简介：本文介绍了惯性导航系统（INS）的基础理论与平台式结构原理，阐述了其工作方式及其在导航领域的应用价值。
### 平台惯导的基本原理（INS）
平台惯导系统（Inertial Navigation System, INS）是一种基于惯性传感器技术实现导航定位的方法。其核心是一个惯性级的陀螺稳定平台，该平台确定了一个平台坐标系（用p来标识），其中三个惯性级的加速度计沿三个坐标轴正向安装，用于测量载体的加速度信息。通过一系列复杂的数学模型和算法处理，可以从这些原始数据中提取出载体的速度和位置信息。
#### 基本组成原理
平台式惯导系统的核心在于利用惯性传感器测量载体的运动状态，并通过适当的数学方法将其转换为导航信息。系统的基本组成包括：
- **惯性平台**：由一组单自由度陀螺仪构成的三环平台，用于维持一个稳定的参考坐标系。
- **加速度计**：安装于平台上的三个加速度计沿平台坐标系的三个轴向安装，用于测量载体在各个方向上的加速度。
- **导航计算机**：接收来自加速度计的数据，并通过算法处理得到载体的速度和位置信息。
- **控制回路**：确保平台能够精确跟踪预设的导航坐标系，通常涉及指令角速度信号的生成和应用。
#### 平台坐标系与导航坐标系的关系
为了准确地跟踪预设的导航坐标系，平台坐标系需要能精确模拟这一坐标系。这通常涉及到平台坐标系的动态调整以跟随导航坐标的改变。例如，在当地水平面惯性导航系统中，平台坐标系的两个轴（pox和poy）需保持在水平面上，并且poz轴与地垂线重合。
- **指令角速度**：为了使平台坐标系能够精确模拟导航坐标系，需要给平台上陀螺仪施加相应的指令信号以驱动其按指定的角速度旋转。这些指令角速度信号可以通过导航计算机计算得出。
- **角速度同步**：当地地理坐标相对于惯性空间有一定的转动角速度（用\(\omega_{it}\)表示），为了使平台坐标系与之同步，需要计算出平台自身的转动角速度\(\omega_{ip}\)，并通过控制回路使其保持一致。
#### 不同类型的平台惯导系统
平台式惯导系统可以根据所选的导航坐标系不同而有所区别，主要包括以下几种类型：
- **当地水平面惯性导航系统**：导航坐标系是一种当地水平坐标系。这种系统又可以进一步细分为：
- **指北方位惯导系统**：在工作时，pox轴指向地理东向，poy轴指向地理北向，即平台模拟当地地理坐标。
- **自由方位惯导系统**：poy轴不跟踪地理北向而是与正北方形成一定角度，并可根据特定应用场景调整该角度。
- **空间稳定惯导系统**：导航坐标系为惯性坐标系，通常采用地心惯性坐标系。这种系统中平台所取的空间方位不能将运动加速度和重力加速度分离开来，需依赖计算机进行补偿。
#### 控制回路的运作机制
平台惯导系统的控制回路由以下几个关键部分组成：
- **指令角速率信号生成**：导航计算机根据载体的运动信息计算出所需的指令角速信号。
- **陀螺仪控制**：将指令角速度以控制信号的形式加给相应陀螺控制轴，驱动其旋转。
- **平台稳定**：通过平台的稳定回路确保能精确跟踪选定的导航坐标系。
- **姿态信息反馈**：利用框架上的角传感器获取载体的姿态信息，并将其送至导航计算机进行后续处理或显示。
#### 结论
平台惯导系统通过精密的传感器和复杂的数学模型，能够在缺乏外部数据的情况下独立地计算出载体的速度和位置。无论是应用在航空航天还是地面交通工具领域，它都是实现自主导航的关键技术之一。通过对不同类型的平台惯导及其工作原理的理解，可以更好地掌握这项重要的导航技术。
5星
