惯性导航与GPS
一．导航的定义 导航三要素 导航系统工作状态 未来导航特点及发展趋势 导航的定义：即是要获取载体的三个基本运动参数或其中一部分参数。
导航三要素：位置.速度.姿态。
导航系统工作状态：（1）指示状态
（2）自动导航状态
未来导航特点及发展趋势：（1）特点：高精度，长时间，远程，高可靠性，航行控制系统与 导航系统的组合。
（2）发展趋势：随着科学的发展和导航需求的提高，导航系统向 综合化，全天候，高精度，高可靠性，高自主性，智能容错， 的全信息融合发展。
二．地心惯性系 地球系 地理系 载体系 导航系
导航系：惯性导航系统求解导航参数时所用坐标系。
三．GPS的目的 组成 功能 特点
目的：用来实现全球范围内，连续、实时的三维导航。
组成与功能：（1）空间星座：由24颗卫星提供星历和时间信息；发射伪距和载波信号； 提供其他辅助信息。
（2）地面监控：中心控制系统；实现时间同步；跟踪卫星并进行定轨。
（3）用户设备：接受并观测卫星信号；记录和处理数据；提供导航定位信息。 特点：（1）全球范围连续覆盖
（2）实时定位
（3）定位精度高
（4）效率高
（5）应用广泛
四．天球定义 天极 天球赤道面 黄道 黄极 春分点 岁差 章动 历元
天球定义：以地球质心为中心，半径无穷大的理想球体。
天极：天轴与天球表面交点。平天极：扣除了章动影响的天极
真天极：包含岁差和章动影响的瞬时位置的天极。
天球赤道面：通过地球质心并与天轴垂直的平面。
黄道：地球绕太阳公转轨道平面与天球表面相交的大圆。
黄极：过天球中心且垂直于黄道平面的直线与天球表面的交点。
春分点：太阳沿黄道作周年视运动，自南半球向北半球运行，黄道与天球赤道的交点。
岁差：平北天极以北黄极为中心顺时针旋转，自转轴绕北黄极画出一个圆锥，锥角等于黄赤 交角ε。岁差即是春分点每年在黄道上西移的现象。
章动：真北天极绕平北天极作顺时针椭圆运动。
历元：起始时刻。
五．平天球系到平地球系的转换
六．伪距 惯性导航 三维惯性导航基本原理
伪距：GPS测量的卫星到用户的实际距离。
惯性导航：用陀螺仪和加速度计提供的测量数据，确定所在运载体的位置的过程。
三维惯性导航基本原理：要确定运载体相对于一个三维参考坐标系的位置；需要用陀螺来测 量运载体绕3个轴的角速率，而需要3个加速度计来测量运载体沿 3个轴的加速度分量；陀螺仪提供的测量值用于确定运载体相对于 需要导航的参考坐标系的姿态和方位；姿态和方位信息用于把加速 度测量值分解到参考坐标系中。分解后的加速度值经两次积分，即 可获得运载体在参考坐标系里的速度和位置。
七．定轴性与表观运动 进动性（详见板书）
陀螺的表观运动
陀螺的进动性
以上方程说明：当双自由度陀螺在某一环架轴上作用有力矩M
时，陀螺绕另一环架轴以 作进动运动。
M
H 角动量 H以最短路径倒向外力矩 M，由此确定进动角速度的方向。 进动角速度大小为
进动性：在陀螺仪上施加外力矩M，会引起陀螺角动量H相对惯性空间转动的特性。
八．陀螺稳定平台（定义 功能） 指示式陀螺稳定平台 动力式陀 螺稳定平台 稳定回路 修正回路
定义：以陀螺为敏感元件，能隔离基座的角运动，并能使被控对象按指令旋转的机电控制系 统。
功能：（1）稳定
（2）跟踪
指示式陀螺稳定平台：安装在台体上的陀螺属角位置陀螺，不产生陀螺力矩，干扰力矩全由 伺服力矩对消。
动力式陀螺稳定平台：陀螺力矩只在平台系统的过渡过程中参与对消干扰力矩，当平台系统 达到稳定后，干扰力矩则全由伺服力矩对消。
稳定回路：抵消沿平台稳定轴方向的干扰力矩，保证平台相对惯性空间稳定，使其仅做平动， 不作转动。
修正回路：向陀螺提供施矩信号，使平台跟踪由于载体运动造成的当地垂线（当地水平面） 的偏离运动，保证平台始终与当地水平面平行。（平台仅作转动）
九．惯性导航系统定义 平台式惯导系统 捷联式惯导系统 惯性导航系统定义：是以陀螺和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统。
平台式惯导系统：采用物理平台模拟导航坐标系的系统。
捷联式惯导系统：陀螺和加速度计直接固联在运载体上，采用数学方法确定出导航坐标系的 系统。
十．舒勒调谐 单摆推导舒勒调谐原理 单轴惯导平台系统实现舒
勒调谐
舒勒调谐：一个指示垂线的装置，若其固有振荡周期为84.4分钟，则当运载体在地球表面 以任意方式运动时，此装置将不受运载体加速度的干扰，即为舒勒原理。通过选 择参数使之满足舒勒原理，则为舒勒调谐。
单摆推导舒勒调谐原理（详见板书）
单轴惯导平台系统实现舒勒调谐（详见板书）
十一．比力 比力方程的推导（详见板书）
比力定义：加速度计所测结果为比力。
地球旋转引起的加速度
十二．对准 姿态更新 捷联惯导系统原理
对准：确定惯导系统各坐标轴相对参考坐标系指向的过程。 姿态更新：根据惯性器件的输出实时计算出运载体的姿态矩阵。
捷联惯导系统原理：（1）陀螺仪测得角速度，对时间积分得到姿态角；
（2）用姿态角把加速度计测量到的比力分解到导航坐标系；
（3）重力加速度与比力结合，得到运载体的加速度；
（4）加速度经积分得到运载体的速度、位置。
十三．惯性组合导航原理 INS-GPS紧耦合
组合导航原理 ：利用两个或多个导航系统的互补特性，以产生一个比任何一个独立工作的 分系统更高精度的系统。
INS-GPS紧耦合：（1）GPS卡尔曼滤波器是组合滤波器的一部分。
（2）组合滤波器接受GPS跟踪回路提供的伪距测量值，这些值用于生成 INS中的误差估值。
（3）修正的INS导航数据形成组合导航数据，且修正的数据与原始INS 数据都可用于辅助GPS跟踪。
惯性导航与GPS
一．导航的定义 导航三要素 导航系统工作状态 未来导航特点及发展趋势 导航的定义：即是要获取载体的三个基本运动参数或其中一部分参数。
导航三要素：位置.速度.姿态。
导航系统工作状态：（1）指示状态
（2）自动导航状态
未来导航特点及发展趋势：（1）特点：高精度，长时间，远程，高可靠性，航行控制系统与 导航系统的组合。
（2）发展趋势：随着科学的发展和导航需求的提高，导航系统向 综合化，全天候，高精度，高可靠性，高自主性，智能容错， 的全信息融合发展。
二．地心惯性系 地球系 地理系 载体系 导航系
导航系：惯性导航系统求解导航参数时所用坐标系。
三．GPS的目的 组成 功能 特点
目的：用来实现全球范围内，连续、实时的三维导航。
组成与功能：（1）空间星座：由24颗卫星提供星历和时间信息；发射伪距和载波信号； 提供其他辅助信息。
（2）地面监控：中心控制系统；实现时间同步；跟踪卫星并进行定轨。
（3）用户设备：接受并观测卫星信号；记录和处理数据；提供导航定位信息。 特点：（1）全球范围连续覆盖
（2）实时定位
（3）定位精度高
（4）效率高
（5）应用广泛
四．天球定义 天极 天球赤道面 黄道 黄极 春分点 岁差 章动 历元
天球定义：以地球质心为中心，半径无穷大的理想球体。
天极：天轴与天球表面交点。平天极：扣除了章动影响的天极
真天极：包含岁差和章动影响的瞬时位置的天极。
天球赤道面：通过地球质心并与天轴垂直的平面。
黄道：地球绕太阳公转轨道平面与天球表面相交的大圆。
黄极：过天球中心且垂直于黄道平面的直线与天球表面的交点。
春分点：太阳沿黄道作周年视运动，自南半球向北半球运行，黄道与天球赤道的交点。
岁差：平北天极以北黄极为中心顺时针旋转，自转轴绕北黄极画出一个圆锥，锥角等于黄赤 交角ε。岁差即是春分点每年在黄道上西移的现象。
章动：真北天极绕平北天极作顺时针椭圆运动。
历元：起始时刻。
五．平天球系到平地球系的转换
六．伪距 惯性导航 三维惯性导航基本原理
伪距：GPS测量的卫星到用户的实际距离。
惯性导航：用陀螺仪和加速度计提供的测量数据，确定所在运载体的位置的过程。
三维惯性导航基本原理：要确定运载体相对于一个三维参考坐标系的位置；需要用陀螺来测 量运载体绕3个轴的角速率，而需要3个加速度计来测量运载体沿 3个轴的加速度分量；陀螺仪提供的测量值用于确定运载体相对于 需要导航的参考坐标系的姿态和方位；姿态和方位信息用于把加速 度测量值分解到参考坐标系中。分解后的加速度值经两次积分，即 可获得运载体在参考坐标系里的速度和位置。
七．定轴性与表观运动 进动性（详见板书）
陀螺的表观运动
陀螺的进动性
以上方程说明：当双自由度陀螺在某一环架轴上作用有力矩M
时，陀螺绕另一环架轴以 作进动运动。
M
H 角动量 H以最短路径倒向外力矩 M，由此确定进动角速度的方向。 进动角速度大小为
进动性：在陀螺仪上施加外力矩M，会引起陀螺角动量H相对惯性空间转动的特性。
八．陀螺稳定平台（定义 功能） 指示式陀螺稳定平台 动力式陀 螺稳定平台 稳定回路 修正回路
定义：以陀螺为敏感元件，能隔离基座的角运动，并能使被控对象按指令旋转的机电控制系 统。
功能：（1）稳定
（2）跟踪
指示式陀螺稳定平台：安装在台体上的陀螺属角位置陀螺，不产生陀螺力矩，干扰力矩全由 伺服力矩对消。
动力式陀螺稳定平台：陀螺力矩只在平台系统的过渡过程中参与对消干扰力矩，当平台系统 达到稳定后，干扰力矩则全由伺服力矩对消。
稳定回路：抵消沿平台稳定轴方向的干扰力矩，保证平台相对惯性空间稳定，使其仅做平动， 不作转动。
修正回路：向陀螺提供施矩信号，使平台跟踪由于载体运动造成的当地垂线（当地水平面） 的偏离运动，保证平台始终与当地水平面平行。（平台仅作转动）
九．惯性导航系统定义 平台式惯导系统 捷联式惯导系统 惯性导航系统定义：是以陀螺和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统。
平台式惯导系统：采用物理平台模拟导航坐标系的系统。
捷联式惯导系统：陀螺和加速度计直接固联在运载体上，采用数学方法确定出导航坐标系的 系统。
十．舒勒调谐 单摆推导舒勒调谐原理 单轴惯导平台系统实现舒
勒调谐
舒勒调谐：一个指示垂线的装置，若其固有振荡周期为84.4分钟，则当运载体在地球表面 以任意方式运动时，此装置将不受运载体加速度的干扰，即为舒勒原理。通过选 择参数使之满足舒勒原理，则为舒勒调谐。
单摆推导舒勒调谐原理（详见板书）
单轴惯导平台系统实现舒勒调谐（详见板书）
十一．比力 比力方程的推导（详见板书）
比力定义：加速度计所测结果为比力。
地球旋转引起的加速度
十二．对准 姿态更新 捷联惯导系统原理
对准：确定惯导系统各坐标轴相对参考坐标系指向的过程。 姿态更新：根据惯性器件的输出实时计算出运载体的姿态矩阵。
捷联惯导系统原理：（1）陀螺仪测得角速度，对时间积分得到姿态角；
（2）用姿态角把加速度计测量到的比力分解到导航坐标系；
（3）重力加速度与比力结合，得到运载体的加速度；
（4）加速度经积分得到运载体的速度、位置。
十三．惯性组合导航原理 INS-GPS紧耦合
组合导航原理 ：利用两个或多个导航系统的互补特性，以产生一个比任何一个独立工作的 分系统更高精度的系统。
INS-GPS紧耦合：（1）GPS卡尔曼滤波器是组合滤波器的一部分。
（2）组合滤波器接受GPS跟踪回路提供的伪距测量值，这些值用于生成 INS中的误差估值。
（3）修正的INS导航数据形成组合导航数据，且修正的数据与原始INS 数据都可用于辅助GPS跟踪。