：010070771V249.3216航空机载惯性导航系统编著宫经宽X盛书文图书馆抗空工业出版社北航C1406737
内容简介本书旨在介绍航空机载惯性导航系统的基本原理和主要惯性测量器件（陀螺和加速度计）的原理、结构等基本理论和技术，并对新型的激光陀螺、光纤陀螺、微机电陀螺、微硅加速度计等进行介绍。全书共分7章：第1章为概论，介绍导航的基本概念和机载惯性导航系统的基本功能等；第2章为馈性导航基础理论，介绍惯性导航系统的主要基本理论和概念；第3章为惯性元件，介绍常规机械陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机电陀螺、摆式加速度计、石英加速度计、微硅加速度计等惯性测量元件的基本原理、结构等；第4章为陀螺稳定平台，介绍三轴和双轴陀螺稳定平台的基本工作原理和结构；第5章为平台式惯性导航系统原理，介绍平台式惯性导航系统的工作原理、力学方程的建立、误差分析、初始对准理论分析等；第6章为捷联式惯性导航系统，介绍捷联式惯性导航系统的基本原理、特点、理论算法；第7章为性/卫星导航系统，介绍惯性/卫星导航系统的基本原理、特点和算法等。图书在版编目（CIP）数据航空机载惯性导航系统/宫经宽编著。一北京：航空工业出版社，2010.4ISBN978-780243-502-5I.航ⅡI.①官Ⅲ.①航空导航-机载设备-惯性导航系统IV.①V249.32中国版本图书馆CIP数据核字（2010）第073285号航空机载惯性导航系统Hangkong Jizai GuanxingDaohangXitong航空工业出版社出版发行（北京市安定门外小关东里14号100029）发行部电话：010-64815615010-64978486北京地质印剧厂印剧全国各地新华书店经售2010年4月第1版2010年4月第1次印刷开本：787×10921/16印张：13.25字数：328千字印数：1-1500定价：45.00元
序言惯性导航涉及到传感器技术、精密制造技术、自动控制理论、光学与微电子学、测试技术、计算机技术等多技术领域和学科，因而惯性导航技术的发展依赖于上述各学科技术的发展。一个国家的惯性导航技术发展水平最能够代表这个国家的综合科学技术水平。目前已经发展出挠性惯导、光纤惯导、激光惯导、微机电惯性基准装置等多种方式的惯导系统。激光陀螺、光纤陀螺、微机电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，并能快速完成初始对准进入导航状态，20世纪80年代初开始成功地应用于民航飞机、地面车辆和舰船的导航，之后又应用于导弹、运载火箭和军用飞机等领域。光纤陀螺与环形激光陀螺相比，除了具有激光陀螺所有的优点外，不需要严格窑封的光学谐振腔和高质量的反射镜，所以减少了精密加工，降低了结构复杂性和产品的成本，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、液转和航向基准的惯性测量系统中。但目前的光纤陀螺存在角度随机游动、零偏不稳定等缺陷，其性能有待提高。随着现代微机电系统（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。据报道，这种新的固态陀螺的零偏稳定性已能达到1度/小时（温控条件下）。现在美国已开始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。这种MEMS惯性测量装置具有成本低、功耗低及体积小、质量轻的特点，因而适于军事战术应用领域，预计最先的应用场合将是战术导弹和无人机。目前我国在惯性导航技术方面与西方发达国家相比尚有差距。除了由于我国的整体基础工业水平还落后于西方发达国家以及在一些关键技术研究方面尚有欠缺外，还有一个原因就是我国从事惯性导航技术研究的人员与其他学科相比还较少，关于惯性导航技术的著作也不多，因此需要出版更多有关惯性导航技术的出版物。作者在多年从事航空机载惯性导航系统理论和应用技术研究的基础上，编写了这本《航空机载惯性导航系统》。该书不仅对惯性导航基础理论进行了系统的阐述，还把当今先进的惯性传感器，如激光陀螺、光纤陀螺、微机电陀螺、微硅加速度计等内容纳入书中，具有较强的实用性，适合从事惯性导航应用技术的工程技术人员参考使用，也可作为惯性导航、惯性传感器技术等专业的大学生学习参考用书。信建M
前言航空机载惯性导航系统的基本工作原理是以牛顿力学定律为理论基础，通过惯性测量元件（陀螺和加速度计）测量载机的角速率和加速度（比力），经计算机坐标系变换和解算，在给定的初始条件下推算出载机在导航坐标系中的姿态、速度、位置等导航参数，由飞行员驾驶引导或自动控制载机飞行到达目的地。惯性导航系统的核心是惯性测量元件和导航计算机。通常把惯性导航系统划分为平台式惯导和捷联式惯导两类。随着惯性测量技术的发展，新型惯性测量元件，如激光陀螺、光纤陀螺、微机电陀螺和微硅加速度计的精度不断提高，捷联式惯性导航系统在导航精度方面取得了突破性进展。目前西方国家已研制出多种型号的激光捷联式惯性导航系统。这些组合了全球定位系统（GPS）的激光捷联惯性导航系统在精度方面均已超过了以前的平台式惯性导航系统，而且在可靠性和价格方面明显优于平台式惯性导航系统，因而目前民航的大多数飞机已用激光式捷联惯性导航系统取代了原来的平台式惯性导航系统。欧美等发达国家的战斗机、轰炸机等军用飞机也已采用高精度激光陀螺捷联式惯性导航系统。随着高精度惯性器件、微机电技术、计算机技术的飞速发展，捷联式惯导系统大有逐步取代平台式惯导系统之势。由于航空机载惯性导航系统仅依靠惯性装置本身就能在载体内部独立地完成导航任务，不需要与外界发生任何电磁信号联系，因而具有高度的自主性，是不可或缺的自主式机载导航系统。在未来现代化、信息化、高科技战争中，夺取制空权就意味着控制战争的主动权，因此空军在战争中的地位越来越高，而空军对飞机和导弹的定位精度要求也越来越高。作战飞机在高对抗的电子战环境和复杂恶劣气象条件下进行的空中格斗、远程轰炸、空中加油、低空突防、对敌方重要军事目标的精确打击等高机动、复杂的战斗任务，对飞机和导弹的自主抗干扰导航（制导）能力提出了更加苛刻的要求，因而这种自主式惯性导航和制导设备的重要性越来越受到各国军事专家的重视，航空机载惯性导航系统在军事领域的地位也变得越来越高。我国在惯性导航技术的理论研究方面并不落后于西方发达国家，但在惯性导航系统的工程化研制方面却与西方发达国家的差距较大。分析其中原因，一是由于我国的整体基础工业水平还落后于西方发达国家；二是在一些关键技术，如惯性传感器技术、惯性导航系统集成等技术研究方面缺乏自主创新能力。本书旨在介绍航空机载惯性导航系统的基本原理和主要惯性测量器件（陀螺和加速度计）的原理、结构等基本理论和技术，并对新型的激光陀螺、光纤陀螺、微机电陀螺、微硅加速度计等进行介绍。全书共分7章：第1章为概论，介绍导航的基本概念和机载惯性导航系统的基本功能等：第2章为惯性导航基础理论，介绍惯性导航系统的主要基本理论和概念：第3章为惯性元件，介绍常规机械陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机电陀螺、摆式加速度计、石英加速度计、微硅加速度计等惯性测量器件的基本原理、结构等：第4章为陀螺稳
航空机载惯性导航系统定平台，介绍三轴和双轴陀螺稳定平台的基本工作原理和结构：第5章为平台式惯性导航系统原理，介绍平台式惯性导航系统的工作原理、力学方程的建立、误差分析、初始对准理论分析等；第6章为捷联式惯性导航系统，介绍捷联式惯性导航系统的基本原理、特点、理论算法；第7章为惯性/卫星导航系统，介绍惯性/卫星导航系统的基本原理、特点和算法等。本书在编写过程中得到了北京航空航天大学房建成教授的指教。书稿完成后房教授对全书进行了审阅，提出很多宝贵意见和建议，在此谨向房教授深表谢意。北京航空航天大学的付永领教授和北京航空精密机械研究所的刘研究员为本书的编写和校对也做了很多工作，在此一并表示感谢。由于作者的水平所限，本书难免还有一些错误和不足之处，尽请读者予以批评指正。作者2010年3月6日2
目髪录第1章概论...1）第一节导航概述(1)一、导航的基本概念1二、导航系统的分类第二节机载惯性导航系统概述(6)一、机载惯性导航的分类(6)二、机载惯性导航的基本组成(6)三、机载惯性导航系统的功能(6)(9)四、机载惯性导航的发展第三节惯性导航系统的基本概念(10)一、平台式惯性导航系统的基本概念(10)二、捷联式惯性导航系统的基本概念(12)1第2章惯性导航基础理论(14)第一节方向余弦(14)第二节欧拉角和矩阵变换(16)第三节惯性导航系统常用坐标系(18)(18)一、惯性参考坐标系(19)二、地球坐标系(19)三、地理坐标系(21)四、运载体坐标系第四节科氏加速度(22)一、科氏加速度(22)(25)二、绝对加速度第五节比力方程(26)第六节舒勒原理(30)(30)一、数学摆跟踪垂线的舒勒原理(31)二、复摆跟踪地垂线的舒勒原理第七节卡尔曼滤波(33)
航空机载惯性导航系统第3章惯性元件(36)第一节概述(36)一、惯性元件概述(36)(36)二、陀螺的分类(37)三、陀螺的应用四、陀螺仪基本特性(38 )(41 )五、陀螺力矩（42)六、二自由度陀螺的运动特点七、惯性导航系统中的陀螺仪(44)第二节常规机械陀螺(44)(44)一、浮子陀螺仪二、挠性陀螺仪(47)(51)三、静电陀螺第三节激光陀螺(54)一、概述(54).(55 )二、激光陀螺的基本原理(55)三、激光陀螺仪的特点四、国外激光陀螺仪的发展(56)第四节光纤陀螺(57)2一、概述(57).(58)二、光纤陀螺的基本原理（59)三、光纤陀螺的特性四、光纤陀螺的发展(61)第五节微机电陀螺(62)一、概述.....(62)二、微机电陀螺(62)三、微机电陀螺的发展(66)四、典型的微机电陀螺(67)第六节加速度计·(68)(69)一、摆式加速度计简介二、挠性摆式加速度计(71)三、微硅加速度计(74)第4章陀螺稳定平台（82)第一节陀螺稳定平台工作原理(82)(82)一、各类稳定平台简介(92)二、陀螺稳定平台力矩装置的技术要求.第二节三轴陀螺稳定平台(92)
目录一、三轴陀螺稳定平台简介(92)(94)二、环架驱动信号的合理分配(100)三、三轴平台工作原理分析(106)四、三轴平台锁定原理(107)五、三轴平台的动力学方程和系统的传递函数阵(117)六、采用积分陀螺时三轴平台系统的输出轴耦合分析(119)七、三轴平台的误差分析(123)第三节双轴陀螺稳定平台、稳定瞄准线的双轴稳定平台(124)(126)二、水平式双轴稳定平台(138)第5章平台式惯性导航系统原理(138)第一节平台式惯性导航系统概述(138)一、平台式惯性导航系统的工程化(138)二、平台式惯导的导航计算(139)第二节平台式惯性导航系统的基本原理(139)一、平台式惯性导航系统的基本组成(140)二、比力方程和加速度信息的提取(141)三、平台的水平控制回路及舒勒调谐3(144)四、惯导系统高度通道的问题(145)第三节指北方位惯性导航系统的力学方程(145)一、平台指令角速度.(146)二、速度计算(147)三、经纬度计算四、高度计算(147)(148)五、姿态角的获取(148)六、系统原理方框图.(149)第四节自由方位惯性导航系统的力学方程(150)一、利用方向余弦矩阵求导航参数.(151)二、求解方向余弦矩阵(151)三、求解角速率(152)四、速度计算(153)五、平台指令角速度(153)六、系统原理方框图第五节游动方位惯性导航系统的力学方程(154)...(154)一、速度方程 (154)二、角速率方程(154)三、方向余弦矩阵
航空机载惯性导航系统四、矩阵微分方程(155)(155)五、导航参数的求取.(155)六、几种平台式惯导方案评述(155)第六节平台式惯性导航系统的误差分析.(156)一、坐标系及小角度下的坐标变换矩阵.(158)二、系统误差方程的建立(162.)三、系统误差分析(166)第七节平台式惯性导航系统的初始对准(178)第6章捷联式惯性导航系统(178)第一节捷联式惯性导航系统概述.(178)一、概述(178)二、捷联式惯导系统的基本原理(179)三、捷联式惯导系统的特点.第二节捷联式惯性导航系统算法(179)(179)一、概述....(180)二、捷联式惯性导航系统计算(188)第7章惯性/卫星导航系统4第一节惯性/卫星组合导航系统概述(188)第二节(190)惯性/卫星组合导航原理(192)第三节位置、速度组合的SINS/GPS导航系统参考文献(198)