1778，法国科学家拉格朗日 建立了在重力力矩作用下定 点转动刚体的运动微分方程 组。
惯性技术发展
1852年法国科学家Foucault研制成世界上第 一台试验用陀螺罗经。
惯性技术发展
1908年Anschutz在 德国、1909年 Sperry在美国，先 后制成了用于舰船 导航的陀螺罗经。 这可以作为陀螺仪 应用技术的形成和 发展的开端。
惯性技术发展
二战末期，在德国的 V-2火箭上第一次装上 了初级的惯性制导系 统。
1936年开始研制共发 射1千3百多枚。
冯·布劳恩博士。
惯性技术发展
50年代MIT和北美航空公司先后研制出惯性级精度的液浮陀螺仪和三轴陀螺 平台的惯性系统方案(Charls Stark Draper)。
90年代以来，采用微电子 机械加工技术制造的各种微 传感器和微机电惯性仪表脱 颖而出，年增长速度达到 30%。
惯性技术发展历史
惯性技术应用(II)
惯性技术应用(I)
惯性技术应用(III)
惯性技术发展的制约因素
导航的种类
惯性导航 无线电导航 地磁导航 地形匹配导航 星光导航 卫星导航 组合导航
中
低
中
中
中
中
低
高
中
高
高
中
低
低
高
微微陀陀螺螺
QRS系列微陀螺 Crossbow公司VG振动陀螺系列
CRS环形振动陀螺
硅硅微微惯惯性性测测量量组组合合
微微惯惯性性器器件件应应用用
伊国兴 ygx@
惯性导航基本原理
惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础的，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、偏航角和位置信息等。
陀螺仪
1765，俄国数学家和物理学 家欧拉发表《刚体绕定点运 动理论》，导出刚体绕定点 转动的动力学方程，为陀螺 仪理论奠定了基础。
微陀螺惯性测量系统 -原理及应用
测量元件概述
哈尔滨工业大学空间控制与惯性技术研究中心 伊国兴
联系方式
伊国兴 哈工大科学园E2栋405 86402350-4051 15046115195 ygx@
授授课课内内容容
微小型惯性器件的工作原理 微陀螺惯性系统的基本组成和工作原理 微陀螺及加速度计的测试和标定方法 微陀螺惯性系统的测试方法 导航的基本原理和算法 微陀螺惯性测量系统应用
1954年惯导系统在飞机上试验成功 （穿越美国）。 1958年“舡鱼”从珍珠港附近潜入深海，依靠惯导系统穿越北极到达英国波特
兰港，历时21天，航程8146mile。这表明惯性导航技术在50年代已经趋于 成熟。
惯性技术发展
60年代初期，出现了比液 浮陀螺结构简单、成本低 的动力调谐陀螺。
星光导航
自主性、隐蔽性、误 差不累计
成本高、算法复杂、 姿态测量
卫星导航
高精度、全天候、高 效率、多功能、不发 散
使用范围受限、易受 干扰、非自主
惯性导航的特点
原理简单，精度高 对导航计算机要求低 独立自主，不依赖于任何外部信息 不辐射能量，隐蔽性好 工作范围广，空中、地表、地底、水下皆可 对环境、天气等无要求，能全天候工作 不易被电子干扰 距离越远，时间越长，误差越大
60年代末期用液浮陀螺仪、 气浮陀螺仪和动力调谐陀 螺仪构成的平台式惯导系 统大0年代初美国伊利 诺伊大学诺尔德西克 (Nordseick A. T.)教授提 出静电陀螺仪概念。
1976年美国霍尼韦尔公司 的SPN-GEANS装备B52，系 统长时间定位误差0.02n mile/h。
组合导航
应用一个或多个辅助敏感器与惯性系统组合使惯 性器件漂移引起的位置误差达到有界，从而提高 系统的性能
深组合、多传感器容错组合、多模态、多功能、 智能化
微惯性仪表特点
微型化、集成化 体积小、重量轻 低成本、批量化 高可靠、低功耗 数字化、智能化 范围宽、限制少
最大速 (°/s)
标准因子精度 %
潜在发展 市场可能性
军事飞机
1
6
100
商用飞机
5
2
50
短距离火箭
5
100
300
远距离火箭
0.5
20
100
巡航火箭
1
20
100
下投军需品
5
10
100
再入车辆
1
70
100
汽车自动绘图
10
2
50
0.005 0.05 0.005 0.05 0.05 0.05 0.005
1
高
无线电导航
不受时间、天气限 制，精度高，作用距 离远、方定位时间 短，设备简单可靠；
易被发现和干扰，需 要载体外的导航台支 持，易发生故障
地磁导航
无源自主、抗干扰能 力强、无积累误差、 精度适中
算法复杂、需要补偿、 需预先测量地磁场
地形匹配导航
精度高，不受气象条 件的影响
对地形有要求，远程 飞行困难
学学时时安安排排及及要要求求
18学时 授课10学时 实验8学时
周六 9-10节 试验 考核
导航
将与动物体从甲地导引到 目的地乙地的技术。
导航是一门古老而又年轻 的技术。
古代导航
航海
惯性导航
惯性导航是利用惯性敏感 元件（陀螺仪、加速度计） 测量载体相对于惯性空间 的线运动和角运动参数， 在给定的初始条件下，输 出载体的姿态参数和导航 定位参数。
部件数量与可靠性
各类陀螺及应用
各类加表及应用
固定翼
直升机
无人机
战略战术导弹
战车
单兵装备
现代工业
汽车
消费电子
MMEEMMSS 22000077年年为为惯惯性性系系统统市市场场份份额额
MEMS市场预测
加速度计、陀螺市场分析
应用 GPS/INS
稳定性 (°/h)
加速度 G′s
惯性技术发展
70年代以静电陀螺仪构成 的高精度平台式惯导系统 进入实用阶段。
激光陀螺仪达到了惯性级 精度。
相继出现了光纤陀螺仪和 半球谐振陀螺仪。
惯性技术发展
80年代，以激光 陀螺仪构成的捷联 式惯导系统获得了 工程应用，这是惯 性导航技术发展进 程中又一个重要的 里程碑。
惯性技术发展