惯性导航系统.docx
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惯性导航系统
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目录
1.惯性导航系统的概念·························22.惯导系统的发展历史及发展趋势···············3
惯性导航系统的发展·······················3我国的惯性导航系统·······················5捷联惯导系统现状及发展趋势···············63.惯性导航系统的组成························104、惯性导航系统的工作原理····················145、惯性导航系统的功能·······················186、惯性导航系统的服务模式与应用模式··········207、惯性导航系统当前的应用情况················218、惯性导航系统的特点························23
系统的主要优点······················23系统的主要缺点·····················249、惯性导航系统给我们的启示················24
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惯性导航系统
一、惯性导航系统的概念
什么是惯性导航或惯性制导呢?
惯性导航系统（Ins）是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。
在给定的运动初始条件（初始地理坐标和初始速度）下，利用惯性敏感元件测量飞机相对惯性空间的线运动和角运动参数，用计算机推算出飞机的速度、位置和姿态等参数，从而引导飞机航行。
推算的方法是在运载体上安装加速度计，经过计算（一次积分和二次积分），从而求得运动轨道（载体的运动速度和距离），进而进行导航。
在运载体上安装加速度计，用它来敏感、测量运载体运动的加速度，经过计算（一次积分和二次积分），从而求得运动轨道（运载体运动的速度和距离），并且产生对运载体运动所需要的控制信号，控制运载体按要求弹道运动，称为惯性制导。
这就是说，惯性制导是对运载体进行测量和控制，使其沿预定的轨道运动。
作为一种自主式的导航方法，惯性导航是完全依靠载体上的设备自主地确定出载体的航向、位置、姿态、和速度等导航参数。
并不需要外界任何的光、电、磁参数。
因此，惯性导航系统具有隐蔽性好、全天候工作能力等独特优点。
对飞行器、舰船和地面移动载体（特别是用于军事目的）等尤为重要。
所以在近三十年来，在航空、航天、航海、交通和大地测量中惯性导
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航系统都得到了广泛的应用。
近今年来由于捷联技术在惯导系统中的应用为惯导系统在民用领域中的应用和发展开辟了更广阔的前景。
二、惯导系统的发展历史及发展趋势
1、导航系统的发展
1942年德国在V2火箭上首先应用了惯性导航原理，即采用两台陀螺仪和一台横向加速度表，再加上一台模拟计算机来调整火箭飞行的方位。
根据测量数据，模拟计算发出信号调整4个位于垂直尾翼上的外部方向舵来控制火箭的飞行。
这是闭环导航系统的一个创新。
二战结束之后，以冯?
布劳恩为首的500多名德国火箭科学家，加上他们的设计图纸、实验设备都去了美国，1945年他们在德克萨斯的布利斯空军基地开始了在美国的火箭研制工作，1950年到达了阿拉巴马州的亨茨维尔市，继续从事火箭研究。
在50年代早期，美国空军的西部研发中心邀请麻省理工学院（mIT）的仪器仪表实验室（即后来的德雷伯实验室）设计一种独立的导航系统，该导航系统将安装在康维尔公司的新一代Atlas洲际弹道导弹上，在mIT该项目的负责人是吉姆?
弗莱彻（JimFletcher），他后来成为nAsA的负责人。
Atlas导航系统当中首先包含了机载自主导航系统与地基跟
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踪指挥系统。
后来这两种导航系统还导致了长期的争论，最后在洲际导弹上主要采用自主导航系统，而在空间探索过程中，则是采用两种导航系统的混合物。
1952年夏天，Richardbattin和J.halcombeLaning,Jr两位博士开始在Ibm650计算机上进行利用mAc语言进行导航计算，直到1958年他们才完成了第一个惯性导航计算模型，而mAc语言作为第一种可以人工阅读的计算机语言也在航天方面得到广泛应用，现在的航天飞机上主系统的开发语言hAL/s就来自mAc语言。
1954年，这两位科学家完成了针对Atlas惯性导航系统的最初的分析工作，而这个项目的技术负责人walterschweidetzky曾经是冯?
布劳恩的手下，参与过V2火箭的研制。
1954年惯性导航系统在飞机上试飞成功。
基本原理是将现在的运行轨迹与预先设置的运行轨迹进行比较，然后调整火箭的姿态保证实际运行轨迹与预先设置的运行轨迹重合，不过由于当时计算机的处理能力和惯性导航系统的测量精度问题，火箭的偏差非常大。
后来在三角洲（Delta）火箭当中的Q系统才真正解决了这个问题。
Q系统最大的特点是可以利用自导驾驶仪当中的速度与方向信号直接进行计算，获得相关导航参数，该系统是在1956年6月21日首次公诸于众，该系统到现在仍然在导弹当中广泛使用。
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1958年舡鱼号潜艇依靠惯性导航在北极冰下航行21天，证明了惯性导航不但可以在火箭、飞机上使用，也可以在船舶、潜艇、车辆上使用。
1961年2月，nAsA委托mIT为阿波罗登月计划设计导航系统，而对于航天飞机来说，从航天飞机起飞到固体火箭助推器（sRb）分离这个阶段采用开环导航，而固体火箭助推器分析之后，则采用一种叫做peg4的导航系统。
peg4实际上是将Q系统与Delta系统当中的peg导航系统结合在一起，并加上了预测校正功能。
虽然在过去30年里航天飞机的导航系统多次升级，并加上了gps导航系统，但是航天飞机与空间探索导航的核心系统还是惯性导航。
2、我国的惯性导航系统
我国在惯导研究方面起步相对较晚，西安618所冯培德是研制我国第一套采用液浮惯性器件航空惯性导航系统的主要负责人之一，该系统研制成功，为我国航空惯导发展奠定了基础。
但近年来已经取得了长足进步，在军民用的各个领域都发挥了重要作用。
在历届航展上，都展出了多种惯性导航装置，从中我们可以看到目前我国在这方面所取得的一些成就。
参加展出的多家厂商都展出了各自的惯性导航设备，比如航天时代仪器公司的液浮陀螺平台惯性导航系统、动力调谐陀螺
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算出载体相对所选择的导航参考坐标系的位置。
所以说，两个惯性敏感器（陀螺仪和加速度计）是惯性导航系统中的核心部分。
加速度计又称比力接受器，它是以牛顿惯性定律作为理论基础的。
在运动体上安装加速度计的目的是，用它来敏感和测量运动体沿一定方向的比力（即运动体的惯性力与重力之差），然后经过计算（一次积分和二次积分）求得运动轨迹（即运动体的速度和所行距离）。
测量加速度的方法很多，有机械的、电磁的、光学的、放射线的等等。
按照作用原理和结构的不同，惯性系统用加速度计可分为两大类，即机械加速度计和固态加速度计。
系统组成：
1、惯性导航组件（Inu）:
加速度计、陀螺仪，主要完成导航参数的测量和计算。
（1）平台式：
一个三轴空间平台，2、3个高精度的陀螺仪及3个高精度的加速度计，一部数字计算机，其他电子线路板；
（2）捷连式：
3个高精度的陀螺仪及3个高精度的加速度计，一部数字计算机，其他电子线路板；没有实际的陀螺稳定平台，将加速度计和陀螺仪直接与飞机机体固连，用导航计算机计算“数学平台”也叫“软件平台”。
2、控制显示组件（cDu）
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包括导航参数的显示，初始值的引入，系统实验故障显示和告警等。
3、方式选择组件（msu）：
主要用来控制系统的工作状态。
4、备用电池组件（bu）：
特殊情况下供电
水平状态显示器hsI航向航迹预订航迹横偏偏流警告俯仰、倾斜故障旗姿态指引仪ADI控制显示组件cDu大气数据系统航路/进近转换调谐头方式选择组件msu惯性导航组件（Inu）自动驾驶仪气象雷达真航向、磁航向测距机（Dme）全向信标（VoR）更新/不更新信号器备用电池组自动数据引进组件惯导系统的组成与连接图
总结：
惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。
惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪，又称惯性导航组合。
3个自由度陀螺仪用来测量飞行器的三个转动运动；3个加速度计用来测量飞行器的3个平移运动的加速度。
计算机根据测得的加速度信号计算出飞行器的速度
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和位置数据。
控制显示器显示各种导航参数。
捷联式惯导系统中有两种敏感器件:
陀螺仪和加速度计。
陀螺仪组件测取沿运载体坐标系3个轴的角速度信号，并被送人导航计算机，经误差补偿计算后进行姿态矩阵计算。
加速度计组件测取沿运载体坐标系3个轴的加速度信号，并被送入导航计算机，经误差补偿计算后，进行由运载体坐标系至“平台万坐标系”的坐标变换计算。
他们沿机体坐标系三轴安装，并且与机体固连，它们所测得的都是机体坐标系下的物理量。
加速度计测量的是机体坐标系（b系）相对于惯性空间的
b加速度在机体坐标系中的投影aib，该测试量也称为比力。
而
对于捷联惯导系统，导航计算机要在导航坐标系中完成，因
b此，首先要将机体系中的测试量aib转换导航坐标系中的物理n量aib，即实现由机体坐标系到导航坐标系的坐标转换。
这一b转换由姿态矩阵cbn完成，而cbn是利用陀螺仪的输出?
ib即载体
相对惯性空间转动的角速率在机体坐标系下的投影计算得到。
姿态矩阵是随时间的变化而不断变化的。
另外，从姿态矩阵中可以单值的确定飞行器的姿态角。
捷联式惯导系统中需要实时地求取姿态矩阵，以便提取飞行器姿态角（首向角、纵摇角、横摇角）以及变换比力。
所以说，在捷联式惯性导航系统中，是由导航计算机来完成具有常平架的稳定平台功能，既用“数学解析平台”取代稳定平台的功能。
它的原理
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简图如下图所示，图中虚线框部分起了平台的作用。
四、惯性导航系统的工作原理
惯性导航系统（Ins，以下简称惯导）是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。
其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。
有了这个仪器以后，就可以实现所谓的无控制测绘，只需要飞机、卫星在天上飞，就可以得到很精确的地形图，而不需要人去上面建立一些标志，这是当代最先进的测绘技术，直接定向。
工作原理：
惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，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
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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、偏航角和位置等信息。
属于一种推算导航方式．即从一已知点的位置根据连续测得的运载体航向角和速度推算出其下一点的位置．因而可连续测出运动体的当前位置。
惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。
相对性原理：
牛顿惯性定律适用的参考系叫做惯性参考系；要求精度不太高时，地球就是一个惯性系，相对此系作等速直线运动的参考系都是惯性系。
在一个静止或作等速直线运动的密闭车厢中，从天花板吊悬的单摆总是铅垂向下，垂直上抛的小球总能重新落回手
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