陀螺与惯性导航原理

本书以陀螺仪表和惯性导航系统的结构、组成、基本工作原理为主要内容，在编写过程中，从内容体系、编排顺序等方面认真汲取了国内外相关文献的经验，并结合多年教学经验，尽可能做到既有利于相关专业的教学，也有利于学生自学。

陀螺仪表作为重要的机载设备，能够测量飞机的姿态角、航向角、角速度等信号，是飞行员操纵飞机、自动飞行控制系统操纵飞机的重要信息来源。

惯性导航可以不依靠任何其他信息而独立地完成导航任务，是一种自主性非常强的导航方法； 惯性导航对磁、电、光、热及核辐射等形成的波、场、线的影响都不敏感，具有极强的抗干扰能力，不易被敌方发现，也不易被敌方干扰； 同时也不受气象条件限制，能满足全天候导航的要求； 还不受地面形状、沙漠或海面影响，能满足全球范围导航的要求。

机载惯性导航系统能够为机上用户提供加速度、速度、位置、姿态和航向等十分全面的导航参数，可以与飞行控制系统交联，实现飞机的自动驾驶； 与飞机火控系统交联，实时提供火控计算所需的速度、姿态和航向等信号，极大地提高瞄准和攻击精度； 与飞机着陆系统配合，保证安全可靠着陆。另外，光学瞄准系统、侦察照相系统、电视摄像系统以及雷达天线系统等机载设备都离不开惯性导航系统输出的有关信息，惯性导航的这些优势是其他导航系统无法比拟的。所以惯性导航系统成为了现代飞机、导弹等系统必备的核心导航设备。即使与其他导航系统构成组合导航系统，惯性导航系统也处于非常重要的位置。所以，西方国家一直把惯性技术作为对我国严格封锁的技术之一。

二十年前笔者在求学时，几乎找遍了纸质图书和各大数据库，陀螺与惯性导航类的教材和专著只有老一辈专家
撰写的几本经典著作。但是最近这十几年，仅国内就出版了大量的相关教材、专著。足见工程实际对陀螺与惯性导航技术的需求之大，以及大量专家学者对该领域
的热情之高。但是业内人员都普遍反映学习陀螺与惯性导航的门槛很高，需要具有自动控制原理、理论力学等诸多的背景知识，难度很大。参加工作后，笔者一直在高校从事陀螺与惯性导航的教学、科研和惯性导航设备服务保障工作
，也一直在思考如何通俗易懂地来讲授这门课，让具备一定控制理论基础的同志能够较容易
地理解并掌握陀螺与惯性导航的基本原理。于是笔者在国内外专家学者所进行的大量工作的基础上，编写了这本教材。从更容易理解的角度编排各内容间的前后逻辑； 以通俗易懂的语言加上必要的严谨推导介绍基本原理； 辅以计算机仿真来演示陀螺与惯性导航的基本工作原理。

本书以飞机上陀螺仪表及惯性导航系统基本原理为重点。首先对陀螺基本理论进行讲述，重点介绍了双自由度陀螺仪、飞机的姿态角及其测量、飞机航向角及其测量、单自由度陀螺仪及新型陀螺仪； 然后在简单介绍惯性导航系统基本原理、发展历史、核心器件的基础上，重点介绍了陀螺稳定平台、平台式惯性导航系统、捷联式惯性导航系统、惯性导航系统中的卡尔曼滤波算法、惯性导航系统初始对准以及组合导航等内容。

本书由戴洪德任主编，戴邵武任副主编，王希彬、刘伟、王瑞共同参与编著。其中戴邵武负责
第1~3章的编写，戴洪德负责
第8~11章的编写，王希彬负责
第4章和第5章的编写，刘伟、王瑞负责第6、7、12和13章的编写，全书由戴洪德负责统稿。在编写过程中，
笔者参阅了国内外陀螺与惯性导航类的诸多专著及学术论文，在此对这些学术资料的原作者深表感谢！

刘爱元副教授在百忙中审阅了全书，提出了许多宝贵的意见； 徐胜红副教授为本书的编写提供了诸多帮助，在此表示衷心的感谢。 
虽然经过反复审阅、校对，书中难免有不妥甚至错误之处，敬请读者斧正。
编著者
2020年2月14日

本书深入浅出的介绍关键惯性器件——陀螺仪和加速度计，以及基于陀螺仪和加速度计的惯性导航系统的基本原理，包括各型加速度计和各型陀螺仪，重点介绍平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统的基本原理和关键技术，并以Matlab为仿真手段，对惯性导航系统的原理进行仿真分析。

本书作为本科电气工程及其自动化专业陀螺与惯导原理课程的配套教材，以陀螺仪的航空应用为背景，从经典陀螺开始到现代陀螺，从陀螺基本原理到飞机上地平仪、航向陀螺等陀螺仪表的工作原理和组成结构，从平台式惯性导航系统到捷联式惯性导航系统，再到组合式导航系统基本原理，进行了全面的介绍，理论结合工程实际，力求深入浅出。