1、1 1 4 4 惯性导航基本原理惯性导航基本原理 国防科技大学国防科技大学 航天与材料工程学院航天与材料工程学院 2 2 4.1 引言 4.2 单自由度陀螺测量原理 4.3 加速度计测量原理 4.4 平台式惯性导航基本原理 4.5 捷联惯性导航基本原理 4.6 惯性导航误差分析 主要内容主要内容 3 3 4.1 引言 4.2 单自由度陀螺测量原理 4.3 加速度计测量原理 4.4 平台式惯性导航基本原理 4.5 捷联惯性导航基本原理 4.6 惯性导航误差分析 主要内容主要内容 4 4 （1）惯性导航系统功能 测量载体相对于惯性坐标系的加速度、角速度，通过 积分计算获取载体的导航信息。 （2）惯
2、性导航系统发展 以机械陀螺为敏感器件的惯性导航系统的发展； 以光学或微机电陀螺为敏感器件的惯性导航系统的发展。 5 5 （3）系统分类 平台式惯导系统、捷联式惯导系统 陀螺 加速度计 计算机导航信息 （4）系统组成 6 6 （5）惯导优点 依靠自身测量信息进行连续定位； 不需接收外部信息，不受外界干扰； 不向外部辐射能量，具有隐蔽性； 可同时确定载体位置/速度/姿态信息。 7 7 4.1 引言 4.2 单自由度陀螺测量原理 4.3 加速度计测量原理 4.4 平台式惯性导航基本原理 4.5 捷联惯性导航基本原理 4.6 惯性导航误差分析 主要内容主要内容 8 8 （2）陀螺分类 按测量物理机制分
3、：机械陀螺（液浮、挠性、静电） 光学陀螺（激光、光纤） 微机电陀螺 按自由度个数分： 单（双、三）自由度 （1）陀螺功能 敏感载体相对于惯性坐标系的角速度。 9 9 （3）机械式单自由度挠性陀螺 (M ) 挠性杆测角器 H O I 结构示意图 内环 外环 1010 机械式单自由度陀螺测量原理 若载体（外环）相对于惯性坐标系，绕 I（Input） 轴 以角速度匀速旋转，则转子绕 O（Output）轴进动，测角 仪测出相应进动角度（与成正比）。 单自由度 转子相对于载体（外环），除了可以绕 H 轴转动外， 还可绕 O 轴转动小角度。而自转轴仅能绕 O 轴旋转，并 根据其相对载体的转动自由度定义陀螺
4、仪的自由度。 1111 机械式双自由度陀螺结构示意图 外环 内环 外环轴 测角器 内环轴 测角器 转子 H 1212 Sagnac效应（1913年） 光束 1 的行程 传播时间 旋转条件下的行程差 光束 1、2 的行程差 （4）激光陀螺 r 光束1光束2 检测点 测量原理示意图 A B B 1313 激光陀螺结构示意图 谐振腔 激光束 激光管 平面镜 光电读出器 1414 光纤陀螺结构示意图 1515 激光陀螺 国内：0.002 /h 光纤陀螺 国外：0.001 /h 1616 4.1 引言 4.2 单自由度陀螺测量原理 4.3 加速度计测量原理 4.4 平台式惯性导航基本原理 4.5 捷联惯
5、性导航基本原理 4.6 惯性导航误差分析 主要内容主要内容 1717 （1）加速度计功能 测量载体相对于惯性坐标系的视加速度在体坐标系中的值。 （2）加速度计分类 摆式、摆式积分陀螺加速度计 1818 0 刻划 0 刻划 S S f a g （不受外力） （3）加速度计测量原理 1919 S 0 地球 加速度计不能敏感引力加速度 S 0 2020 加速度计 2121 4.1 引言 4.2 单自由度陀螺测量原理 4.3 加速度计测量原理 4.4 平台式惯性导航基本原理 4.5 捷联惯性导航基本原理 4.6 惯性导航误差分析 主要内容主要内容 2222平台式惯导系统示意图 Y平 Z平 X平 ay
6、ax az 2323 测量载体在惯性坐标系中的加速度，然后一次积分 得到速度，二次积分得到位置。 其中 ：视加速度，测量值； ：引力加速度。 2424 平台式惯导系统组成 2525 4.1 引言 4.2 单自由度陀螺测量原理 4.3 加速度计测量原理 4.4 平台式惯性导航基本原理 4.5 捷联惯性导航基本原理 4.6 惯性导航误差分析 主要内容主要内容 2626 陀螺、加速度计固联在载体上。 测量载体相对于惯性系的旋转角速度、加速 度矢量（在载体坐标系中的值）。然后依据初始 时刻载体的位置、速度及姿态，计算出载体坐标 系相对于惯性系的姿态角、加速度，对加速度一 次（二次）积分得到速度（位置）
7、。 2727 其中 ：b系至 i系的旋转变换矩阵； ：捷联陀螺测得的 b系相对于i系旋转角速度矢 量在 b系中的值， 为其轴向分量。 2828 i系： “数学平台”坐标系，b 系中的视加速度 测量值转换至该系，位置、速度参数在该 系中计算。 由角速度测量值及初始时刻转换矩阵、姿态角 ，可以计算任意时刻转换矩阵、姿态角。 2929 捷联式惯性导航系统的特点： n 陀螺仪动态范围大； n 导航计算量大； n 结构简单、体积小、重量轻、成本低等。 3030 4.1 引言 4.2 单自由度陀螺测量基本原理 4.3 加速度计测量原理 4.4 平台式惯性导航基本原理 4.5 捷联惯性导航基本原理 4.6
8、惯性导航误差分析 主要内容主要内容 3131 假设载体沿 y 轴方向做匀加速直线运动。 y x x y f o 3232 假设视加速度、角速度有常值误差 ，则 结论：惯导误差随时间迅速增加。 3333 三类误差：静态、动态、随机误差。 误差原因：惯性元件不尽完善，安装误差，温度 变化等。 应对措施：建立惯导误差模型，测试标定模型参 数，然后对惯导系统进行补偿。 3434 （1）分析法 依据工作原理，分析引起误差的物理机制，建立 相应数学模型，然后测试模型中的有关参数。模型中 各误差项都有明确的物理意义，故又称物理模型。 （2）试验法 以大量测试数据为依据，用纯数学方法建立拟合 数学模型，并辨识相应参数。 惯性元件误差模型的建立方法 3535 加速度计静态误差模型： 加速度计动态误差模型： 3636 陀螺仪静态飘移误差数学模型： 陀螺仪动态误差的数学模型： 3737 一种捷联惯导系统误差模型： 3838 模型越复杂，参数越多，则 （1）考虑越全面，越接近于真实的情况； （2）模型的正确性越难以验证，参数越难以标定 。 3939 思考题 1试述平台惯性导航系统测速、定位的基本原理。 2视加速度即为载体在惯性坐标系中的加速度吗？ 3捷联惯导系统的“数学平台”如何获取？
