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1、1南 京 理 工 大 学导航定位技术概论课论文作 者 :学 号：学院 (系 ):专 业 :题 目 : 惯性导神农百草膏航的发展与应用指导者： 2012 年 9 月论 文 摘 要惯性导航技术，主要通过陀螺仪和加速度计测量载体的角速率和加速度信息，经积分运算得到载体的速度和位置信息。惯导有平台式惯导系统和捷联惯导系统。本论文阐述了惯性导航的原理，惯性导航发展历程以及应用。【关键词】 平台式惯导，捷联式惯导，组合导航，发展及应用目 次1 引言2 惯性导航系统原理2.1 惯性导航定位系统中的基本关系2.2 平台式惯性导航定位系统2.3 捷联式惯性导航定位系统3 惯性导航技术的发展3.1 惯性导航的发展
2、历程3.2 惯性导航和其他筋络速通导航方式的组合4 惯性导航技术的应用结束语参考文献1 引言惯性导航是一门综合了机电、光学、数学、力学、控制及计算机等学科的尖端技术，是现代科学技术发展到一定阶段的产物。惯导系统能够连续地提供载体的全部导航、制导参数(位置、姿态角、线速度、角速度)，故广泛应用于航海、航天、航空领域，特别是军事领域。2 惯性导航系统原理2.1 惯性导航定位系统中的基本关系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起导航坐标系，根据加速度计输出解算出运载体的速度和位置。导航解算的加速度信息必须是导航坐标系内的数学向量。可通过两种途径实现这一要
3、求。一种途径是将加速度计安装在稳定平台上，稳定平台由陀螺控制，使平台始终跟踪要求的导航坐标系，这种系统就叫做平台式惯性导航系统。另一种途径是将加速度计和陀螺都直接安装在运载体上，陀螺输出用来解算运载体相对导航坐标系的姿态变换矩阵，加速度计输出经姿态阵变换至导航坐标系内，这相当于建立起来数学平台，这种系统叫做捷联式惯性导航系统。12.2 平台式惯性导航定位系统指北方位惯导系统: 平台坐标系各轴即陀螺和加速度计的敏感轴与地理坐标系各轴始终保持重合的平台式惯导系统。自由方位惯导系统: 方位陀螺不施矩，水平陀螺控制平台始终保持水平. 在极区仍存在导航计算溢出的问题，解决方法是采用格网坐标法。游移方位惯
4、导系统:平台座标系仍然是地平坐标系，方位跟踪地球的自转。计算量比自由方位小，所以是水平式平台惯导设少林活络膏计首选，LTN-72 系列惯导和国产平台式航空惯导都属于游移方位系统。2.3 捷联式惯性导航定位系统原理如下图：导航加速度计和陀螺直接安装在载体上。用陀螺测量的角速度信息 减去计算1的导航坐标系相对惯性空间的角速度 量，得载体坐标系相对导航坐标系的角速度2w，即 w= ，利用该信息计算姿态矩阵，然后将加速度信息转换到惯性坐加 速 度 计组 件陀 螺组 件比 力坐 标 变 换姿 态 矩 阵解 算 导 航 解 算航 向 姿 态解 算指 令 解 算姿 态 阵初 值初 始位 置 位 置 、速 度
5、 等航 向 、 姿 态机体坐标系 b 捷 联 惯 性 系 统 工 作 原 理 图标系或当地地理坐标系中，从而实现“数字平台”，然后再进行速度位置的计算。23 惯性导航技术的发展3.1 惯性导航技术的发展历程惯性导航技术，作为一门高科技尖端技术，早在 1687 年，牛顿三大定律的建立成为了惯性导航的理论基础；到 1852 年，傅科提出了陀螺的定义、原理以及应用设想；再到 1908 年，安修茨研制造出了世界上第一台摆式陀螺罗经，以及 1910 年提出的舒勒调谐原理，这就属于第一代惯性技术，这一代技术奠定了整个惯性导航发展的基础。于 20 世纪 40 年代火箭发展的初期，第二代惯性技术开始出现。其主
6、要研究内容从惯性仪表技术发展扩展到惯性导航系统的应用。首先是惯性技术在德国 V-2 火箭上的第一次成功应用，但由于陀螺和加速度计精度很低，惯性系统设计又十分粗糙，又实现不了休拉调谐要求，加上控制系统十分原始，制导精度极低，在轰炸伦敦的过程中，有 1/4 的 V-2 火箭提前掉入大海。到 50 年代中后期，05nmileh的单自由度液浮陀螺平台惯导系统研发并应用成功3。接着 1968 年，漂移约为00050h 的 G684 型动压陀螺研制成功。在 70 年代中期，第三代惯性技术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扩展和应用惯
7、性技术。这一阶段的主要陀螺包括：动力调谐陀螺、静电陀螺、环形激光陀螺、干涉式光纤陀螺等。 惯性导航技术发展依靠三方面科学技术发展的支持：新概念测量原理和新型惯性器件，先进制造工艺，计算机技术。当前，属于惯性技术发展的第四代阶段，其目标是实现精度高、高可靠性、低成本、数字化、小型化、应用领域更加广泛的导航系统。一方面，陀螺的精度不断提高，漂移量高达 lO-6 o/h；另一方面，随着新型固态陀螺仪的逐渐成熟。以及高速度、大容量的数字计算机技术的进步。3.2 惯性导航和其他导航方式的组合惯性导航原理决定了单一的惯性导航系统存在导航误差，并且随时间而累积，导航精度将随时间而发散，所以惯性导航系统不能够
8、单独长时间工作，必须定期校准，否则将出现重大偏差。随着现代控制理论和微电子、计算机以及信息融合等学科的发展，在导航领域内，展开了以惯性导航系统为主的组合导航的多导航系统研究。以惯性导航为中心的组合导航系统，这类组合导航系统多数用于定位精度极高的特种舰船，如导弹核潜艇，靶场测量船，石油助探船等。惯性导航与测位系统设备或系统组成有天文/惯性、卫导/惯性、无线电/惯性等组合导航系统，惯导与测速设备组成的多普勒计程仪（或声纳）/惯性导航的组合导航系统，还有惯导/惯导组合导航系统。这类系统一般都采用 Kalman 滤波技术的综合处理方法，用计算机进行复杂的计算。4解决随机误差源引起的导航定位误差随时间积
9、累的问题，达到高精度要求。4 惯性导航技术的应用惯性导航技术不断拓展到新的应用领域，其范周已经由原来的陆地车辆、船舶、舰艇、航空飞行器等扩展到了大地测量、资源勘测、地球物理测量、海洋探测、铁路、隧道、航天飞机、星际探测、制导武器等各个方面，尤其实在军事战争方面，海湾战争和伊拉克战争中，以军和美军就采用了 GPSINS5作为中段制导，红外成像、地形辅助、图像匹配作为末段制导的复合式制导方式的精确制导武器如，SLAM 和“战斧”巡航导弹，联合直接攻击弹药(JDAM)等在战争中发挥强大的摧毁性作用。在我们日常生活中的必备用品中，如：摄影机、儿童玩具中惯导技术也被广泛应用。在惯性导航系统研究方面，价格
10、低廉且体积小和高精度、高性能的惯性传感器，是未来一段时间内的发展方向，并将成为军事和民用领域内关注的焦点。结束语随着技术的发展，惯性导航系统正朝着小型化、捷联化、组合导航的方向发展。多系统融合，多种导航方式组合，自动故障检测和隔离，智能导航和友好的人机交互界面将会是未来导航系统的特点。惯性导航技术将在未来导航定位系统中扮演十分重要角色。参考文献1秦永元. 惯性导航M. 北京:科学出版社,20062张爱军. 惯性导航 1R. 导航定位技术概论,20123李俊博，朱涛，邹艳忠. 陀螺稳定系统参数测试仪设计J. 计算机测量与控制, 20114袁赣南,周卫东,刘利强,王伟等. 导航定位系统工程M. 黑龙江:哈尔滨工程大学出版社,20095张曦文,陈燕飞. GPSINS 复合制导技术J. 情报指挥控制系统与仿真技术,2005
