补偿。

- 滤波：为了减小误差累积的影响，惯性导航仪通常采用滤波算法对测量数据进行优化处理。

常用的滤波算法有卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波和粒子滤波等。

滤波算法可以根据测量数据和模型来估计物体的真实状态，并提供更准确的导航信息。

除了测量和计算，惯性导航仪还需要进行初始对准和校准等步骤，以提高导航系统的精度和稳定性。

总结起来，惯性导航仪的工作原理是通过测量物体的加速度和角速度，然后通过积分和滤波等计算方法，推导出物体的位置、速度和姿态等导航信息。