《慣性導航簡介》

《慣性導航簡介》慣性導航簡介

——《導航概論》課程論文

專業(yè)：測繪工程A組姓名：師嘉奇學號：2024301610091

一.

首先，我們可以通過兩個英文的句子來也許了解一下究竟什么是導航“whenamI？”和“Howandwhentogetthere?”，這兩個問題問的是我現(xiàn)在在哪？我要怎么到那里去？它們也指出了導航的內(nèi)涵，那就是在哪，怎樣去，多久到達。因此，通過科學的定義，將航行載體從起始點引導到目的地的過程稱為導航，導航系統(tǒng)給出的基本參數(shù)是載體在空間的即時位置、速度和姿勢、航向等，導航參數(shù)的確定由導航儀或?qū)Ш较到y(tǒng)完成。通過這種技術引導載體方向的過程即為導航。導航是解決人，大事，目標相互位置動態(tài)關系隨時間變化的科學，技術，工程問題。

在室外或者自然環(huán)境中的導航，根據(jù)載體運動的范圍，可分為海陸空天(海洋、陸地、空中、空間)導航四類；根據(jù)所采納的技術，常用的導航方法有，天文導航、慣性導航、陸基無線電導航、衛(wèi)星導航、特征匹配幫助導航（如地形匹配、地磁匹配、重力匹配)等，以及上述導航方法之間的不同組合（組合導航）。室內(nèi)定位導航作為當今導航技術進展的個重要分支，它借鑒室外導航的相關技術，同時結合現(xiàn)代通信技術、網(wǎng)絡技術傳感器技術以及計算機技術的最新進展，已經(jīng)成為一個重要的討論熱點并在人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪兄鸩降玫綉?。室?nèi)導航與自然環(huán)境中的導航既有聯(lián)系又有其自身的特點，其主要差異是來自于應用環(huán)境及所采納的技術方法不同。

導航系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)：指示狀態(tài)和自動導航狀態(tài)。如導航設備供應的導航信息僅供駕駛員操縱和引導載體用，則導航系統(tǒng)工作為指示狀態(tài)，在指示狀態(tài)下，導航系統(tǒng)不直接對載體進行掌握，假如導

航系統(tǒng)直接供應信息給載體的自動駕駛掌握系統(tǒng)，由自動駕駛系統(tǒng)操縱和引導載體，則導航系統(tǒng)工作于自動導航狀態(tài)。在這兩種工作狀態(tài)下，導航系統(tǒng)的作用都只是供應導航參數(shù)，“導航”的含義也側重于測量和供應參數(shù)。

導航有許多種技術途徑，如無線電導航，天文導航，慣性導航等可實現(xiàn)相應的導航任務，在這些導航技術中，慣性導航占有特別的地位，慣性導航具有高度自主的突出優(yōu)點，以牛頓力學為理論基礎，只依靠安裝在載體內(nèi)的慣性測量傳感器陀螺，加速度計和相應的配套裝置建立基準坐標系,進而獲得載體的加速度，推算速度位置等導航參數(shù)。另外，現(xiàn)代運載體的高精度、長時間、遠程導航等導航要求不斷提高，單純慣性導航不能完全滿意，采納現(xiàn)代掌握理論信息融合方法，以軟硬件快速進展的計算機為計算工具，將慣導系統(tǒng)和其他導航系統(tǒng)綜合，構成以慣性導航為主，其他導航手段為輔的組合導航系統(tǒng)，應用日益廣泛。以制導技術為例，制導技術可以分為航路規(guī)劃和目標跟隨兩部分，其中航路規(guī)劃是依據(jù)地理參考系，物體所在的位置和目標方位計算物體到達目的地的合理路徑，目標跟隨是通過導引系統(tǒng)測量物體與目標相對位置，計算導航參數(shù)，最終到達目標的過程。在當今社會，制導技術有著特別廣泛的應用。

當然，談到導航，也不完全都是高科技，在我們的身邊，就有特別多的導航原理的應用，以動物界的導航現(xiàn)象為例，動物界存在著主動式和被動式兩種導航的方式，詳細來說，例如蝙蝠采納回波定位的方式進行導航，沙蟻通過偏振光導航，信鴿則采納的是地磁導航；當

然，作為高等生物的人類，也具有很強的導航力量，人們通過太陽高度角熟悉季節(jié)，通過晝夜交替推斷時間，通過日出日落推斷東南西北，在人類的身體中，具有位置細胞，頭部方向細胞和網(wǎng)格細胞，這些細胞都可以關心人類進行導航。因此，導航在我們生活的世界里無處不在，是一門特別重要的學科。

三.慣性導航簡介

通過上面的介紹，我們可以發(fā)覺，在現(xiàn)代導航技術中，慣性導航具有特別重要的地位，這是由于慣性導航是一種完全自主式的先進的導航系統(tǒng)，它是依據(jù)牛頓力學定律，利用慣性器件來測量運載體本身的加速度，經(jīng)過一次積分得到物體的速度，在經(jīng)過一次積分得到物體的位移即地理位置。他能供應運載體姿勢，速度和位置的導航信息，并且和外界不發(fā)生任何光電關系，因此隱藏性好，工作不受氣象條件的限制。這一獨立的優(yōu)點使其成為航空航天航海領域中的一中廣泛應用的主要導航方法。下面對慣性導航進行介紹。

1.導航系統(tǒng)的理論基礎

（1）1687年牛頓提出了力學和引力定律，是慣性技術的基礎；（2）1765年俄國歐拉院士出版了“剛體繞定點轉(zhuǎn)動的理論”的書，是陀螺儀理論的基礎。

2.觀星測量的基本原理

（1）牛頓第肯定律：物體在不受外力的狀況下，始終保持靜止后勻速直線運動狀態(tài)；

（2）牛頓其次定律：在宏觀低速的狀況下，物體的合外力等于物體的質(zhì)量與加速度的乘積即F=m*a；

（3）牛頓定律在慣性空間始終成立。

3.慣性導航主要內(nèi)容

慣性導航所要解決的基本問題是不斷確定載體的姿勢、速度和位置。任何物質(zhì)的運動和變化，都是在空間和時間中進行的。物體的運動或靜止及其在空間的位置。是指它相對另一物體而言。這就是說，在描述物體的運動時，必需選定一個或幾個物體作為參考系。當物體對于參考系的位置有了變化時，就說明該物體發(fā)生了運動；反之，假如物體對于參考系沒有發(fā)生任何位置變化，就說明該物體是靜止的。

慣性導航是通過采納慣性儀表或裝置（陀螺和加速度計），實時測量載體運動相對某一空間基準的三維空間導航坐標系中的加速度，經(jīng)計算得到載體的實時速度、位置以及姿勢信息。為了保證加速度計的輸出是導航坐標系中的矢量，依據(jù)構建導航坐標系方法和途徑的不同，可將慣性導航系統(tǒng)分為兩種類型：一種是采納物理平臺模擬導航坐標系的系統(tǒng)，稱為平臺式慣性導航系統(tǒng)；另一種是采納數(shù)學算法確定導航坐標系的系統(tǒng)，稱為捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)。平臺式慣性導航系統(tǒng)采納陀螺穩(wěn)定平臺來始終跟蹤所需要的導航坐標系，以解決安裝在穩(wěn)定平臺上的加速度計輸出信號的基準問題。例如，當選擇當?shù)厮?/p>

坐標系為導航坐標系時，通過陀螺的作用使平臺始終跟蹤當?shù)厮矫妫齻€直角坐標軸始終指向東、北、天方向，沿這三個坐標軸安裝的加速度計分別測量出載體沿東西、南北和垂直方向的運動加速度。

將這三個方向上的加速度重量分別積分，便可以得到載體沿這三個方向的速度重量，即

將這三個方向上的速度重量再分別積分，便得到載體沿這三個方向的位置重量。載體在地球上的位置用經(jīng)度L、緯度B和高程H表示，它們的時間變化率可由載體沿東、北和垂直方向的運動速度計算得到：

)()()()t(Φ

cos)()

()(.

..

tvtHhMtvBhNtvtLune=+=+=其中，M,N分別為地球參考橢球的子午圈曲率半徑和卯酉圈曲率半徑。當將地球近似看成一個半徑為R的圓球時，則有M=N=R。

在慣性導航系統(tǒng)中，陀螺供應載體的姿勢轉(zhuǎn)變量或它相對慣性空間的轉(zhuǎn)動速率。但是，加速度計卻不能夠?qū)⑤d體的總加速度即相對慣性空間的加速度與地球引力場引起的加速度分別。這些傳感器實際上供應的測量值是相對慣性空間的加速度與引力場吸引產(chǎn)生的加速度的代數(shù)和，簡稱比力(SpecificForce)。不論是平臺式慣導系統(tǒng)，還是捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)，都要用到比力方程。所以，對于慣性導航系統(tǒng)而言，需要聯(lián)合有關載體轉(zhuǎn)動測量值、比力和引力場的學問來計算相對于事先定義的參考框架中姿勢、速度和位置的估量值，以實現(xiàn)其導航功能。

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作為一種導航系統(tǒng)，慣性導航也有自己的不足之處，它也存在誤差在分析慣導系統(tǒng)的工作原理時，是將慣導系統(tǒng)看成為一個抱負的系統(tǒng)。比如，認為指北方位系統(tǒng)的平臺系真實地模擬了地理系。但在實際慣導系統(tǒng)中，慣性元件、元件安裝以及系統(tǒng)的工程實現(xiàn)中各個環(huán)節(jié)都不行避開地存在誤差。在這些誤差因素影響下，慣導系統(tǒng)輸出的導航參數(shù)不行避開地會有或大或小的誤差，沒有誤差的導航系統(tǒng)是不存在的。討論慣導系統(tǒng)誤差的目的在于：通過分析確定各種誤差因素對系統(tǒng)性能的影響，對關鍵元器件提出適當?shù)木纫?；另一方面，借助誤差分析，可以對系統(tǒng)的工作狀況和主要元部件的質(zhì)量進行評價；誤差分析的結論是建立初始對準的理論基礎，使慣導系統(tǒng)開頭工作時有一個精確的初始條件；通過分析誤差源對系統(tǒng)的影響，實行有效措施進行補償，達到提高慣導輸出參數(shù)精度的目的。慣性導航系統(tǒng)性能的誤差因素稱為誤差源，依據(jù)誤差產(chǎn)生的緣由和性質(zhì)，慣性導航的誤差源可以分為下面幾種：

（1）元件誤差：它包括加速度計和陀螺儀的不完善所引起的誤差，主要指陀螺的漂移和加速度計的零位偏差，以及兩個元件的刻度因數(shù)誤差。

（2）安裝誤差：指加速度計和陀螺安裝到平臺臺體上的不精確?????性造成的誤差。

（3）初始條件誤差：指初始對準及輸入計算機的初始位置、初始速度不準所形成的誤差。

（4）計算誤差：測由于導航計算機的字長限制和量化器的位數(shù)限制

等所造成的計算誤差。

（5)原理誤差：也叫編排誤差。是由于力學編排中數(shù)學模型的近似，地球外形的差別和重力特別等引起的誤差。例如、用旋轉(zhuǎn)橢球體近似作為地球的模型，在導航參數(shù)的計算中就會造成誤差；力學編排時忽視高度通道造成誤差等。

（6）外干擾誤差：包括兩個方面：一是由于飛機機動飛行時的沖擊及振動引起的加速度干擾；二是與慣導系統(tǒng)交聯(lián)的其他導航設備帶來的方位誤差和位置及速度誤差。

慣性導航的誤差源不是彼此孤立的。依據(jù)他們的來源、性質(zhì)和對系統(tǒng)的影響，可以將其中的某幾類歸劃到另幾類中去，也可舍去一些次要因素，從而使問題的分析簡潔明白。理論和實踐證明，對慣性系統(tǒng)的工作性能影響較大的還是元件誤差、安裝誤差和初始條件誤差。因此，為了減弱這些誤差對慣性導航系統(tǒng)的影響，我們需要通過誤差改正方程去提高導航的精度。

慣性導航具有許多優(yōu)點，在許多方面都發(fā)揮著重要的作用，當前，慣性技術正處于第四代進展階段，其目標是實現(xiàn)高精度、高牢靠性、低成本、小型化、數(shù)字化、應用領域更加廣泛的導航系統(tǒng)。一方面，陀螺的精度不斷提高，漂移量可達10-6°/h；另一方面，隨著RLG、FOG、MEMS等新型固態(tài)陀螺儀的漸漸成熟，以及高速大容量的數(shù)字計算機技術的進步，SINS在低成本、短期中精度慣性導航中呈現(xiàn)出取代平臺式系統(tǒng)的趨勢。

航天飛機、宇宙飛船、衛(wèi)星等民用領域及在各種戰(zhàn)略、戰(zhàn)術導彈、軍用飛機、反潛武器、作戰(zhàn)艦艇等軍事領域開頭采納動力調(diào)諧式陀螺、激光陀螺和光纖式陀螺的捷聯(lián)慣導系統(tǒng)，尤其是激光陀螺和光纖式陀螺是捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的抱負器件。激光陀螺具有角速率動態(tài)范圍寬、對加速度和震驚不敏感、不需溫控、啟動時間特殊短和牢靠性高等優(yōu)點。組合導航系統(tǒng)通常以慣導系統(tǒng)作為主導航系統(tǒng)，而將其他導航定位誤差不隨時間積累的導航系統(tǒng)如無線電導航、天文導航、地形匹配導航、GPS等作為幫助導航系統(tǒng)，應用卡爾曼濾波技術，將幫助信息作為觀測量，對組合系統(tǒng)的狀態(tài)變量進行最優(yōu)估量，以獲得高精度的導航信號。組合導航系統(tǒng)不僅在民用上而且在軍事上均具有重要意義。

慣性導航系統(tǒng)能測量飛機各種導航參數(shù)，如位置、地速、航跡角、偏航角、偏航距離、風向、風速等；也能測量姿勢參數(shù)，如俯仰角、傾斜角和航向等；與飛機其他掌握系統(tǒng)協(xié)作，能完成對飛機的人工或自動駕駛。慣性導航系統(tǒng)的優(yōu)點是完全自主式的導航系統(tǒng)和系統(tǒng)校準后短時定位精確度高。慣性導航系統(tǒng)的缺點是：存在積累誤差，隨時間定位精度低。慣性導航系統(tǒng)往往在現(xiàn)代飛機上與大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)結合，稱為大氣數(shù)據(jù)參照系統(tǒng)。

慣性導航技術在國防科技中占有特別重要的地位，廣泛的運用于航天、航空、航海等軍事領域；隨著慣性技術和計算機技術的不斷進展以及成本降低，近幾年來，很多國家將其應用領域擴大到民用領域，

并進展開拓了更寬闊的前景，例如廣泛應用于地震、地籍、河流、油田的測量以及攝影、繪圖和重力測量等方面。

慣性導航系統(tǒng)在軍事上的運用是最為廣泛的，代表了最為先進的慣性導航技術。慣性制導的中遠程導彈，一般來說命中精度的７０％左右取決于慣性導航系統(tǒng)的精度，它基本上打算了導彈是否能打準的問題。對于核潛艇，由于潛航時間長，其位置和速度是變化的，而這些數(shù)據(jù)又是的潛艇初始狀態(tài)參數(shù)，直接影響潛艇導彈的命中精度，因而需要供應高精度的位置、速度等信號，而唯一能滿意這一要求的導航設備就是慣性導航系統(tǒng)。又比如，戰(zhàn)略轟炸機，由于要求它經(jīng)過長時間遠程飛行后，仍能保證精確?????投放武器而命中目標，只有使用慣性導航系統(tǒng)才是最為合適的，由于這樣不依靠外界信息，隱藏性好，不易受到外界干擾，又不會因沿途經(jīng)海洋、過沙漠而影響導航精度。這三大戰(zhàn)略武器，假如沒有精確的慣性制導或慣性導航協(xié)作，就不行能發(fā)揮其應有的戰(zhàn)略威懾力氣。同樣，對于各種巡航導彈、戰(zhàn)術導彈、艦艇、殲擊機、轟炸機、坦克等武器，也只有配備了慣性導航系統(tǒng)才能有效地發(fā)揮其戰(zhàn)斗力。正因如此，國外新機生產(chǎn)無不裝備慣性導航系統(tǒng)。

慣性導航技術不斷拓展到新的應用領域，其范周已經(jīng)由原來的陸地車輛、船舶、艦艇、航空飛行器等擴展到了大地測量、資源勘測、地球物理測量、海洋探測、鐵路、隧道、航天飛機、星際探測、制導武器等各個方面，尤其實在軍事戰(zhàn)斗方面，海灣戰(zhàn)斗和伊拉克戰(zhàn)斗中，以軍和美軍就采納了GPS／INS作為中段制導，紅外成像、地形輔

助、圖像匹配作為末段制導的復合式制導方式的精確制導武器如，SLAM和“戰(zhàn)斧”巡航導彈，聯(lián)合直接攻擊彈藥(JDAM)等在戰(zhàn)斗中發(fā)揮強大的摧毀性作用。在我們?nèi)粘Ｉ钪械谋貍溆闷分?，如：攝影機、兒童玩具中慣性導航技術也被廣泛應用。在慣性導航系統(tǒng)討論方面，價格低廉且體積小和高精度、高性能的慣性傳感器，是將來一段時間內(nèi)的進展方向。慣性導航技術將在將來導航定位系統(tǒng)中扮演非常重要角色。

1990年月以后，慣導系統(tǒng)和GPS的互補性在各種國際學術會議和科技文獻中得到反復強調(diào)，由于與其他導航系統(tǒng)相比，GPS在精度上具有壓倒性的優(yōu)勢，但慣性系統(tǒng)的完全自主的特性是GPS所不具備的，所以，慣導與GPS相組合已成為導航領域的重要進展方向。隨著航行體機動性的增大、航程加長、牢靠性要求的增高，均要求實現(xiàn)多信息的組合提高導航系統(tǒng)的余度和容錯力量。因此，消失了地形幫助慣性導航系統(tǒng)、多普勒慣性組合導航系統(tǒng)、合成孔徑雷達慣性組合導航系統(tǒng)（INS/SAR）等多種組合導航方式，它們各自取長不短，不僅使組合后的導航精度要高于兩個系統(tǒng)單獨工作的精度，而且擴大了系統(tǒng)的使用范圍，增加了系統(tǒng)的牢靠性。

四.對導航應用的設想

通過這學期的導航概論課程的學習，結合自己在這學期對無人機的使用，我認為導航技術可以在無人機上面發(fā)揮更大的作用，現(xiàn)在比較先進的無人機都具有自主導航的功能就是在WiFi傳圖信號不好或

者外界干擾較強的狀況下，無人機會不受遙控器掌握，但是一旦消失這種狀況，無人機就會很平安的自動返航，這就要求無人機本身可以記得之前飛過的位置，路線，并能夠從當前位置自主導航至起飛點，從而保證設備和數(shù)據(jù)的平安。但是現(xiàn)在的無人機在一些較為簡單的狀況下的飛行還是不太穩(wěn)定，即時能夠在這樣的環(huán)境中飛行，如高樓林立的城市，偏遠的山區(qū)，這些信號干擾比較劇烈或者信號特別不好的地方，無人機的成本特別高，為了節(jié)省成本，我們必需要找到特別穩(wěn)定的導航系統(tǒng)，在較為簡單的環(huán)境中也能精確導航，使無人機平安快速的飛行。

在高校校內(nèi)中，每天有許多同學點外賣，所以我們常常能看到路上有許多疾馳而過的電動車，這些電動車看起來是為同學們供應了很大的便利，但是在校內(nèi)里駕駛電動車穿梭總是會帶來擔心全的因素，因此，我認為可以嘗試使用無人機進行外賣的送餐，可以在每個宿舍樓的頂層設計停機坪，由無人機進行外賣的配送，這樣不僅僅能削減校內(nèi)中的電動車數(shù)量，保障同