《惯性导航简介》

《惯性导航简介》惯性导航简介

——《导航概论》课程论文

专业：测绘工程A组姓名：师嘉奇学号：2024301610091

一.

首先，我们可以通过两个英文的句子来也许了解一下究竟什么是导航“whenamI？”和“Howandwhentogetthere?”，这两个问题问的是我现在在哪？我要怎么到那里去？它们也指出了导航的内涵，那就是在哪，怎样去，多久到达。因此，通过科学的定义，将航行载体从起始点引导到目的地的过程称为导航，导航系统给出的基本参数是载体在空间的即时位置、速度和姿势、航向等，导航参数的确定由导航仪或导航系统完成。通过这种技术引导载体方向的过程即为导航。导航是解决人，大事，目标相互位置动态关系随时间变化的科学，技术，工程问题。

在室外或者自然环境中的导航，根据载体运动的范围，可分为海陆空天(海洋、陆地、空中、空间)导航四类；根据所采纳的技术，常用的导航方法有，天文导航、惯性导航、陆基无线电导航、卫星导航、特征匹配帮助导航（如地形匹配、地磁匹配、重力匹配)等，以及上述导航方法之间的不同组合（组合导航）。室内定位导航作为当今导航技术进展的个重要分支，它借鉴室外导航的相关技术，同时结合现代通信技术、网络技术传感器技术以及计算机技术的最新进展，已经成为一个重要的讨论热点并在人们日常工作和生活中逐步得到应用。室内导航与自然环境中的导航既有联系又有其自身的特点，其主要差异是来自于应用环境及所采纳的技术方法不同。

导航系统有两种工作状态：指示状态和自动导航状态。如导航设备供应的导航信息仅供驾驶员操纵和引导载体用，则导航系统工作为指示状态，在指示状态下，导航系统不直接对载体进行掌握，假如导

航系统直接供应信息给载体的自动驾驶掌握系统，由自动驾驶系统操纵和引导载体，则导航系统工作于自动导航状态。在这两种工作状态下，导航系统的作用都只是供应导航参数，“导航”的含义也侧重于测量和供应参数。

导航有许多种技术途径，如无线电导航，天文导航，惯性导航等可实现相应的导航任务，在这些导航技术中，惯性导航占有特别的地位，惯性导航具有高度自主的突出优点，以牛顿力学为理论基础，只依靠安装在载体内的惯性测量传感器陀螺，加速度计和相应的配套装置建立基准坐标系,进而获得载体的加速度，推算速度位置等导航参数。另外，现代运载体的高精度、长时间、远程导航等导航要求不断提高，单纯惯性导航不能完全满意，采纳现代掌握理论信息融合方法，以软硬件快速进展的计算机为计算工具，将惯导系统和其他导航系统综合，构成以惯性导航为主，其他导航手段为辅的组合导航系统，应用日益广泛。以制导技术为例，制导技术可以分为航路规划和目标跟随两部分，其中航路规划是依据地理参考系，物体所在的位置和目标方位计算物体到达目的地的合理路径，目标跟随是通过导引系统测量物体与目标相对位置，计算导航参数，最终到达目标的过程。在当今社会，制导技术有着特别广泛的应用。

当然，谈到导航，也不完全都是高科技，在我们的身边，就有特别多的导航原理的应用，以动物界的导航现象为例，动物界存在着主动式和被动式两种导航的方式，详细来说，例如蝙蝠采纳回波定位的方式进行导航，沙蚁通过偏振光导航，信鸽则采纳的是地磁导航；当

然，作为高等生物的人类，也具有很强的导航力量，人们通过太阳高度角熟悉季节，通过昼夜交替推断时间，通过日出日落推断东南西北，在人类的身体中，具有位置细胞，头部方向细胞和网格细胞，这些细胞都可以关心人类进行导航。因此，导航在我们生活的世界里无处不在，是一门特别重要的学科。

三.惯性导航简介

通过上面的介绍，我们可以发觉，在现代导航技术中，惯性导航具有特别重要的地位，这是由于惯性导航是一种完全自主式的先进的导航系统，它是依据牛顿力学定律，利用惯性器件来测量运载体本身的加速度，经过一次积分得到物体的速度，在经过一次积分得到物体的位移即地理位置。他能供应运载体姿势，速度和位置的导航信息，并且和外界不发生任何光电关系，因此隐藏性好，工作不受气象条件的限制。这一独立的优点使其成为航空航天航海领域中的一中广泛应用的主要导航方法。下面对惯性导航进行介绍。

1.导航系统的理论基础

（1）1687年牛顿提出了力学和引力定律，是惯性技术的基础；（2）1765年俄国欧拉院士出版了“刚体绕定点转动的理论”的书，是陀螺仪理论的基础。

2.观星测量的基本原理

（1）牛顿第肯定律：物体在不受外力的状况下，始终保持静止后匀速直线运动状态；

（2）牛顿其次定律：在宏观低速的状况下，物体的合外力等于物体的质量与加速度的乘积即F=m*a；

（3）牛顿定律在惯性空间始终成立。

3.惯性导航主要内容

惯性导航所要解决的基本问题是不断确定载体的姿势、速度和位置。任何物质的运动和变化，都是在空间和时间中进行的。物体的运动或静止及其在空间的位置。是指它相对另一物体而言。这就是说，在描述物体的运动时，必需选定一个或几个物体作为参考系。当物体对于参考系的位置有了变化时，就说明该物体发生了运动；反之，假如物体对于参考系没有发生任何位置变化，就说明该物体是静止的。

惯性导航是通过采纳惯性仪表或装置（陀螺和加速度计），实时测量载体运动相对某一空间基准的三维空间导航坐标系中的加速度，经计算得到载体的实时速度、位置以及姿势信息。为了保证加速度计的输出是导航坐标系中的矢量，依据构建导航坐标系方法和途径的不同，可将惯性导航系统分为两种类型：一种是采纳物理平台模拟导航坐标系的系统，称为平台式惯性导航系统；另一种是采纳数学算法确定导航坐标系的系统，称为捷联式惯性导航系统。平台式惯性导航系统采纳陀螺稳定平台来始终跟踪所需要的导航坐标系，以解决安装在稳定平台上的加速度计输出信号的基准问题。例如，当选择当地水平

坐标系为导航坐标系时，通过陀螺的作用使平台始终跟踪当地水平面，三个直角坐标轴始终指向东、北、天方向，沿这三个坐标轴安装的加速度计分别测量出载体沿东西、南北和垂直方向的运动加速度。

将这三个方向上的加速度重量分别积分，便可以得到载体沿这三个方向的速度重量，即

将这三个方向上的速度重量再分别积分，便得到载体沿这三个方向的位置重量。载体在地球上的位置用经度L、纬度B和高程H表示，它们的时间变化率可由载体沿东、北和垂直方向的运动速度计算得到：

)()()()t(Φ

cos)()

()(.

..

tvtHhMtvBhNtvtLune=+=+=其中，M,N分别为地球参考椭球的子午圈曲率半径和卯酉圈曲率半径。当将地球近似看成一个半径为R的圆球时，则有M=N=R。

在惯性导航系统中，陀螺供应载体的姿势转变量或它相对惯性空间的转动速率。但是，加速度计却不能够将载体的总加速度即相对惯性空间的加速度与地球引力场引起的加速度分别。这些传感器实际上供应的测量值是相对惯性空间的加速度与引力场吸引产生的加速度的代数和，简称比力(SpecificForce)。不论是平台式惯导系统，还是捷联式惯导系统，都要用到比力方程。所以，对于惯性导航系统而言，需要联合有关载体转动测量值、比力和引力场的学问来计算相对于事先定义的参考框架中姿势、速度和位置的估量值，以实现其导航功能。

dttatvtvktteeke)()()(00?+=dttatvtvdttatvtvkk

ttuukuttnnkn)()()()()()(0000??+=+=

作为一种导航系统，惯性导航也有自己的不足之处，它也存在误差在分析惯导系统的工作原理时，是将惯导系统看成为一个抱负的系统。比如，认为指北方位系统的平台系真实地模拟了地理系。但在实际惯导系统中，惯性元件、元件安装以及系统的工程实现中各个环节都不行避开地存在误差。在这些误差因素影响下，惯导系统输出的导航参数不行避开地会有或大或小的误差，没有误差的导航系统是不存在的。讨论惯导系统误差的目的在于：通过分析确定各种误差因素对系统性能的影响，对关键元器件提出适当的精度要求；另一方面，借助误差分析，可以对系统的工作状况和主要元部件的质量进行评价；误差分析的结论是建立初始对准的理论基础，使惯导系统开头工作时有一个精确的初始条件；通过分析误差源对系统的影响，实行有效措施进行补偿，达到提高惯导输出参数精度的目的。惯性导航系统性能的误差因素称为误差源，依据误差产生的缘由和性质，惯性导航的误差源可以分为下面几种：

（1）元件误差：它包括加速度计和陀螺仪的不完善所引起的误差，主要指陀螺的漂移和加速度计的零位偏差，以及两个元件的刻度因数误差。

（2）安装误差：指加速度计和陀螺安装到平台台体上的不精确     性造成的误差。

（3）初始条件误差：指初始对准及输入计算机的初始位置、初始速度不准所形成的误差。

（4）计算误差：测由于导航计算机的字长限制和量化器的位数限制

等所造成的计算误差。

（5)原理误差：也叫编排误差。是由于力学编排中数学模型的近似，地球外形的差别和重力特别等引起的误差。例如、用旋转椭球体近似作为地球的模型，在导航参数的计算中就会造成误差；力学编排时忽视高度通道造成误差等。

（6）外干扰误差：包括两个方面：一是由于飞机机动飞行时的冲击及振动引起的加速度干扰；二是与惯导系统交联的其他导航设备带来的方位误差和位置及速度误差。

惯性导航的误差源不是彼此孤立的。依据他们的来源、性质和对系统的影响，可以将其中的某几类归划到另几类中去，也可舍去一些次要因素，从而使问题的分析简洁明白。理论和实践证明，对惯性系统的工作性能影响较大的还是元件误差、安装误差和初始条件误差。因此，为了减弱这些误差对惯性导航系统的影响，我们需要通过误差改正方程去提高导航的精度。

惯性导航具有许多优点，在许多方面都发挥着重要的作用，当前，惯性技术正处于第四代进展阶段，其目标是实现高精度、高牢靠性、低成本、小型化、数字化、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，漂移量可达10-6°/h；另一方面，随着RLG、FOG、MEMS等新型固态陀螺仪的渐渐成熟，以及高速大容量的数字计算机技术的进步，SINS在低成本、短期中精度惯性导航中呈现出取代平台式系统的趋势。

航天飞机、宇宙飞船、卫星等民用领域及在各种战略、战术导弹、军用飞机、反潜武器、作战舰艇等军事领域开头采纳动力调谐式陀螺、激光陀螺和光纤式陀螺的捷联惯导系统，尤其是激光陀螺和光纤式陀螺是捷联惯导系统的抱负器件。激光陀螺具有角速率动态范围宽、对加速度和震惊不敏感、不需温控、启动时间特殊短和牢靠性高等优点。组合导航系统通常以惯导系统作为主导航系统，而将其他导航定位误差不随时间积累的导航系统如无线电导航、天文导航、地形匹配导航、GPS等作为帮助导航系统，应用卡尔曼滤波技术，将帮助信息作为观测量，对组合系统的状态变量进行最优估量，以获得高精度的导航信号。组合导航系统不仅在民用上而且在军事上均具有重要意义。

惯性导航系统能测量飞机各种导航参数，如位置、地速、航迹角、偏航角、偏航距离、风向、风速等；也能测量姿势参数，如俯仰角、倾斜角和航向等；与飞机其他掌握系统协作，能完成对飞机的人工或自动驾驶。惯性导航系统的优点是完全自主式的导航系统和系统校准后短时定位精确度高。惯性导航系统的缺点是：存在积累误差，随时间定位精度低。惯性导航系统往往在现代飞机上与大气数据系统结合，称为大气数据参照系统。

惯性导航技术在国防科技中占有特别重要的地位，广泛的运用于航天、航空、航海等军事领域；随着惯性技术和计算机技术的不断进展以及成本降低，近几年来，很多国家将其应用领域扩大到民用领域，

并进展开拓了更宽阔的前景，例如广泛应用于地震、地籍、河流、油田的测量以及摄影、绘图和重力测量等方面。

惯性导航系统在军事上的运用是最为广泛的，代表了最为先进的惯性导航技术。惯性制导的中远程导弹，一般来说命中精度的７０％左右取决于惯性导航系统的精度，它基本上打算了导弹是否能打准的问题。对于核潜艇，由于潜航时间长，其位置和速度是变化的，而这些数据又是的潜艇初始状态参数，直接影响潜艇导弹的命中精度，因而需要供应高精度的位置、速度等信号，而唯一能满意这一要求的导航设备就是惯性导航系统。又比如，战略轰炸机，由于要求它经过长时间远程飞行后，仍能保证精确     投放武器而命中目标，只有使用惯性导航系统才是最为合适的，由于这样不依靠外界信息，隐藏性好，不易受到外界干扰，又不会因沿途经海洋、过沙漠而影响导航精度。这三大战略武器，假如没有精确的惯性制导或惯性导航协作，就不行能发挥其应有的战略威慑力气。同样，对于各种巡航导弹、战术导弹、舰艇、歼击机、轰炸机、坦克等武器，也只有配备了惯性导航系统才能有效地发挥其战斗力。正因如此，国外新机生产无不装备惯性导航系统。

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，尤其实在军事战斗方面，海湾战斗和伊拉克战斗中，以军和美军就采纳了GPS／INS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)等在战斗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、儿童玩具中惯性导航技术也被广泛应用。在惯性导航系统讨论方面，价格低廉且体积小和高精度、高性能的惯性传感器，是将来一段时间内的进展方向。惯性导航技术将在将来导航定位系统中扮演非常重要角色。

1990年月以后，惯导系统和GPS的互补性在各种国际学术会议和科技文献中得到反复强调，由于与其他导航系统相比，GPS在精度上具有压倒性的优势，但惯性系统的完全自主的特性是GPS所不具备的，所以，惯导与GPS相组合已成为导航领域的重要进展方向。随着航行体机动性的增大、航程加长、牢靠性要求的增高，均要求实现多信息的组合提高导航系统的余度和容错力量。因此，消失了地形帮助惯性导航系统、多普勒惯性组合导航系统、合成孔径雷达惯性组合导航系统（INS/SAR）等多种组合导航方式，它们各自取长不短，不仅使组合后的导航精度要高于两个系统单独工作的精度，而且扩大了系统的使用范围，增加了系统的牢靠性。

四.对导航应用的设想

通过这学期的导航概论课程的学习，结合自己在这学期对无人机的使用，我认为导航技术可以在无人机上面发挥更大的作用，现在比较先进的无人机都具有自主导航的功能就是在WiFi传图信号不好或

者外界干扰较强的状况下，无人机会不受遥控器掌握，但是一旦消失这种状况，无人机就会很平安的自动返航，这就要求无人机本身可以记得之前飞过的位置，路线，并能够从当前位置自主导航至起飞点，从而保证设备和数据的平安。但是现在的无人机在一些较为简单的状况下的飞行还是不太稳定，即时能够在这样的环境中飞行，如高楼林立的城市，偏远的山区，这些信号干扰比较剧烈或者信号特别不好的地方，无人机的成本特别高，为了节省成本，我们必需要找到特别稳定的导航系统，在较为简单的环境中也能精确导航，使无人机平安快速的飞行。

在高校校内中，每天有许多同学点外卖，所以我们常常能看到路上有许多疾驰而过的电动车，这些电动车看起来是为同学们供应了很大的便利，但是在校内里驾驶电动车穿梭总是会带来担心全的因素，因此，我认为可以尝试使用无人机进行外卖的送餐，可以在每个宿舍楼的顶层设计停机坪，由无人机进行外卖的配送，这样不仅仅能削减校内中的电动车数量，保障同