2021年《文档：惯性导航系统的发展及应用》优秀教案.pdf

吾日三省乎吾身。为人谋而不忠乎？与朋友交而不信乎？传不习乎？——《论语》

惯性导航系统的发展及应用

1.绪论

惯性导航是一门重要的学科技术，它是飞机、船舶、火箭等载体能顺利完成导航和控制任务的关

键性技术之一。1942年德国在V-2火箭上首次应用了惯性导航原理；1954年纯惯性导航系统在飞机

上试飞成功。30余年来，惯性导航技术获得迅速发展。在我国惯性导航技术已在航空、航天、航海和

陆地车辆的导航和定位中得到应用。1970年以来，我过多次发射的人造地球卫星和火箭都采用了本国

研制的惯性导航系统。不仅如此，70多年以来，这门科学技术还在大地测量、海洋勘测、石油钻井、

航空测量和摄影等国民经济领域里获得成功应用。

2.惯性导航简介

惯性导航(InertialNavigation)是20世纪中期发展起来的完自主式的导航技术。通过惯性测量组

件(IMU)测量载体相对惯性空间的角速率和加速度信息，利用牛顿运动定律自动推算载体的瞬时速度

和位置信息，具有不依赖外界信息、不向外界辐射能量、不受干扰、隐蔽性好的特点，且惯导系统能

连续地提供载体的全部导航、制导参数(位置、线速度、角速度、姿态角)。惯性导航技术，包括平台

式惯导系统和捷联惯导系统。平台式惯性导航系统将陀螺通过平台稳定回路控制平台跟踪导航坐标系

人之为学，不日进则日退，独学无友，则孤陋而难成；久处一方，则习染而不自觉。——《顾炎武》
百学须先立志。——朱熹

在惯性空间的角速度。捷联惯性导航系统利用相对导航坐标系角速度计算姿态矩阵，把雷体坐标系轴

向加速度信息转换到导航坐标系轴向并进行导航计算。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和位置数据。控制显示器显示各种导航参数。

3.陀螺仪

陀螺仪是惯性系统的主要元件。陀螺仪通常是指安装在万向支架中高速旋转的转子，转子同时可

绕垂直于自转轴的一根轴或两根轴进动，前者称单自由度陀螺仪，后者称二自由度陀螺仪。陀螺仪具

有定轴性和进动性，利用这些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角偏差的位置陀螺。由于光学、

MEMS等技术被引入于陀螺仪的研制，现在习惯上把能够完成陀螺功能的装置统称为陀螺。陀螺仪种

类多种多样，按陀螺转子主轴所具有的进动自由度数目可分为二自由度陀螺仪和单自由度陀螺仪；按

支承系统可分为滚珠轴承支承陀螺，液浮、气浮与磁浮陀螺，挠性陀螺(动力调谐式挠性陀螺仪)，静

电陀螺；按物理原理分为利用高速旋转体物理特性工作的转子式陀螺，和利用其他物理原理工作的半

球谐振陀螺、微机械陀螺、环形激光陀螺和光纤陀螺等。

单自由度陀螺仪敏感角速度，二自由度陀螺仪敏感角位移。为了将角速度和角位移转换成惯性系

统中可用的信号，陀螺仪需安装信号传感器。为了能控制陀螺仪按一定的规律进动，需安装力矩器。

4.加速度计

加速度计是惯性导航系统的核心元件之一。依靠它对比力的测量，完成惯性导航系统确定载体的

位置、速度以及产生跟踪信号的任务。载体加速度的测量必须十分准确地进行，而且是在由陀螺稳定

的参考坐标系中进行。在不需要进行高度控制的惯导系统中，只要两个加速度计就可以完成以上任务，

否则是应该有三个加速度计。

丈夫志四方，有事先悬弧，焉能钧三江，终年守菰蒲。——《顾炎武》
以家为家，以乡为乡，以国为国，以天下为天下。——《管子·牧民》

加速度计的分类：按照输入与输出的关系可分为普通型、积分性和二次积分型；按物理原理可分

为摆式和非摆式，摆式加速度计包括摆式积分加速度计、液浮摆式加速度计和挠性摆式加速度计，非

摆式加速度计包括振梁加速度计和静电加速度计；按测量的自由度可分为单轴、双轴、三轴；按测量

精度可分为高精度(优于10−4m/s2)、中精度(10-2m/s2–10-3m/s2)和低精度(低于s2)。

5.平台式惯性导航系统

根据建立的坐标系不同，又分为空间稳定和本地水平两种工作方式。空间稳定平台式惯性导航系

统的台体相对惯性空间稳定，用以建立惯性坐标系。地球自转、重力加速度等影响由计算机加以补偿。

这种系统多用于运载火箭的主动段和一些航天器上。本地水平平台式惯性导航系统的特点是台体上的

两个加速度计输入轴所构成的基准平面能够始终跟踪飞行器所在点的水平面(利用加速度计与陀螺仪

组成舒拉回路来保证)，因此加速度计不受重力加速度的影响。这种系统多用于沿地球表面作等速运动

的飞行器(如飞机、巡航导弹等)。在平台式惯性导航系统中，框