系统组成及分类

3.1　系统组成及分类

惯性导航系统由加速度计测量载体的加速度，并在给定初始运动条件下，由导航计算机计算出载体的速度、距离以及位置;由陀螺仪测量载体的角运动，并经转换、处理，输出载体的姿态和航向。

惯导系统一般由以下几个部分组成:

(1)加速度计

加速度计主要用来测量载体的加速度。

(2)惯导平台

惯导平台模拟一个导航坐标系，把加速度计的测量轴稳定在导航坐标系下，并用模拟的方法给出载体的姿态和方位信息。

为克服作用在平台上的各种干扰力矩，平台必须有以陀螺仪作为敏感元件的稳定回路;为使平台能跟踪导航坐标系在惯性空间的转动，平台还必须有从加速度计到计算机再到陀螺仪并通过稳定回路形成的跟踪回路。

(3)导航计算机

导航计算机主要完成导航计算和平台跟踪回路中指令角速度信号的计算。

(4)控制显示器

控制显示器给定初始参数以及系统需要的其他参数，显示各种导航信息。

从结构上来说，惯导系统有平台式惯导系统(platform inertial navigation system)和捷联式惯导系统(strapdown inertial navigation system，SINS)两类。二者的主要区别在于平台的构建方式上，前者采用物理方式构建平台，后者采用的是数学方式。

平台式惯导系统，其惯性元件，即陀螺和加速度计，安装在一物理平台上，利用陀螺通过伺服电机驱动稳定平台，使其始终仿真一个空间直角坐标系，即导航坐标系。而敏感轴则始终位于该坐标系的三轴方向上的三个加速度计上，从而可以测得三轴方向的运动加速度值。

捷联式惯导系统没有实体平台，加速度计和陀螺仪是直接固定在载体上的，惯导平台的功能由计算机来完成，故有时也称作数学平台。早期的惯性导航系统均采用这种平台技术。

在平台式惯性导航系统中，仪表工作条件较好，平台能够直接建立导航坐标系，计算量小，容易补偿和可修正仪表的输出，但其尺寸较大，结构较复杂，可靠性低，维护费用高。而捷联式惯性导航系统由于省去了平台，结构较为简单，体积小，重量轻，成本低，维护方便且具有较高的可靠性，但由于加速度计和陀螺仪直接装在载体上，工作条件不佳，会降低仪表的精度，而且计算量也较大。现代电子技术和计算机技术的飞速发展，为捷联惯性技术的发展创造了有利条件。新一代低成本中等精度的惯性仪表如激光陀螺、光纤陀螺、硅微惯性器件的研制成功，为捷联式惯性系统奠定了基础。捷联技术的研究，如算法编排、误差模型、测试技术等也迅速得到了发展。因此，发展捷联惯导系统以及以捷联惯导系统为基础的各种组合导航系统，成为今后惯性导航系统发展的总趋势。

按照所采用的导航坐标系的不同来分，惯导系统主要有两类，即当地水平惯导系统和空间稳定惯导系统。当地水平惯导系统采用当地水平坐标系作为导航坐标系，包括指北方位惯导系统、自由方位惯导系统以及游动方位惯导系统等。空间稳定惯导系统导航坐标系采用惯性坐标系，即惯导平台稳定在惯性空间。这种惯导平台只有稳定回路，不需要跟踪回路。

惯性导航系统输出的导航参数较多，如瞬时位置、速度、姿态、航向、已航行距离、待航行距离、航迹角以及偏流角等，其中地理位置、姿态和航向信息为最基本的导航参数。航行体的瞬时地理位置用经纬度表示时，实际上就是地理坐标系(g系)和地球坐标系(e系)之间的方位关系，确定载体的位置，实质上也就是确定两者之间的方位关系。载体的姿态和航向则是载体坐标系(b系)和地理坐标系(g系)之间的方位关系。在平台式惯性导航系统中，地理系是由惯导平台模拟的，所以，姿态和航向角可以直接由几何关系测量出来;而在捷联式惯导系统中则是通过计算机解算得到的。

下面分别针对平台式惯性导航系统和捷联式惯导系统，介绍惯导系统的组成及其工作原理。