3.4 两种导航方式的简单比较-2
• 捷联式惯导系统的最大特点是依靠算法建 立起导航坐标系，即物理平台以数学平台 代替，其好处是以复杂的算法设计和繁重 的计算负荷换取的；
• 姿态更新解算是捷联式惯导的关键算法； • 载体把自身的振动直接传递给测量元件，
从而恶化它们的工作条件； • 飞机用捷联式惯导系统已经商品化。
3.5 惯导平台-2
用三个两自由度陀螺稳定的三轴稳定平台
3.5 惯导平台-3
用两个三自由度陀螺稳定的三轴稳定平台
3.5 惯导平台-4
• 惯导平台产生漂移的几个原因： • 一是陀螺漂移； • 二是陀螺在台体上的安装误差； • 三是控制陀螺的电流以及力矩器线性度； • 此外还有以下三个方面的干扰：电磁干扰、
第3章 惯性导航系统
• 3.1 惯性导航系统概述 • 3.2 平台式惯导系统(物理平台) • 3.3 捷联式惯导系统(数学算法) • 3.4 两种惯导系统的简单比较 • 3.5 惯导系统平台(陀螺稳定平台) • 3.6 组合导航 • 3.7 小结
3.1 惯导系统概述-1
• 导航----定位； • 天文导航； • 无线电导航； • 地磁导航； • 卫星导航； • 地形匹配； • 惯性导航；惯性导航有其独特的优点，自
定)
3.2 平台式惯导系统-2
半解析式惯导系统平台
3.2 平台式惯导系统-3
固定方位半解析式惯导系统原理图
3.2 平台式惯导系统-4
• 一次积分得到速度分量
t
VE (t) VE0 0 ( AE AEB )dt
t
VN (t) VN 0 0 ( AN ANB )dt
简化惯导系统原理图
加速度计、平台、积分器、初始条件调整
3.2 平台式惯导系统-1
• 从总体设计来说，各类惯导系统都必须解 决两个问题：一是建立参考坐标系；二是 利用加速度计的输出得到有效导航信息。
• 那么不同坐标系的选取就构成不同的方案。 • 半解析式惯导系统(物理平台跟踪水平面)： • 1) 固定方位半解析式惯导系统； • 2) 自由方位半解析式惯导系统。 • 解析式惯导系统(物理平台相对惯性空间固
• 再次积分可以得到载体所在的经度和纬度
(t)

0

1 R
t
0 VE (t) secdt
(t )

0

1 R
t
0 VN (t)dt
3.2 平台式惯导系统-5
平台在载体上的安装
3.2 平台式惯导系统-6
• 修正回路：如果陀螺不加力矩控制信号， 此平台将相对惯性空间稳定，而地理坐标 系相对惯性空间是在不断运动的，因此若 要使平台跟踪地理坐标系，就必须给陀螺 施加控制电流，使三个陀螺进动：
3.3 捷联式惯导系统-1
• 捷联式惯导系统，在结构安排上的最大特 点是没有机械式陀螺稳定平台，陀螺仪和 加速度计等敏感元件直接固定在载体上， 两类敏感元件的输入轴都与飞行器的体轴 相重合。
• 因此，陀螺仪和加速度计所获得的都是相 对于飞行器坐标系上的运动信息，需要经 过数学转换，才能获得相对地理坐标系的 运动信息。
主式导航。
3.1 惯导系统概述-2
地球椭球模型 长半轴 扁率(a-b)/a
适用地区
(km)
Clarke(1866) 6378.206 1/294.9786982 北美
Krasovski 6378.245 1/298.30
前苏联
(1940)
International 6378.388 1/297.0
• 惯性导航综合了机电、光学、数学、力学、 控制及计算机等学科。
天文导航、星光导航
双星定位原理
天文导航系统： 陀螺稳定平台 星体跟踪器 计算机
返回
卫星导航(GPS)-1
• GPS系统主要由导航卫星、地面站及用户 设备组成；
• GPS的导航卫星由24颗工作星以及一定数 量可随时投入工作的备份星组成，运行周 期约12h，工作星分布在6条20000km高度 的近圆轨道上，地球上任一点可同时观测 到6-11颗工作星；
• 工作原理：
卫星导航(GPS)-2
• 根据信号延时，获得用户与卫星的伪距离：
为第i颗卫星的信号传播延时；
• X、Y、Z、Xsi、Ysi、Zsi都是相对惯性坐标
系的坐标。
卫星导航(GPS)-3
• 返回
多普勒导航
• 1942年多普勒发现，运动物体上发射的声 波频率f1与反射波频率f2之间存在如下关系：
• 返回
3.1 惯导系统概述-6
地球自转轴
地心惯性坐标系(不随地球自转)
3.1 惯导系统概述-7
地理坐标系(东北天配置)
3.1 惯导系统概述-8
东经90deg 零子午线
地球坐标系(与地球固联)
3.1 惯导系统概述-9
三点确定新 赤道面
A-发射点； B-目标点； P-飞行器位置。 大圆弧坐标系
3.1 惯导系统概述-10
3.3 捷联式惯导系统-2
捷联式惯导系统原理图
3.4 两种导航方式的简单比较-1
• 平台式惯导系统，用机电控制方法建立物 理实体平台，用于模拟所要求的导航坐标 系。
• 最大缺点是结构复杂、体积大、重量大、 可靠性差，随着激光陀螺批量制造技术的 成熟，捷联式惯导系统正在各个领域逐步 取代平台式惯导系统。
3.2 平台式惯导系统-7
解析式惯导系统平台
3.2 平台式惯导系统-8
惯导系统平台上重力加速度的变化
3.2 平台式惯导系统-9
解析式惯导系统原理图
3.2 平台式惯导系统-10
• 加速度计的输出信号里，包含了重力分量：
• 那么载体在惯性空间中的三个加速度分量：
3.2 平台式惯导系统-11
• 经过两次积分，就可以分别得到载体相对 惯性坐标系的速度和位移：
3.5 惯导平台-1
• 惯导平台是惯性导航系统的核心部件； • 惯导平台有两种，一是物理平台；二是捷
联式平台； • 惯导平台根据其模拟的坐标系不同，可以
分为跟踪平台和空间稳定平台，前者模拟 所需要的导航坐标系，一般是地理坐标系， 后者模拟惯性坐标系； • 物理平台可以由两自由度陀螺实现，也可 由三自由度陀螺实现。
组合导航系统也都是以惯性导航为主的。
3.7 小结
• 建立在惯性原理基础上的惯性导航系统， 不需要任何外来信息，也不向外辐射任何 信息，仅靠惯性导航系统本身就能全天候、 在全球范围内和任何介质环境里自主地、 隐蔽地获取运载体完备运动信息；
• 尽管其他导航方式的某些性能可能远优于 惯导系统，但惯导仍是运载体不可缺少的 核心导航设备；
性差； • 天文导航：位置精度高，受观测星体可见
度影响； • 卫星导航：精度高，全球、全天候，大机
动丢失目标； • 取长补短。
3.6 组合导航-2
• 惯性导航+GPS是一种非常完美的组合导航 方式；
• 卡尔曼滤波，信息融合理论的应用； • 有什么信息源就用什么信息源； • 在军事上，惯导系统的地位是不可取代的，
• 由于运动的相对性，必须定义坐标系。 • 导航中通常应用惯性坐标系有两种： • 1) 太阳中心惯性坐标系； • 2) 地心惯性坐标系。 • 确定运动体相对地球位置的坐标系： • 1) 地理坐标系； • 2) 地球坐标系； • 3) 大圆弧坐标系。
3.1 惯导系统概述-5
地球公转平面
太阳中心惯性坐标系
振动干扰、温度变化干扰，因此在惯导系 统的工程实现上，电磁兼容、减震基座以 及平台的热平衡设计和调节都是重要课题。
3.5 惯导平台-5
• 在静止或匀速直线运动条件下，地垂线可 以通过单摆确定，当运载体有加速度时， 单摆跟踪视在垂线。
• 休拉调谐：不受加速度影响的数学摆。 • 1910年休拉(德)发现当陀螺罗经的无阻尼振
前苏联
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(1924)
WGS—84 6378.137 1/298.257223568 全球
(1984)
3.1 惯导系统概述-3
• 地球重力场由万有引力 和地球自转产生的离心 力合成；
• 地球表面某点纬度，是 该点的垂线方向与赤道 平面之间的夹角；
• 三种垂线对应三种纬度： 地心、测地、重力(天文)
3.1 惯导系统概述-4
荡周期为84.4分时，罗经的指北精度不再受 外界加速度干扰，1923年发表论文详细阐 述了惯性系统的无干扰条件，即休拉调谐 原理。
3.5 惯导平台-6
• 休拉调谐的实现途径：复摆、陀螺、休拉 调整平台。
3.6 组合导航-1
• 惯性导航：自主式，误差累积； • 多普勒系统：误差与工作时间无关，保密