第1章 概述 惯性导航

惯性导航原理

中国民航大学电子信息工程学院崔铭2023/9/161.2常见的导航系统

概述1.1导航的基本概念

1.3基础知识

1.4惯导技术的发展

21.1导航的基本概念

导航（Navigation）

：引导载体达到预定目的地的过程。载体包括车辆、舰船、飞机、导弹、宇宙飞行器等。

制导（guidance）

：根据导航系统提供的数据，由控制系统来自动引导载体到达目的地。第一章概述31.2常见的导航系统陆标导航：根据固定标志物（如灯塔、建筑物等）的位置坐标及其相对载体的距离方位关系确定载体位置。缺点：受地形气候条件限制。无线电导航：利用无线电技术测量导航参数的系统，如VOR、DME等。缺点：精度受电磁环境影响。卫星导航系统：利用专用于导航的人造地球卫星来实现，如GPS、北斗等。缺点同上。天文导航系统：最早由航海方面发展而来，利用光学仪器(如六分仪)人工观测星体高度角，进而确定航行体的位置。缺点：受气候条件影响，精度低。4惯性导航系统：利用惯性敏感元件(陀螺仪、加速度计)测量载体相对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。

优点：（1）依靠自身测量的载体运动加速度信息来连续推算载体速度和位置，不需要接收外部信息，不受外界干扰，是一种自主式导航系统；工作时不向外辐射能量，隐蔽性好；确定载体位置同时还能测量载体姿态角。5不足：惯导系统确定载体位置是由加速度计测得的加速度经二次积分获得，本质上是一种推算定位法，误差随时间积累，长时间工作，误差会超出允许范围，需用其它信息进行重调和校正；要制造高精度的惯导系统，必须要求惯性元件有高精度，对制造工艺、装配工艺要求严格，系统成本高。6组合导航系统：上述几种类型的导航系统各有优缺点。为了提高导航系统的定位精度和性能，往往将上述两种以上的导航系统组合成为组合式导航系统。航空导航仪表：导航仪表单独测出飞机的一些参数，如磁航向、空速、高度等，供给飞行员操纵飞机完成导航任务。71.什么是惯性空间这些旋转的角速度都太小，以致于惯性器件无法敏感到，因此可以忽略。地球自转

惯性空间是符合牛顿力学定律的空间，即是绝对静止或只做匀速直线运动的空间惯性空间相对空间1.3基础知识银河系旋转太阳系相对银河系旋转地球相对太阳旋转8

在经典力学中，牛顿的三条定律是惯性导航的力学基础。它揭示了惯性空间中物体的运动和受力之间的基本关系：（1）若物体不受力或所受合力为零，则物体保持静止或匀速直线运动；（2）若物体受到的合力为F，则该物体将以加速度a相对惯性空间运动：，m为物体质量；（3）物体间的相互作用力，大小相等，方向相反。9（1）加速度计的可测量运动物体的加速度。（2）惯性导航是以测量运动体的加速度为基础的导航定位方法。测量的加速度，经过一次积分可以得到运动速度，经过二次积分可以得到运动距离，从而给出运动体的瞬时速度和位置数据。他们三者间的关系表示为：2.加速度、速度和航程之间的关系10

式中：a表示运动体的加速度；V表示运动体的速度；S表示运动的移动距离。

11从以上看出，沿直线运动的载体，只要借助加速度计测出它的加速度，载体任何时刻的速度和相对出发点的距离就可实时计算。这种不依赖外界信息，只靠对载体本身的惯性测量来完成导航任务的技术称作惯性导航，也称自主式导航。121.4惯性导航技术的发展1.惯性导航技术涉及多学科（机电、光学、数学、力学、控制及计算机等学科）的高新尖端技术，是现代武器系统中的一项基本支撑技术，是在先进科学理论和制造工艺支持条件下发展起来的。只有少数国家有能力研制惯性技术产品。我国惯性技术在自力更生基础上，发展至今已具有一定规模。13

在我国的航空、航天、航海和陆地车辆的导航和定位中得到了广泛的应用。惯性技术还在以下国民经济领域里获得了成功的应用：大地测量、海洋勘探、石油钻井、航空测量、摄影等142.理论基础：1）1687年牛顿提出了力学三大定律和引力定律，为惯性导航奠定了理论基础；2）1765年俄国欧拉院士出版了著作《刚体绕定点运动的理论》，首次利用解析方法对定点转动刚体作了本质解释，创立了陀螺仪理论的基础1778年法国拉格朗日在《分析力学》中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；153）1852年法国科学家傅科根据上述理论发现了陀螺效应，观察到了地球自转，并首先使用“Gyro”(Gyroscope－转动＋观察)这个名词，开创了人们对工程实用陀螺的研究和开发；4）1923年，舒勒发表了论文《运载工具的加速度对于摆和陀螺仪的干扰》，提出了84.4分的无干扰理论，为惯性技术的发展起到了关键的理论指导作用，陀螺仪的设计开始完善；161718法国国葬院192021北京天文台的傅科摆225）1939年，苏联－布尔佳科夫通讯院士出版的：“陀螺仪实用理论”一书，认为是陀螺仪实用理论的奠基性的著作。6）1949年，J.H.Laning,Jr.发表名为“Thevectoranalysisoffiniterotationsandangles”的报告，建立了捷联式惯性导航的理论基础；233.现代发展7）1920年前后，出现了供飞机使用的转弯速率指示器、人工水平仪和方位陀螺；8）二战期间，德国的V2火箭用两个二自由度陀螺和一个加速度计构成惯性制导系统，这是惯性技术在导弹制导上的首次应用。但由于惯性器件精度低，设计粗糙，无法实现舒拉调谐要求，因此在轰炸伦敦的过程中，1/4的V2火箭提前掉入大海。24259）1949年，美国将纯惯性导航系统试验安装到一架B-29远