捷联导航系统 p15起

捷联式惯性导航(strap-down inertial navigation) ，捷联（strap-down）的英语原义是“捆绑”的意思。因此捷联式惯性导航也就是将惯性测量元件（陀螺仪和加速度计）直接装在飞行器、舰艇、导弹等需要诸如姿态、速度、航向等导航信息的主体上，用计算机把测量信号变换为导航参数的一种导航技术。现代电子计算机技术的迅速发展为捷联式惯性导航系统创造了条件。惯性导航系统是利用惯性敏感器、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式航位推算导航系统。在工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰破坏。它完全是依靠载体自身设备独立自主地进行导航，它与外界不发生任何光、声、磁、电的联系，从而实现了与外界条件隔绝的假想的“封闭”空间内实现精确导航。所以它具有隐蔽性好，工作不受气象条件和人为的外界干扰等一系列的优点，这些优点使得惯性导航在航天、航空、航海和测量上都得到了广泛的运用[1] ### 捷联导航系统详解 #### 一、绪论 随着计算机技术和微电子技术的飞速进步，捷联惯性导航系统作为一种先进的导航技术，已经逐渐成为了许多领域中的关键技术之一。捷联惯导系统（SINS）的概念最早出现在20世纪60年代初，并在1969年的“阿波罗13号”任务中因其卓越的表现而被世人所熟知，当时该系统作为应急备份装置，在服务舱爆炸的情况下成功引导飞船返回地球，这一事件成为了捷联惯导系统发展历程中的一个重要里程碑。 #### 二、捷联惯导系统的基本概念 **捷联式惯性导航**是一种将惯性测量单元（IMU）包括陀螺仪和加速度计直接安装在载体（如飞行器、舰船或导弹等）上的导航技术。这些传感器测量载体相对于惯性空间的变化，然后通过计算机将这些变化转换为导航参数，如姿态、速度和航向等。 #### 三、捷联惯导系统的工作原理及特点 1. **工作原理**： - 惯导系统基于牛顿力学定律，通过测量载体在惯性参考系中的加速度，并对其进行积分处理，最后将其变换到导航坐标系中，以获取速度、位置等导航参数。 - 对于捷联惯导系统来说，其核心在于使用计算机内部构建的数学平台来替代传统的物理平台，实现对载体姿态和位置的精确计算。 2. **特点**： - **高隐蔽性**：惯导系统在工作时不依赖外界信息，也不向外发射能量，具有极高的隐蔽性。 - **适应性强**：能够在多种环境中运行，包括空中、地面、水下等。 - **自主性强**：完全依赖于载体自身的设备进行导航，与外界条件隔绝，适用于各种复杂环境。 - **准确性高**：能够提供精确的导航信息，特别是在远程导弹、飞机等武器平台的应用中尤为重要。 #### 四、捷联惯导系统与平台式惯导系统的区别 1. **平台式惯导系统**： - 具有实体的物理平台，用于跟踪导航坐标系。 - 陀螺仪和加速度计安装在该平台上，平台本身通过电机驱动以保持稳定。 - 态度数据直接从平台的环架获取。 2. **捷联惯导系统**： - 无需实体物理平台，惯性元件直接固定在载体上。 - 计算机内部构建数学平台来模拟物理平台的功能。 - 载体姿态数据通过软件算法计算得出。 #### 五、捷联惯导系统的独特优势 1. **简化结构**：相比平台式惯导系统，捷联惯导系统去掉了复杂的机械平台结构，极大地减小了系统的体积和重量，降低了成本，提高了可靠性。 2. **快速启动**：由于没有机械平台，捷联惯导系统可以在短时间内完成启动准备工作，减少了与平台系统相关的误差。 3. **全姿态工作**：没有框架锁定限制，捷联惯导系统可以实现全方位（全姿态）的工作能力。 4. **提供更多参数**：除了提供平台式系统所能提供的导航参数外，还能提供弹体三个轴的速度和加速度信息。 #### 六、面临的挑战与未来发展趋势 尽管捷联惯导系统具有显著的优势，但也面临着一些挑战，比如： 1. **环境适应性**：由于惯性元件直接安装在载体上，工作环境较为恶劣，对传感器的性能和可靠性提出了更高的要求。 2. **计算能力**：为了确保大攻角下的计算精度，需要具备高速度和大容量的计算机支持。 未来，随着微电子技术和计算机技术的不断进步，捷联惯导系统的性能将进一步提升，应用范围也将更加广泛。例如，结合GPS或其他导航系统形成组合导航系统，将进一步提高导航精度和可靠性。此外，随着小型化、轻量化趋势的发展，捷联惯导系统有望在更多领域得到应用。