捷聯式慣性導航

慣性測量元件（陀螺儀和加速度計）直接裝在飛行器、艦艇、飛彈等需要諸如姿態、速度、航向等導航信息的主體上，用計算機把測量信號變換為導航參數的一種導航技術。現代電子計算機技術的迅速發展為捷聯式慣性導航系統創造了條件。自50年代末人們開始研究這種新型導航系統以來，它已成功地用於導引太空飛行器再入大氣層的飛行。捷聯式慣性導航系統在美國“阿波羅”號飛船上作為備用系統曾發揮了作用。

名稱

捷聯式慣性導航(strap-down inertial navigation)

特點

捷聯式慣性導航系統 在工作時不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾破壞，是一種自主式導航系統。捷聯式慣性導航系統與平台式慣性導航系統比較有兩個主要的區別：①省去了慣性平台，陀螺儀和加速度計直接安裝在飛行器上，使系統體積小、重量輕、成本低、維護方便。但陀螺儀和加速度計直接承受飛行器的振動、衝擊和角運動，因而會產生附加的動態誤差。這對陀螺儀和加速度計就有更高的要求。②需要用計算機對加速度計測得的飛行器加速度信號進行坐標變換，再進行導航計算得出需要的導航參數（航向、地速、航行距離和地理位置等）。這種系統需要進行坐標變換，而且必須進行實時計算，因而要求計算機具有很高的運算速度和較大的容量。

分類

捷聯式慣性導航系統根據所用陀螺儀的不同分為兩類：一類採用速率陀螺儀，如單自由度撓性陀螺儀、雷射陀螺儀（見陀螺儀）等，它們測得的是飛行器的角速度，這種系統稱為速率型捷聯式慣性導航系統；另一類採用雙自由度陀螺儀，如靜電陀螺儀，它測得的是飛行器的角位移，這種系統稱為位置型捷聯式慣性導航系統。通常所說的捷聯式慣性導航系統是指速率型捷聯式慣性導航系統。

矩陣變換和姿態、航向信息的計算 　慣性導航的實質是測出飛行器相對導航坐標系（如地理坐標系）的加速度，經過兩次積分得到飛過的距離，從而確定飛行器所在的位置。在捷聯式慣性導航系統中測得的是沿飛行器機體軸向的加速度，因而需要利用數學方法把機體坐標系軸向的加速度信號換算成地理坐標系軸向的加速度信號。常用的坐標換算方法有歐拉角法、方向餘弦法和四元數法三種。歐拉角法用動坐標系相對參考坐標系依次繞3個不同坐標軸轉動的3個角度來描述它們之間的方位關係。這 3個角度稱為歐拉角。方向餘弦法用動坐標系3個坐標軸和參考坐標系3個軸之間的方向餘弦來描述這兩個坐標系相對的方位關係。四元數法用動坐標系相對參考坐標系轉動的等效轉軸上的單位矢量和轉動角度構成四元數來描述動坐標系相對參考坐標系的方位關係。用這三種方法都可以算出兩種坐標系之間的變換矩陣，進行坐標變換並提取姿態和航向信息。

初始對準

即給定導航參數的初始值，計算初始時刻的變換矩陣。捷聯式加速度計測量的重力加速度信號和捷聯式陀螺儀測得的地球自轉角速度信號經計算機計算即可得出初始變換矩陣。

余度配置

採用冗餘部件來提高系統可靠性的方法稱為余度技術。在捷聯式慣性導航系統中，由於慣性元件直接安裝在飛行器上而有利於採用余度配置。測量飛行器沿坐標系各軸的加速度和角速度，一般只須分別沿3個坐標軸配置 3個加速度計和3個單自由度陀螺儀。但只要一個元件發生故障，系統便不能正常工作。如果在飛行器上適當配置6個加速度計和6個單自由度陀螺儀，使它們的幾何位置構成斜置布局，再用計算機適當處理各元件的輸出信息，那么即使有2個加速度計和2個單軸陀螺儀損壞，系統也仍能正常工作，這就使得系統的可靠性大大提高。