航空机载惯性导航系统目前，西方各国军用飞机和民航飞机上的导航系统多采用惯导系统和GPS或GLONASS卫星导航系统的组合导航系统，一般称为惯性/GPS或惯性/CLONASS组合导航系统。第二节机载惯性导航系统概述由于机载惯性导航系统是一种全自主式的导航系统，它仅仅依靠自身的惯性敏感元件（陀螺和加速度计），不依赖任何外界信息就可以计算出运动载体的全部导航参数，因此它具有非常好的抗干扰能力和隐蔽性。机载惯性导航在军事上具有非常高的应用价值，目前西方发达国家的飞机几乎都装备有先进的机载惯性导航系统。一、机载惯性导航的分类通常把惯性导航系统分为两大类：平台式惯导和捷联式惯导。它们的主要区别在于，平台式惯导有实体的物理平台，陀螺和加速度计置于由陀螺稳定的平台上；而捷联式惯导，陀螺和加速度计直接固连在运动载体上，惯性平台的功能由计算机完成，故有时也称“数字平台”。二、机载惯性导航的基本组成机载惯性导航系统统常由以下几部分组成。（1）陀螺和加速度计；6（2）惯性平台；（3）导航计算机；（4）控制显示器；（5）电源及必要的附件等。三、机载惯性导航系统的功能（一）基本功能机载惯导系统的主要功能有以下几点。（1）自动测量并计算飞机各种导航参数及飞行控制参数，供飞行人员使用；（2）与飞机其他控制系统相配合，完成对飞机的人工或自动控制。（二）导航参数1.即时位置即时位置是飞机在地面或空中相对于地球的瞬时位置。飞机的位置常用纬度角（Φ）和经度角（入）表示。已知飞机的即时纬度和经度，飞行员只要查看领航地图，就可知道飞机的即时位置。同样，地面指挥调度人员通过无线电询问飞机的纬度和经度，也就知道飞机的位置。即时位置有时也用直角坐标表示。知道飞机起飞机场至北一南方向和东一西方向飞行的距离，经过计算也能知道飞机的位置。2.地速地速是飞机相对地球表面的运动速度。惯导系统能测出载机的地速，以V,表示。地速可用来计算飞机到达目的地所需的时间、风速、风向、偏流角、即时位置以及对惯性平台的
第1章概论修正速率等。3.航向角飞机的航向角有真航向角和磁航向角之分。真航向角（±）：飞机纵轴在水平面上的投影与真子午线N，（即地理子午线）之间的夹角，参见图1-4。其方向规定为从真子午线北端顺时针转到飞机纵轴之夹角为“+”，反之为“-”。其夹角范围为0°~360°位置点2AN大网航线Ow风速风向位置点1(a)AN,7位置点2S.大圆航线8.风速风向(b)图1-4飞机导航参数磁航向角（）：飞机纵轴在水平面上的投影与磁子午线之间的夹角。其方向规定与真航向角相同。真航向角与磁航向角之间相差一个磁差。各地的磁差不一定相同（磁差的相关知识可以查阅有关资料）。真、磁航向角之间的关系可用下式表示：中m=+A
航空机载惯性导航系统其中，△山为磁差（磁差也有“+”、“_”之分）。飞机上能准确测量真航向角的设备仅有惯导系统，但惯导系统不能直接测出磁航向角。磁航向角的测量只有通过磁罗盘、陀螺磁罗盘获得，或由惯导系统测得的真航向角及存储的磁差数据计算而得。飞机的真（磁）航向角是飞机自主航行的重要方向参数，也是引导飞机的重要参数。4.航迹角飞机的航迹角分为实际航迹角和所需航迹角。根据基准线不同，又有真航迹角及磁航迹角之分。（1）实际航迹角（8）：飞机地速矢量与真（磁）子午线之间的夹角，见图1-4，其方向规定为：从真（磁）子午线北端顺时针转到地速矢量为“+”，反之为“-”。地速矢量与真子午线之夹角为真航迹角，地速失量与磁子午线之夹角为磁航迹角。（2）所需航迹角（8.）：预选航迹线与真（磁）子午线的夹角。航迹角是控制飞机实际航行轨迹的重要参数。5.航迹误差航迹误差表征飞机偏离给定航线的情况，见图1-4（b），可用航迹角误差和偏航距离来度量。（1）航迹角误差（AS）：飞机实际航迹角与所需（给定）航迹角之差，即：48=8,-8（2）偏航距离（Sa）：飞机的实际位置与给定航迹线的垂直距离，见图1-4（b）。86.偏流角偏流角（β）为飞机纵轴与地速矢量之间的夹角。偏流角是由于风的影响而造成的。它的大小为真航迹角与真航向角之差，即：β=8,-少，7.风速、风向（角）风速是指风的速度，用V示，单位为nmile/h?。风向（角）为风速失量与真北之间的夹角，用6表示。风速、风向是根据地速和大气数据系统提供的真空速解算而得的8.待飞距离/待飞时间（1）待飞距离（S）：飞机即时位置与目的地间的距离。（1）待飞时间（T）：从飞机即时位置到目的地所需飞行的时间。9.飞机姿态角、角速率飞机的姿态角有俯仰角、倾斜角和航向角（航向角定义已在前面叙述）。（1）俯仰角（）：飞机纵轴与水平面的夹角。（2）倾斜角（）：飞机绕纵轴的转角，或飞机纵向对称面（即飞机纵轴x与竖轴y组成的平面）与纵向铅垂平面（由飞机纵轴×与地垂线组成的平面）之间的夹角。（3）飞机的角速率有俯仰角速率、倾斜（或滚转）角速率、偏航角速率。它们分别为俯仰角变化率、倾斜角变化率和飞机偏离原航向的角速率。飞机的这些角位移和角速率是飞行控制的重要参数。①Inmile/h=1.852km/h
第1章概论以上这些导航参数是由平台式惯导系统提供的。随着惯导技术的发展，近代出现了激光陀螺捷联惯性基准系统。这种系统是把陀螺和加速度计直接固连在机体上，并增加垂直导航功能，因此这种系统除了能测出以上参数外，还能提供垂直导航参数，如垂直速度、惯性高度；此外，还能提供飞机沿三轴的线加速度、航迹加速度及沿机体三轴的角速率等，参数多达35个。目前，飞机上其他测量装置都没有惯导系统提供的信息多。因此，可以认为惯导系统是一个中心信息源。例如，波音767/757飞机惯性基准系统输出的参数如下：（1）沿航迹水平加速度；（2）机体横向加速度：（3）机体纵向加速度：（4）机体法向加速度；（5）机体俯仰角速率?：（6）机体倾斜角速率；（7）机体偏航角速率；（8）横向航迹加速度；（9）偏流角；（10）东一西速度分量；（11）飞行航迹加速度；（12）飞行通道角；9（13）地速；（14）惯性高度；（15）惯性垂直速度；（16）惯性导航离散字。四、机载惯性导航的发展惯性导航涉及到力学、控制理论、计算机技术、测试技术、精密机械工艺等，是一门综合性很强的应用技术学科，因此，惯性导航的发展也是随着上述各学科技术的发展而发展的。在惯导系统的发展过程中，舒勒摆原理起了重要作用。1923年，德国教授舒勒（Schuler）在研究消除陀螺罗盘加速度误差时发现，如果陀螺具有84.4min周期，它将保持在重力平衡位置，而不受航行体运动的干扰。将这个原理运用到惯导系统时，如果陀螺平台的调整周期为84.4min，则平台不受航行体运动的影响而始终保持在当地水平面内。但由于当时技术水平的限制，舒勒的上述原理不可能实现，但它对惯导技术的发展起到了重要作用。第二次世界大战末期，德国在V-2火箭上第一次装上了初级的惯导系统，利用陀螺稳定火箭的姿态和航向，并沿火箭纵轴方向安装陀螺积分加速度计，以提供火箭人轨的初始速度。由于当时技术水平的限制，不能将加速度计安装在三轴平台上制成比较完善的惯导系①机体角速率（机体俯仰角速率、机体倾斜角速率、机体偏航角速率）是指飞机绕机体轴的转动角速率，如机体俯仰角速率为飞机绕横轴的转动角速率
航空机载惯性导航系统统，但这一工作引起了人们的极大重视，从而推动了惯导系统的进一步发展。1949~1950年，美国麻省理工学院仪表实验室和北美航空公司先后研制出第一台惯性导航平台。特别是北美航空公司研制的XN-T型平台式惯导系统，实现了比较完善的三轴陀螺平台的惯导系统方案，综合应用了自动控制、电子技术、精密机械工艺等学科的先进技术，把惯导系统推到一个迅速发展的阶段。20世纪50年代到60年代，惯导系统主要用于军事上，并得到比较大的发展。在火箭、潜艇的制导上都广泛应用了惯导系统，先进的军用飞机也配置了惯导系统。20世纪70年代，由于计算机的发展，平台式惯导系统已经达到了成熟普及的阶段，它已成为现代化的导航工具，广泛应用于舰船、飞机、导弹和航天器。它不仅用于军事，也大量应用于民航和地质测量等领域。计算机及现代控制理论的发展推动了惯导系统的进一步发展，机械电气平台和加速度计的精度进一步提高，由计算机数字平台取代复杂的机械电气平台的捷联式惯导系统已得到推广应用，以惯导系统为主的组合导航系统的研制也取得了很大的进展。目前已经发展出挠性惯导、激光惯导、光纤惯导、微机电惯性仪表等多种方式的惯导系统。利用激光和光纤来作为方位测向器的陀螺将逐渐取代传统的机械陀螺。激光陀螺惯导系统的定位精度高，随机漂移小，并能快速进入作战状态，于20世纪80年代初开始成功地应用于飞机及地面车辆和舰炮的导航等方面，之后又应用于导弹和运载火箭等领域。光纤陀螺的基本工作原理与环形激光陀螺相似，除了具有激光陀螺所有的优点外，还不需要精密加工、严格密封的光学谐振腔和高质量的反射镜，所以减少了复杂性，降低了成10本，具有更强的市场竞争力。日本在TR1和M5火箭上率先使用了光纤陀螺。美国研制的光纤陀螺已应用于飞机俯仰、滚转和航向基准的惯性测量系统中。但目前的光纤陀螺会出现角度随机游动、零偏不稳定等缺陷，其性能有待提高。随着微机电系统（MEMS）的飞速发展，近年来硅微陀螺（俗称芯片陀螺）和硅加速度计的研制工作进展很快。目前，这种新的固态陀螺的零偏稳定性已能达到工程化要求。现在美国已批量生产由硅微陀螺和硅加速度计构成的微型惯性测量装置。其低成本、低功耗、体积小、重量轻的特点很适于战术应用，最先得到应用的场合将是战术导弹和无人机。我国的惯导系统研制起步于20世纪50年代，现在我国自行研制的惯性导航系统已应用于运载火箭、宇宙飞船、人造卫星、飞机、舰艇和导弹上，但与世界先进水平相比，还有一定差距。第三节惯性导航系统的基本概念一、平台式惯性导航系统的基本概念举一个简化的二维导航例子。如图1一5所示，考虑一个载体在平面上运动，平面用坐标系oxy表示。为简便说明，设t=0时，载体在坐标系原点。处。载体上放置一个平台，平台上放置两个加速度计A,和.4，，它们的敏感轴分别平行于ox和oy轴。在载体各种机动运动状态下，平台也能保持加速度计A,和A,的敏感轴方向分别平行于ox和oy轴方向。这样，依据