1、捷联惯导概述

1.1 什么是捷联惯导

捷联惯导（Strapdown Inertial Navigation System, SINS）是一种将惯性测量单元（IMU）直接“捆绑”（Strapdown）在载体上，通过计算机实时解算载体姿态、速度和位置的自主导航系统。

与传统的平台式惯导不同，捷联惯导没有物理的稳定平台，而是利用数学算法在计算机中建立一个“数学平台”。IMU中的陀螺仪和加速度计直接感受载体的角运动和线运动，导航计算机通过积分运算完成姿态更新、速度更新和位置更新。

1.2 惯导系统分类

惯性导航系统根据其物理结构和工作原理，主要分为以下两类：

分类方式	类型	特点
按结构	平台式惯导（GINS）	具有物理稳定平台，陀螺和加速度计安装在平台上，平台跟踪导航坐标系
	捷联式惯导（SINS）	无物理平台，IMU直接固联于载体，依靠数学平台解算
按精度	战略级	陀螺漂移 < 0.001°/h，用于潜艇、洲际导弹
	导航级 / 战术级 / 微机械级	精度递减，成本递减，用于飞机、无人机、消费电子

1.3 捷联惯导与平台惯导的区别

捷联惯导与平台惯导的核心区别在于“平台”的实现方式：

• 物理平台 vs 数学平台：平台惯导使用伺服电机和万向支架构建物理稳定平台，隔离载体角运动；捷联惯导通过计算机中的姿态更新算法（如四元数法、等效旋转矢量法）构建数学平台。
• 体积与成本：捷联惯导省去了复杂的机械结构，体积更小、重量更轻、成本更低，易于维护。
• 动态范围：捷联惯导的IMU直接承受载体全部角运动，因此对陀螺仪的动态范围和带宽要求更高（通常需要测量 ±400°/s 以上）。
• 计算复杂度：捷联惯导需要实时进行高频率的姿态更新和圆锥/划船误差补偿，计算量远大于平台惯导。
• 可靠性：捷联惯导无活动部件，抗冲击振动能力强，可靠性更高。

1.4 捷联惯导的应用领域

由于捷联惯导具有自主性、抗干扰性、高数据更新率等优势，广泛应用于以下领域：

1. 航空航天：飞机惯性导航系统、导弹制导与控制、卫星姿态确定。
2. 陆地导航：坦克、装甲车、无人地面车辆的自主定位。
3. 海洋工程：舰船导航、水下无人潜航器（AUV/UUV）的惯性导航。
4. 机器人：移动机器人、四足机器人的姿态估计与里程计。
5. 消费电子：智能手机、可穿戴设备中的步态分析、室内定位（常与GNSS/视觉融合）。
6. 测绘与地理信息：车载移动测绘系统（MMS）中的位姿基准。

课程提示：理解捷联惯导的本质是“用算法代替硬件”，这是后续学习姿态解算、速度积分和位置更新的思想基础。在下一节中，我们将深入讨论IMU的测量模型与误差特性。