惯性测量与导航系统

《现代仪器概论》第十三讲

惯性测量与导航系统仪器科学与工程系专业必修课主讲：宋开臣教授kcsong@.c性测量与导航系统讲座内容惯性导航系统简介惯性测量原理和惯性器件三.平台惯性导航系统四.捷联惯性导航系统五.组合导航系统一.惯性导航系统简介1、惯性导航的发展历程2、惯性导航的基本原理3、惯性导航的特点4、惯性导航的分类导航的概念：把航行的载体从起始点引导到目的地的技术基本类型：惯性导航（InertialNavigationSystem，INS）陆标导航（Landmark)推算定位导航（DeadReckoning）天文导航（CelestialNavigation）无线电导航（RadioNavigation）卫星定位导航（GPS,

格洛纳斯

GLONASS，伽利略，北斗）1、惯性导航的发展历程1、二战时期的V2导弹，被希特勒誉为“第三帝国的秘密武器”，是惯导的首次应用；2、所有能够上天入地的运动载体都搭载惯导系统，包括飞机、火箭、车辆、舰船；3、在民用交通、娱乐、科考方面也有广泛的应用1、惯性导航的发展历程惯性导航系统是现代高科技的产物惯性导航系统涉及到控制技术、计算机技术、测试技术、精密机械等多门应用技术学科，是现代高精尖技术的产物，是一个国家科技实力的体现，在国防科技中占有非常重要的地位，是各军事大国优先发展的高技术。1、惯性导航的发展历程1、惯性导航的发展历程2、惯性导航的基本原理

物体在不受外力或所受外力平衡的条件下，维持原有运动状态（静止或匀速直线运动）不变的特性。

牛顿三大定律（惯性、加速度、作用力与反作用力）。惯性导航是以牛顿三大定律为基础

任何运动体的运动状态都可以用加速度（Acceleration）来表征,加速度可以由加速度计测量(accelerometer)。

惯性导航：利用惯性敏感元件在飞机、舰船、火箭等载体内部测量载体相对惯性空间的线运动和角运动参数，在给定的运动初始条件下，根据牛顿运动定律，推算载体的瞬时速度和瞬时位置，以实现导航。2、惯性导航的基本原理2、惯性导航的基本原理基本原理：用三个正交加速度计感受运动由于加速度计同时感受了重力，必须消除重力加速度的影响，方法是用三个正交的陀螺仪测定重力方向，并减掉当地的重力。又由于陀螺仪同时感受了地球自转，必须消除地球自转影响才能得到重力方向，方法是先找到北，再用精确时钟计算地球的自转角度，修正陀螺仪输出。陀螺仪还可以输出载体的姿态。惯性测量元件：陀螺仪（Gyroscope、Gyro）：

测量角速度（速率陀螺）、角度（积分陀螺）加速度计（Accelerometer）：

测量线加速度2、惯性导航的基本原理3、惯性导航的特点优点：自主导航：无需外界信息，安全，可靠；输出信息丰富：位置、线速度、角速度、线加速度、角加速度、姿态；应用领域广泛：海、陆、空、天；缺点：成本高：成本与精度成指数级增长；长时精度低：因为有漂移，长时间单独使用误差大；平台式惯性导航系统：具有物理平台，能够隔离载体角运动。捷联式惯性导航系统：没有物理平台，只有数学平台，不能够隔离载体角运动。4、惯性导航的分类二.惯性测量原理和惯性器件1、陀螺的基本原理2、陀螺的类型和特点3、陀螺仪的发展历程4、加速度计的基本原理5、加速度计的类型和特点1、陀螺的基本原理是一种用来感知和维持方向的装置，基于角动量不灭的理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位于轴心可以旋转的轮子构成。陀螺仪一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。陀螺仪基本原理陀螺仪自转轴相对惯性空间指向不变。定轴性1、陀螺的基本原理2、陀螺的类型和特点机械陀螺仪液浮陀螺仪气浮陀螺仪静电陀螺仪挠性陀螺仪动力调谐陀螺仪谐振式陀螺仪激光陀螺仪光纤陀螺仪MEMS陀螺仪xyz

HOM机械陀螺仪最基本的陀螺原型，是精密机械制造技术的体现。单自由度机械陀螺双自由度机械陀螺2、陀螺的类型和特点液浮陀螺仪陀螺马达安装在一个圆柱形的浮筒内，浮筒再装在一个圆柱形的壳体内。在浮筒与壳体之间的间隙内充满了浮液。浮液的密度与浮筒的密度相等，浮筒的重力基本上被浮力平衡。摩擦力小导致漂移小带宽低主要应用于舰船、卫星2、陀螺的类型和特点动压气浮陀螺仪动压轴承是靠陀螺转子高速旋转时，在轴径和轴承之间的间隙内产生具有一定刚度的气膜，使轴颈和陀螺转子悬浮起来。不转动时轴与轴承之间接触；2、陀螺的类型和特点静电陀螺仪静电陀螺仪靠强电场所产生的静电吸力使球形转子悬浮起来。0.0000001deg/h精度最高的陀螺仪2、陀螺的类型和特点挠性陀螺仪电动机的转动通过驱动轴和很细的轴颈带动陀螺转子高速转动。由于轴颈很细，容易挠曲，所以陀螺转子可绕水平轴线自由摆动。已逐渐淘汰2、陀螺的类型和特点动力调谐陀螺仪有两对互相垂直的内外扭杆与平衡环组成的挠性接头。陀螺转子旋转定轴，控制平台方向可以补偿掉弹性力矩。2、陀螺的类型和特点谐振式陀螺仪振动波形由于惯性作用比杯的旋转滞后一个角度，通过测量滞后角，可以得到杯的旋转角速度。2、陀螺的类型和特点激光陀螺仪基于萨格奈克效应，通过检测激光的干涉条纹检测角速度。方案比较成熟，工艺难度大2、陀螺的类型和特点光纤陀螺仪基于萨格奈克效应，利用光纤取代激光腔，通过闭环控制检测角速率。2、陀螺的类型和特点MEMS陀螺仪质量块在激励模态下振动，通过哥氏加速度检测角速度。结构种类繁多。成本低精度有待提高2、陀螺的类型和特点3、陀螺仪的发展历程1852年，傅科世界上第一台试验用陀螺罗经。1908年，安休斯德国1909年，斯佰利美国舰船陀螺罗经、应用技术形成和发展的开端。1923年，舒勒德国提出舒勒调谐原理。1942年，德国V-2火箭，安装了陀螺仪，用于水平和航向姿态稳定，在纵轴方向安装了陀螺积分加速度计，以测量火箭入轨的初始速度，这是惯性制导系统的雏形。定位精较低。50年代末到60年代初，主要使用液浮陀螺、气浮陀螺和动力调谐陀螺，并构成平台式惯性系统，在飞机、舰船、导弹和航天器上装备了大量的惯性系统。70年代，静电陀螺仪达到实用阶段，激光陀螺达到惯性级，光纤陀螺、半球谐振陀螺出现。80年代，激光陀螺捷联系统工程应用，惯性技术发展又一重大进步。90年代后，微纳米技术成功应用于大规模集成电路，微电子机械加工技术（MEMT）制造的微传感器和微机电系统（MEMS）出现。这是新世纪传感器领域中具有革命性意义的一项新技术。3、陀螺仪的发展历程1）经典陀螺仪（液浮、挠性、静电等）2）光学陀螺仪3）微机械陀螺仪4）微型光学陀螺仪5）其他（核磁共振陀螺、原子陀螺、超导陀螺等）发展趋势：高精度、低成本、小型化3、陀螺仪的发展历程4、加速度计的基本原理根据牛顿第二定律，敏感载体的加速度。测量的是比力，不是运动加速度。5、加速度计的类型和特点摆式加速度计挠性加速度计振动加速度计MEMS加速度计摆式加速度计通过摆偏离平衡位置的程度检测加速度大小。精度高，量程小。5、加速度计的类型和特点挠性加速度计通过挠性头偏离平衡位置的程度检测加速度大小。或者平衡控制，实现零位法测量。精度高，量程大。5、加速度计的类型和特点振动式加速度计通过振弦的振动特性测量载体加速度。精度中等，简单。5、加速度计的类型和特点MEMS加速度计应变式、电容式、振梁式5、加速度计的类型和特点三.平台惯性导航系统1、平台惯性导航系统原理2、平台惯性导航系统特点一种利用质量作加速度的敏感元件，以陀螺平台为支承的完全自主式导航系统。这种新兴的导航系统是在20世纪初出现的。1、平台惯性导航系统原理1、平台惯性导航系统原理基本原理：用加速度积分得到位置。用陀螺测定重力加速度方向，去除重力加速度。用精确时钟计算地球的自转角度，消除地球自转影响。陀螺平台稳定在惯性空间，而加速度计平台则用精密的时钟机构（精确度高达几百万分之一秒的晶体振荡器）跟随地球转动，使之跟上当地的重力方向。这种系统构造复杂，体积和重量都较大。但由于加速度计的方位是受机械平台控制的，精确度较高，因而能用于船舰、潜艇、飞机和飞航式导弹等的导航。2、平台惯性导航系统特点三.捷联惯性导航系统1、捷联惯性导航系统原理2、捷联惯性导航系统特点3、捷联惯性导航系统的发展4、捷联惯性导航系统的设计5、捷联惯性导航系统的工作流程1、捷联惯性导航系统原理

“捷联（Strapdown）”这一术语的英文原义就是“捆绑”的意思。因此，所谓捷联惯性系统也就是将惯性敏感元件（陀螺和加速度计）直接“捆绑”在运载体的机体上，从而完成制导和导航任务的系统。

1）没有机械式陀螺稳定平台2）陀螺和三个加速度计直接固连在载体上3）对陀螺敏感的角速度积分，得到载体相对参考坐标系的角位置（方向余弦矩阵）4)加速度计提供载体沿着横滚、俯仰和偏航轴的加速度分量，在通过方向余弦矩阵变换到参考坐标系5）对变换后的加速度积分，得到南北地速分量及经纬度参数1、捷联惯性导航系统原理捷联惯导的数学平台便于安装、维修和更换；可以直接给出舰船坐标系的所有导航参数；易于重复布置，在惯性敏感元件级别上实现冗余技术，提高可靠性；捷联系统去掉了常平架平台，消除了稳定平台稳定过程的各种误差同时减小系统体积。

优点缺点敏感元件直接固定在载体上，工作环境恶化，降低了系统的精度。因此，必须采取误差补偿措施，或采用新型的光学陀螺。

2、捷联惯性导航系统特点3、捷联惯性导航系统的发展捷联惯导技术最早可以追溯到18世纪50年代，德国著名科学家博耐伯格（JohannGottlobFriedrichvonBohnenberger）发明了带有稳定平台的陀螺仪（gyroscope）模型。

二战时期，在V-2火箭上装载的导航系统就是最原始的捷联惯性导航系统，该火箭从当时纳粹德国飞越过英吉利海峡准确命中伦敦，震惊世界。

随着激光、光纤等新型固态陀螺仪的逐渐成熟，捷联惯导的应用日趋广泛。

在欧洲，军用飞机中的所有新型以及改进型飞机大部分是用激光陀螺仪惯导装置；在美国军用惯导系统1984年全部为平台式，到1989年已有一半改为捷联式，1994年捷联式已占有90%。

新的捷联惯性系统产品普遍用于各种战术武器和飞机航姿系统中，随着固态仪表精度的不断提高，误差补偿技术的逐渐完善，捷联系统将逐步取代平台系统。3、捷联惯性导航系统的发展捷联惯导信息处理硬件框图4、捷联惯性导航系统的设计算法：从惯性仪表输出到导航与控制信息捷联惯导算法的基本内容：一、系统初始化二、惯性仪表的误差补偿三、姿态矩阵的计算四、导航计算五、导航控制信息的提取5、捷联惯性导航系统的工作流程系统初始化：1、惯性仪表的校准：对陀螺的刻度系数进行标定，对陀螺的漂移进行标定。对加速度计标定刻度系数。2、数学平台的初始对准：确定姿态矩阵的初始值，是在计算机中用对准程序来完成的。在物理概念上就是把“数学平台”的平台坐标系和导航坐标系相重合，称其为对准。3、给定飞行器的初始位置和初始速度等初始信息。5、捷联惯性导航系统的工作流程惯性仪表误差补偿：依据惯性仪表已建立的误差模型和标定结果，通过计算机程序实现仪表的校准和补偿。5、捷联惯性导航系统的工作流程初始对准：惯性导航系统是根据测得的运载体的加速度，经过积分运算求得速度与位置的，因此必须知道初始速度和初始位置。在惯性系统加电启动后，捷联惯导数学平台的三轴指向是任意的，没有确定的方位，因此在系统进入导航工作状态前，必须将平台的指向对准，此过程便称为惯导系统的初始对准。5、捷联惯性导航系统的工作流程导航计算：

将加速度计的输出，变换到导航坐标系，计算出飞行器的速度、位置等导航参数。导航和控制信息的提取：

提取包括飞行器的姿态信息、飞行器的角速度和线加速度等信息，实时进行导航状态比较并根据误差或航迹要求进行控制。姿态矩阵的计算：

姿态矩阵的计算式捷联式惯导算法中最重要的一部分。不管捷联式惯导应用和要求如何，姿态矩阵的计算都是不可少的，可以给出飞行器的姿态和为导航参数的计算提供必要的数据。5、捷联惯性导航系统的工作流程四.组合导航系统1、组合导航系统原理2、组合导航系统的功能3、几种常见的组合导航系统1、组合导航系统原理

两种或两种以上导航技术的组合，组合后的系统称为组合导航系统。根据不同的要求有各种不同的组合导航系统，多以惯性导航系统作为核心系统。1、组合导航系统原理卡尔曼滤波是组合导航的基本算法。它是一种线性最小方差估计的递推算法，相对其它几种最优估计方法，卡尔曼滤波具有如下特点：算法是递推的采用动力学方程描述被估计量的动态变化规律卡尔曼滤波具有连续型和离散型两类算法2、组合导航系统的功能1）协合功能：利用各分系统的导航信息，形成分系统所不具备的导航功能。如用大气数据计算机的空速信息和罗盘的航向信息工作的自动领航仪可以提供飞机的位置信息。它是一种早期的组合导航系统。2）互补功能：组合后的导航功能虽然与各分系统的导航功能相同，但它能够综合利用分系统的特点，从而扩大了使用范围和提高了导航精度。3）余度功能:两种以上导航系统的组合具有导航余度的功能,增加了导航系统的可靠性。3、几种常见的组合导航系统

多普勒雷达输出的地速信号精度较高,但瞬态噪声较大。惯性导航系统能提供精确的航向信息,且速度信号的瞬态性能好,但精度不高。两者结合可降低速度误差，提高惯性平台姿态精度，从而抑制位置误差的增大。