居丁士导地位。由此，惯导系统的性能不断提高，结构类型日新月异。惯导系统可以有不同的分类方法.根据装备对象的不同，可分为舰载、机载和车载惯导系统。根据系统中有无机电式实体台，可分为平台式和捷联式惯导系统。根据陀螺稳定平台相对何种参考系稳定和加速度计安装方式的不同，可分为解析式、半解析式和几何式惯导系统。惯导系统也可按选用的陀螺仪类型的不同，分为液浮陀螺、三浮陀螺、挠性陀螺、静电陀螺和激光陀螺惯导系统。80年代以来，有些平台罗经产品具有短期惯导工作状态，生产厂商把它们也称之为平台式惯导系统。捷联式航向姿态基准系统（strapdown attitude&headingreference System）主要用于提供维姿态角和三维角速度信息，不提供位信息，其基本原理和主要结构与捷联式惯导系统没有差别。两者可统称为捷联式惯性系统。1.2惯性导航的基础知识为了便丁全书的论述和读者的理解，特对与惯性导航有关的基础知识作一概述。1.2.1地球形状地球的表面形状是不规则的，闪此不可能按真实表面来确定地球的形状，而只能以海平面为基准，并把平静的海平面延伸到全部陆地所形成的表面（即大地水准面），由它所包圈的几何体称为人地水准体或地球体。出于地球绕其极轴转动，所以在赤道平面内的半径R比极轴方向的半径Rm长，加上地球形状不规则和各处的质量不均，大地水准体只能视作：个近似的旋转椭球体。参考球的椭圆度（扇率）定义为RN-Ryf=R.日前，世界各国采用的参考球的参数列于表1.2.1。表1.2.1世界上部分参考球的参数名Ry/m1/f使用国家或地区克拉索夫斯基（1940）6378245298.3独联体1975年国际会议中国6 378 140298.257推荐的参考椭球贝案耳（1841）6 377 397299.15日本及中国台湾省克拉克（1866）6378206294.98北美海福特（1910)6 378 388297.00欧洲、北美、中近东WGS-84(1984)6 378 137全球298.257在简化计算中，地球可近似为圆球体，其半径采用平均半径R来代替。国际上惯用的地球平均半径R=6367.56km:2
1.2.2垂线和纬度由于地球的形状不规则，垂线和纬度具有不同的概念，所以个研究惯性航时，必须首先理解地球表面某点的垂线和纬度的定义。(1)地心垂线和地心纬度参考椭球上P。点（图1.2.1）至地球中心的连线P.0称为地心垂线，P.O与赤道平面之间的夹角L，称为地心纬度。YPN郁球体赤道平面KXoABPs图1.2.1垂线和纬度（2）地理垂线和地理纬度参考椭球上P。点的法线PaA称为地理垂线，PoA与赤道平面间的夹角L。称为地理纬度。地理纬度是大地测量工作中的重要参数，故又称为测地纬度，地理垂线又称测地垂线。本书除特别说明外，纬度L均指地理纬度。（3）天文垂线和天文纬度由天文方法测定的纬度L.，即参考椭球上Pe点的重矢量PoB与赤道平面之间的夹角，l,称为天文纬度，P.B为天文垂线。地理垂线和天文垂线之间的偏差般不超过30”，因此地理纬度和天文纬度之间可不娜区别。1.2.3导航用坐标系宇宙间任何物体的运动都是相对的，因此运载体的运动和导航定位，均需研究它们相对某坐标系的运动与位置。在惯性导航中常用的坐标系有下列8种：（1）地心惯性坐标系（简称i系）坐标系原点为O，设在地球的中心，X轴和Y轴在地球赤道平面内，X，轴指向春分点，Z轴指向地球极轴。春分点为天文测量中确定恒星时的起点。出此构成的右于直角坐标系OX,Y,Z,即为地心惯性坐标系。（2）地球坐标系（简称系）坐标系的原点取在地球中心，与地球固联，Z，轴指向地球极轴，X，轴和Y，轴位于赤道平面，且X，轴通过零子午线。由此构成的右手直角坐标系OXY,Z。即为地球坐标系。（3）地理坐标系（简称g系）坐标系的原点取在运载体的重心。X。轴指向北，即N；Yg轴指向东，即E；Z，轴指向地，即D，此时的地理坐标系常表示为右手直角坐标系ONED，即北东地坐标系。有时采用OENZ坐标系，即东北天坐标系，Z，轴指向天项。本书除特别说明外，均采用ONED坐标系。.3:
（4）游动方位坐标系（简称w系）某些运载体在导航定位或导航计算过程中，需采用与地理坐标系在水面内相差-·个固定角度α的坐标系。该坐标系的原点与多系相同，α角定义为X.轴反时针偏离X轴为正。由此，X.轴和X，轴均在水平面内，并相对X。轴和Y轴分别偏离α角α角称为游动方位角：（5）运载体坐标系（简称b系）坐标系的原点设在运载体的重心，并与运载体固联。Y，轴指向运载体的纵轴方向：Z，轴指向运载体的竖轴方向，由此构成的右于直角坐标系OX,Y,Z为运载体坐标系，可简称为载体坐标系。运载体为舰艇时，b系即为舰艇坐标系。（6）平台坐标系（简称P系）与惯导系统中的物理平台（平台式系统）或数学台（捷联式系统）固联的右手直角坐标系OXYZ，称为平台坐标系，（7）导航坐标系（简称n系）导航坐标系为惯导系统在求解导航参数时所采用的坐标系。对平台式惯导系统来说，理想的平台坐标系就是导航坐标系。指北半解析式惯导系统中平台的理想指向为地理坐标系，则该系统中的导航坐标系即采用地理坐标系。对捷联式惯导系统来说，导航参数并不一定在运载体坠标系内求解，可将加速度计的信号分解到某个求解导航参数较方便的坐标系内进行计算，则该坐标系即为导航坐标系。显然，地理坐标系是捷联式惯导系统常用的导航坐标系之一。（8）计算坐标系（简称心系）此种坐标系是为了便于研究惯导系统而人为引进的一种虚拟坐标系，是以计算所得的经纬度（入。，L）为原点0建立起来的地理坐标系OX。Y,Z.，它与运载体实际位置0点上建立的地理标系OX，Y，Z.不-致。两个坐标系之问的夹角为惯导系统的定位误差。平台坐标系OX,Y,Z,相对于地理坐标系OX,Y,Z的夹角为平台的姿态角@。平台坐标系OX,Y,相对于计算坐标系OX,YZ。的夹角称为里角。1.3惯导系统的基本原理对于靠近地球表面航行的运载体（如舰船、飞机，车辆和导弹等）来说，所需的主要导航参数为其相对于地球的即时位置、邸时速度和三维姿态角。以舰载惯导系统为例，所提供的导航参数为舰艇相对于地球的即时位置，通常用经度入、纬度L和深度（对潜艇、潜水器而言）h来表示，还可提供舰艇的即时速度VVr、V以及航向角6、纵摇角（飞机中称俯仰角）9、横摇角（飞机中称横滚角）0,。这些参数均可平台式惯导系统或捷联式惯导系统提供。1.3.1平台式惯导系统的基本原理平台式惯导系统（图1.3.1）要由陀螺稳定平台、导航计算机和控制显示器等部分组成。其中陀螺稳定平台用来在运载体上实体地建立所选定的导航坐标系，为加速度计提供精确的安装基准，使3个加速度计（水面舰艇用平台式惯导系统-·股只需2个加速度计）的测量轴始终沿着导航坐标系的3根坐标轴，以测取导航计算所需的运载体沿导航坐标系3根轴的加速度。以选取地理坐标系为导航坐标系的平台式惯导系统为例，其中陀螺稳定平台为由3个单自由度陀螺仪或2个自由度陀螺仪所构成的二轴稳定装置。借助于稳定回路使平:4
台绕3根轴保持空间方位稳定：借助于修正回路使平台始终跟踪当地地理坐标系。由此，安装在平台上的3个加速度计能够精确地测得运载体相对地球迄动的北向（即南北方向）加速度aN、东向（即东西方向）加速度a和地向（即天地方向）加速度anc导航计算机8,8.8DVVJ稳定平面显示器控制器VnoVee VpoLho图 1.3.1平台式惯导系统原理框图对上述3个加速度分量积分，可求得运载体的北向速度Vs、东向速度V和地向速度In:VN=VNOdVp=Vmed(1.3.1)Vn=Vin+apdt武中，Vo、V、V分别为沿北向、东向和地向的初始速度对3个速度分量积分，可求得运载体相对起始点的北向位移S、东向位移SE和深度（高度）变化h：SNVndtSt.:Vrdt(1.3.2)h.:Vde对S%和S进行球面运算，可求得运载体相对起始点的纬度变化L。和经度变化入，：SNLERR"R.?Vydi(1.3.3)SE入,=(R-)osZ"（R-h)cosL式中：R为地球半径；h为潜水器在水面下的深度。设运载体起始点的初始纬度为Lo，初始经度为入。，初始深度为ho，则运载体所处的纬.5
度L、经度入和深度h可按下式确定：2 e lo+ R vodlVrd(1.3.4)入=Ag+（R-h)cosLJh=ho+Vpdt上述导航参数的计算均出惯导系统内的导航计算机来实现，输出的导航参数包括纬度L、经度入、深度h以及向速度VN、东向速度V、地向速度V等。它们均可显示在控制显示器上。稳定平台测出的姿态参数，包括航向角，级摇角6。和横摇角6，，既可输送给需用这些信息的火控系统与观通系统，也可在控制显示器上显示出来。在导航计算机中，还需进行有害加速度的计算、陀螺仪与加速度计的误差及其误差补偿计算，计算出平台跟踪地理坐标系的角速度，并以此作为控制信号来修正稳定平台的姿态与方位。除此以外，导航计算机征往还需执行系统厂作状态转换，故障检测等任务。1.3.2捷联式惯导系统的基本原理捷联式惯导系统与平台式惯导系统的区别，在于前者没有实体的稳定平台，而代之以导航计算机产生的数学平台，陀螺仪和加速度计直接与运载体固联。此种惯导系统（图1.3.2）毛要由惯性测量组作（简称IMU）、导航计算机和控制显示器等组成。IMU包括陀螺仪组件和加速度计组件。陀螺仪组件测取沿运载体坐标系3个轴的角速度信号，并被送人导航计算机，经误差补偿计算后进行姿态矩阵计算。加速度计组件测取沿运载体坐标系3个轴的加速度信号，并被送入导航计算机，经误差补偿计算后，进行由运载体坐标系至“平台”坐标系的坐标变换计算。姿态矩阵万面用坐标变换，即把沿运载体坐标系的加速度信号变换成“平台”坐标系（即导航坐标系）各轴的加速度信号，以便于导航参数计算：另方面，利用姿态矩阵的素可以提取水平姿态角与航向角信息。这样，由捷联惯导系统中的矩阵计算、加速度计信号的坐标变换计算以及姿态与航向计算实现了平台式惯导系统中稳定平台的功能，从而构成所谓“数学平台”。与平台式惯导系统相比，捷联式惯导系统省却了结构复的实体平台，减少了系统中精密的机械零件、电子线路和电气元件.因面可靠性高、体积小、重量轻、功耗小、维修方便和成本低。但是，捷联系统中的陀螺仪与加速度计系直接固连于运载体上，运载体的角运动会直接传递到这些惯性仪表上，从而引起动态误差，所以对惯性仪表的动态性能要求高。其次，捷联系统中的导航计算机除了必须承担平台式系统所需完成的计算任务外，尚需进行姿态矩阵计算和动态误差补偿计算，因此系统对计算机的容童和速度的要求均比平台式系统高。综上所述，捷联式惯导系统的精度略低，价格便宜；平台式系统的精度较高，价格较贵。两种系统各有自已的应用领域。平台式惯导系统以其高精度与全白主式为特点，始终在核潜艇和战略武器中独占整头.如美国的俄亥俄级导弹核潜艇中采用MK2Mod7三浮陀螺平台式惯导系统，其定位精度为1nmile/30h，航向精度为0.5'，水平精度为5”~8°，重调周期为4天（与静电陀螺监控器组合后的重调周期可延长至15天）。又如美国的射程为11000km的MX战略导弹（其.6.-.-