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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：
2
一
.
摘要与关键字
1.
本文摘要：
本文主要对导航工程的基本内涵，
方法与原理进行简单
介绍，主要介绍有关惯性导航的相关内容，并且根据
在本学期《导航
概论》
这门课程上所学习的内容谈一谈自己对导
航应用的设想以及对
本课程教学的建议。
2.
关键字：惯性导航，定位技术，应用与服务，发展与前景
二
.
导
航工程基本内涵
导航定位的历史与人类自身发展的历史一样久
远。
人类的导航定位活
动源自于其生活和生产的需要。
陆地上的导航定位最早发生在人类祖
先外出寻找食物或狩猎的过程中，<
/p>
那时，
他们通常在沿途设置一些特
殊的“
标记”来解决回家迷路的问题。
随着探索遥远地域的愿望与行
动
的出现，他们则通过观察和利用自然地标（如山峰、河流、树木、
岩石等
)
以及自然天体
（恒星
)
来解决导航定位问题这也使得他们能够
翻越高山、跨越河流。
谈到导航，很多人会认为这是一个在近现代
才提出的词汇，但是，导航的历史已经非常久远了。从古代黄帝作战
使用的指南车，到战
国时期的司南，从近代航海使用的指南针，再到
当今社会人手一部的智能手机，导航已经
有了很悠久的历史。那么，
导航工程的基本内涵到底是什么呢？
首先，
我们可以通过两个英文的句子来大概了解一下到底什么是
导航“
when am
I
？”和“
How and when to get the
re?
”，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、速度和姿态、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，事件，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，
按照载体运动的范围，
可分为海陆空
天
(
海洋、陆地、空中、空间
)
导航四类；按照所采用的技术，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
征匹配辅助导航（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
技术发展的个重要分支，
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发展，
已经成
为一个重要的研究热点并在人们日常工作和生活中逐步得到应用。
室
< br>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用的技术方法不同。
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
备提供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控制，如果导
航系统直接提供信息给载体的自动驾驶控制系统，
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
都只是提供导航参数，
“导航”的含义也侧重于
测量和提供参数
。
导航有很多种技术途径，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，
惯性导航占有特殊的地
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足，
采用现代控制理论信息融合方法，
以软硬件迅速发展的计算机为
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，
其中航路规划是根据地理参考系，
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，最后到达目标的过程。在当今
社
会，制导技术有着非常广泛的应用。
当然，谈到导航，也不完
全都是高科技，在我们的身边，就有非
常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，
具体来说，
例如蝙蝠采用回波定位的
方式进行导航，沙蚁通过偏振光导航，信鸽则采用的是地磁导航；当
然，作为高
等生物的人类，
也具有很强的导航能力，人们通过太阳高
度角认
识季节，
通过昼夜交替判断时间，
通过日出日落判断东南西北，
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
胞都可以帮助人类进行导航。
因此，
导航在我们生活的世界
里无处不
在，是一门非常重要的学科。
三
.
惯性导
航简介
通过上面的介绍，我们可以发现，在现代导航技术中，
惯性导航
具有非常重要的地位，
这是因为惯性导航是一种完全自
主式的先进的
导航系统，
它是根据牛顿力学定律，
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。他能提供运载体姿态，速度和位置的导航信息，
并且和外界不发生任何光电关系，<
/p>
因此隐蔽性好，
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；
< br>（
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
）牛顿第一定律：物体在不受外力的情况下，
始终保持静止后匀
速直线运动状态；
（
2
）牛顿第二定律：在宏观低速的情况下，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态、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，
必须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，如果物
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。
惯性导航是通过采用惯性仪表或装置（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，
< br>经计
算得到载体的实时速度、
位置以及姿态信息。
为了保证加速度计的输
出是导航坐标系中的矢量，根据构建导航坐标系
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
用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；
另一种是采用数学算法确定导
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
用陀
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分量分别积分，
便可以得到载体沿这三个方
向的速度分量，即
v
e
(
t
k
)
?
v
< br>e
(
t
0
)
?
?
a
e
(
t
)
dt<
/p>
t
0
t
k
v
n
(
t
k
)
?
v
n
(
t
0
)
?
?
a
n
(
t
)<
/p>
dt
t
0
t
k
v
u
(
t
k
)
?
v
u
(
t
< br>0
)
?
?
a
u
(
t
)
dt
t
0
t<
/p>
k
将这三个方向上的速度分量再分别积
分，
便得到载体沿这三个方向的
位置分量。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：
v
e
(
t
)
(
N
?
h
)
cos
Φ
.
v
(
t
)
B
(
t
)
?
n
M
?<
/p>
h
L
(
t
)
?
.
H
(
t
)
?
v
u
(
t
)
.
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，
陀螺提供载体的姿态改变量或它相对惯性空
间的转动速率。
< br>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离。
这些传感器实际上
提供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<
/p>
(Specific
Force)
。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、
比力和引力场的知识来计算相
对于事先定义的参考框架中姿态、
速度和位置的估计值，
以实现其导
航功能。
< br>
作为一种导航系统，
惯性导航也有自己的不足之处，<
/p>
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理想的系
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、
< br>元件安装以及系统的工程实现中各个环节
都不可避免地存在误差。
在这些误差因素影响下，
惯导系统输出的导
航参数不可
避免地会有或大或小的误差，
没有误差的导航系统是不存
在的。
研究惯导系统误差的目的在于：
通过分析确定各种误差因素对<
/p>
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，可以对系统的工作情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，
使惯导系统开始工作时
有一个精确的
初始条件；
通过分析误差源对系统的影响，
采取有效措
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，
根据误差产生的
原因和性质，
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
平台台体上的不准确性造
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