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。

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。

1.3 卫星导航概述卫星导航是采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技术。

卫星导航系统通过测定的载体到导航卫星的距离、距离差等参数，并结合获取的或计算机得到的导航卫星瞬时位置来确定载体位置。

目前主要有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的GALILEO和我国的北斗导航卫星系统。

这里主要介绍GPS导航定位。

GPS系统主要由空间部分、地面部分及用户设备组成，GPS的空间部分由24颗卫星组成，包括21颗工作星和三颗备份卫星，位于距地面20200km高度的近圆轨道上，24颗卫星均匀分布在6个轨道面上，轨道倾角为55度，这样可以确保地球上的任何一个地方都可以同时观测到6～11颗卫星。

布置在轨道上的备份星，可随时进入工作状态。

GPS卫星导航系统具有全球覆盖、全天候工作、定位精度高和用途广的优点。

地面控制部分由一个主控站、三个注入站和若干监测站组成，主控站通过注入站向所有GPS卫星注入新的导航信息，确保卫星的导航数据和时钟信息的精确性。

用户设备部分包括接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。

当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距和伪距率，解调出卫星轨道参数等数据。

1.4 组合导航概述组合导航是现代导航理论和技术发展的必然结果。

每种单一的导航系统都存在着各自的独特性能和局限性，几种不同的单一系统组合在一起，利用多种信息源互相补充，构成一种具有更多余度和更高导航精度的多功能系统即为组合导航系统。

根据不同的应用要求与目的，可以构成不同的组合导航系统，由于惯性导航系统的自主性，目前多以惯性导航系统作为主导航系统构成组合导航系统。

1.5 组合导航系统平台开发的现状及发展趋势鉴于各种单一的各种导航系统有这样那样的缺点，上世纪70年代，现代组合导航系统在航海、航空与航天等领域随着现代高科技的发展应运而生。

随着电子计算机技术特别是微机技术的迅猛发展和现代控制系统理论的进步，组合导航技术开始迅猛发展起来。

过去单独使用的各种导航设备，通过微型电子计算机有机的组合到一起，发展各自的特点、扬长避短，组合导航成为目前导航技术发展的重要方向之一。

从上个世纪80年代开始，英、美、法等国的军方和民用部门开始了对GPS/INS 组合导航平台的研究。

80年代后期欧美各国在MS Visual Studio C++6.0仿真软件平台上，实现了INS/GPS组合导航的解算，同时在Windows2000 操作界面上实现了曲线和数据的同步显示。

近年来我国各大高校采用Visual C++6.0编程，在Windows操作系统下实现了人机界面和直观的数据显示。

该平台将组合导航的理论方案与导航设备相结合，可以进行室内试验系统的调试和研究，还可以提供直观的界面显示、数据图表等。

1.6 课题研究的意义惯性导航系统( INS) 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，是一种完全自主的导航系统,具有不依赖外界信息、隐蔽性好、抗辐射性强、全天候等优点,是机载设备中能提供多种导航参数的重要导航设备。

惯性导航系统一般由惯性传感器模块、导航解算模块、电路系统、电源模块、滤波模块和外壳等部分组成。

但它的定位误差随时间而积累, 长时间工作后会产生大的误差, 使得惯性导航系统不宜作远距离导航。

全球定位系统(GPS)继惯性导航以后导航技术的又一大进展，其由空间卫星、地面监控设施以及用户接收机三部分组成。

具有较高的导航精度,但是该系统不能提供如载体姿态等导航参数,且在载体上使用时,由于载体的机动运动,常使接收机不易捕获和跟踪卫星的载波信号,甚至对已跟踪的信号失锁。

因此,为了克服惯性导航与全球定位系统的缺点,多根据INS和GPS的导航功能互补的特点,以适当的方法将两者组合来提高系统的整体导航精度及导航性能以及空中对准和再对准的能力GPS 接收机在惯导位置和速度信息的辅助下,也将改善捕获、跟踪和再捕获的能力,并在卫星分布条件差或可见星少的情况下导航精度不致下降过大。

由于优点显著,GPS/ INS 组合系统被一致认为是载体最理想的组合导航系统。

1.7 课题研究内容及方案平台开发内容的程序包括对微惯性传感器/组件的实时采集、曲线绘制、显示和存储。

组合导航平台可以实现MEMS IMU和GPS等姿态、位置、速度等解算结果的数据显示，曲线显示，数据存储等功能。

研究方案如下：1.捷联惯导系统的工作原理；2.推导捷联惯导系统姿态、位置、速度更新计算，采用Matlab/Vb编程测试；3. 构建INS/GPS导航系统界面；4. 完成对组合导航系统的实时采集、曲线的绘制、显示和存储程序编制；5. 针对不同导航任务要求，编制系统测试界面与后台运行程序。

第 2 章惯性导航系统及GPS基本原理2.1 惯性导航系统的组成及分类惯性导航系统一般由惯性传感器模块、导航解算模块、电路系统、电源模块、滤波模块和外壳等部分组成。

其中，惯性传感器模块是惯性导航系统的核心，一般由三个陀螺仪和加速度计通过正交装配构成。

根据构建导航坐标系方法和途径的不同，可将惯性导航系统分为两种类型：采用物理平台模拟导航坐标系的系统称为平台式惯性导航系统；采用数学算法确定导航坐标系的系统称为捷联式惯性导航系统。

平台式惯性导航系统是用物理平台直接模拟导航坐标系，导航计算比较简单。

陀螺稳定平台能够隔离载体的角运动，给惯性器件提供较好的工作环境，系统的精度较高，但是物理平台本身结构复杂、体积大、制造成本高。

捷联式惯性导航系统由于没有实体物理平台，结构简单、体积小、维护方便，但惯性器件直接安装在运载体上，工作环境恶劣，对惯性器件的环境适应性要求很高。

同时，由于加速度计输出的加速度分量是沿载体坐标系轴向的，需经计算转换到某种导航坐标系中去，计算量大。

惯性导航完全不依赖外面的声、光、电、磁等传播信号，可以实时、高精度地输出所需要的全部导航参数信息，自主地进行定位、导航，不受地域的限制，不受自然环境和人为干扰的影响，隐蔽性好，不论外太空、空间、地面、地下、水面及水下都能全天候的可靠工作，这是其他导航技术，如天文导航、无线电导航与定位、卫星导航等无法实现的。

这些独特的优点使其成为国防、航天、航空、船舶与海洋、陆地交通等领域十分重要、不可替代的导航手段。

2.2 捷联式惯性导航系统的工作原理“捷联”（strapdown）这一术语的英文原意是“捆绑”因此所谓的捷联式惯性导航系统就是将惯性测量装置的敏感器（陀螺仪和加速度计）直接固联在载体上。

陀螺仪用于测量载体坐标系的3个轴的角速度信息，并将信息传输给导航计算机，经过误差补偿计算后进行姿态矩阵计算。

加速度计组件用于测量载体坐标系的3个轴的加速度信息，并将信息同样传输到导航计算机，经过误差补偿计算后进行比力坐标系的变换。

加速度计测量的是载体坐标系(b系)相对于惯性空间的加速度在载体坐标系中的投影b ib a ，该测试量也称为比力。

而对于捷联惯导系统，导航计算机要在导航坐标系中完成，因此，首先要将机体系中的测试量b ib a 转换导航坐标系中的物理量n ib a ，即实现由机体坐标系到导航坐标系的坐标转换。

这一转换由姿态矩阵n b C 完成，而n b C 是利用陀螺仪的输出b ib ω即载体相对惯性空间转动的角速率在载体坐标系下的投影计算得到。

姿态矩阵是随时间的变化而不断变化的。

另外，从姿态矩阵中可以单值的确定飞行器的姿态角。

捷联式惯导系统中需要实时地求取姿态矩阵，以便提取飞行器姿态角（俯仰角、滚动角、航偏角）以及变换比力。

捷联惯导系统原理简图如图2.1所示加速度组合比力坐标变换导航解算陀螺组合姿态阵解算航向，姿态解算指令解算速度，位置初值航向姿态姿态阵初值+-b f ~n f ~bib ω~b in ω~bnb ω~·X 图2.1 捷联惯导系统原理简图2.3 常用坐标系惯性导航中所采用的坐标系可分为惯性坐标系与非惯性坐标系两类。

惯性导航区别于其它类型的导航方案(如无线电导航、天文导航等)的根本不同之处就在于其导航原理是建立在牛顿力学定律一一又可称为惯性定争一的基础上的，“惯性导航”也因此而得名。