《惯性导航系统》课件.ppt

第3章 惯性导航系统 3.1 惯性导航系统概述3.2 平台式惯导系统(物理平台)3.3 捷联式惯导系统(数学算法)3.4 两种惯导系统的简单比较3.5 惯导系统平台(陀螺稳定平台)3.6 组合导航3.7 小结3.1 惯导系统概述-1导航-定位；天文导航；无线电导航；地磁导航；卫星导航；地形匹配；惯性导航；惯性导航有其独特的优点，自主式导航。3.1 惯导系统概述-2地球椭球模型 长半轴(km)扁率(a-b)/a适用地区Clarke(1866)6378.206 1/294.9786982北美Krasovski(1940)6378.245 1/298.30前苏联International(1924)6378.388 1/297.0前苏联WGS84(1984)6378.137 1/298.257223568全球 3.1 惯导系统概述-3 地球重力场由万有引力 和地球自转产生的离心 力合成；地球表面某点纬度，是 该点的垂线方向与赤道 平面之间的夹角；三种垂线对应三种纬度：地心、测地、重力(天文)3.1 惯导系统概述-4 由于运动的相对性，必须定义坐标系。导航中通常应用惯性坐标系有两种：1)太阳中心惯性坐标系；2)地心惯性坐标系。确定运动体相对地球位置的坐标系：1)地理坐标系；2)地球坐标系；3)大圆弧坐标系。3.1 惯导系统概述-5 太阳中心惯性坐标系地球公转平面3.1 惯导系统概述-6 地心惯性坐标系(不随地球自转)地球自转轴3.1 惯导系统概述-7 地理坐标系(东北天配置)3.1 惯导系统概述-8 地球坐标系(与地球固联)零子午线东经90deg3.1 惯导系统概述-9 大圆弧坐标系A-发射点；B-目标点；P-飞行器位置。三点确定新赤道面3.1 惯导系统概述-10 加速度计、平台、积分器、初始条件调整简化惯导系统原理图3.2 平台式惯导系统-1从总体设计来说，各类惯导系统都必须解决两个问题：一是建立参考坐标系；二是利用加速度计的输出得到有效导航信息。那么不同坐标系的选取就构成不同的方案。半解析式惯导系统(物理平台跟踪水平面)：1)固定方位半解析式惯导系统；2)自由方位半解析式惯导系统。解析式惯导系统(物理平台相对惯性空间固定)3.2 平台式惯导系统-2半解析式惯导系统平台3.2 平台式惯导系统-3固定方位半解析式惯导系统原理图3.2 平台式惯导系统-4一次积分得到速度分量再次积分可以得到载体所在的经度和纬度3.2 平台式惯导系统-5平台在载体上的安装3.2 平台式惯导系统-6修正回路：如果陀螺不加力矩控制信号，此平台将相对惯性空间稳定，而地理坐标系相对惯性空间是在不断运动的，因此若要使平台跟踪地理坐标系，就必须给陀螺施加控制电流，使三个陀螺进动：3.2 平台式惯导系统-7解析式惯导系统平台3.2 平台式惯导系统-8惯导系统平台上重力加速度的变化3.2 平台式惯导系统-9解析式惯导系统原理图3.2 平台式惯导系统-10加速度计的输出信号里，包含了重力分量：那么载体在惯性空间中的三个加速度分量：3.2 平台式惯导系统-11经过两次积分，就可以分别得到载体相对惯性坐标系的速度和位移：3.3 捷联式惯导系统-1捷联式惯导系统，在结构安排上的最大特点是没有机械式陀螺稳定平台，陀螺仪和加速度计等敏感元件直接固定在载体上，两类敏感元件的输入轴都与飞行器的体轴相重合。因此，陀螺仪和加速度计所获得的都是相对于飞行器坐标系上的运动信息，需要经过数学转换，才能获得相对地理坐标系的运动信息。3.3 捷联式惯导系统-2捷联式惯导系统原理图3.4 两种导航方式的简单比较-1平台式惯导系统，用机电控制方法建立物理实体平台，用于模拟所要求的导航坐标系。最大缺点是结构复杂、体积大、重量大、可靠性差，随着激光陀螺批量制造技术的成熟，捷联式惯导系统正在各个领域逐步取代平台式惯导系统。3.4 两种导航方式的简单比较-2捷联式惯导系统的最大特点是依靠算法建立起导航坐标系，即物理平台以数学平台代替，其好处是以复杂的算法设计和繁重的计算负荷换取的；姿态更新解算是捷联式惯导的关键算法；载体把自身的振动直接传递给测量元件，从而恶化它们的工作条件；飞机用捷联式惯导系统已经商品化。3.5 惯导平台-1惯导平台是惯性导航系统的核心部件；惯导平台有两种，一是物理平台；二是捷联式平台；惯导平台根据其模拟的坐标系不同，可以分为跟踪平台和空间稳定平台，前者模拟所需要的导航坐标系，一般是地理坐标系，后者模拟惯性坐标系；物理平台可以由两自由度陀螺实现，也可由三自由度陀螺实现。3.5 惯导平台-2用三个两自由度陀螺稳定的三轴稳定平台3.5 惯导平台-3用两个三自由度陀螺稳定的三轴稳定平台3.5 惯导平台-4惯导平台产生漂移的几个原因：一是陀螺漂移；二是陀螺在台体上的安装误差；三是控制陀螺的电流以及力矩器线性度；此外还有以下三个方面的干扰：电磁干扰、振动干扰、温度变化干扰，因此在惯导系统的工程实现上，电磁兼容、减震基座以及平台的热平衡设计和调节都是重要课题。3.5 惯导平台-5在静止或匀速直线运动条件下，地垂线可以通过单摆确定，当运载体有加速度时，单摆跟踪视在垂线。休拉调谐：不受加速度影响的数学摆。1910年休拉(德)发现当陀螺罗经的无阻尼振荡周期为分时，罗经的指北精度不再受外界加速度干扰，1923年发表论文详细阐述了惯性系统的无干扰条件，即休拉调谐原理。3.5 惯导平台-6休拉调谐的实现途径：复摆、陀螺、休拉调整平台。3.6 组合导航-1惯性导航：自主式，误差累积；多普勒系统：误差与工作时间无关，保密性差；天文导航：位置精度高，受观测星体可见度影响；卫星导航：精度高，全球、全天候，大机动丢失目标；取长补短。3.6 组合导航-2惯性导航+GPS是一种非常完美的组合导航方式；卡尔曼滤波，信息融合理论的应用；有什么信息源就用什么信息源；在军事上，惯导系统的地位是不可取代的，组合导航系统也都是以惯性导航为主的。3.7 小结建立在惯性原理基础上的惯性导航系统，不需要任何外来信息，也不向外辐射任何信息，仅靠惯性导航系统本身就能全天候、在全球范围内和任何介质环境里自主地、隐蔽地获取运载体完备运动信息；尽管其他导航方式的某些性能可能远优于惯导系统，但惯导仍是运载体不可缺少的核心导航设备；惯性导航综合了机电、光学、数学、力学、控制及计算机等学科。天文导航、星光导航双星定位原理天文导航系统：陀螺稳定平台星体跟踪器计算机返回卫星导航(GPS)-1GPS系统主要由导航卫星、地面站及用户设备组成；GPS的导航卫星由24颗工作星以及一定数量可随时投入工作的备份星组成，运行周期约12h，工作星分布在6条20000km高度的近圆轨道上，地球上任一点可同时观测到6-11颗工作星；工作原理：卫星导航(GPS)-2根据信号延时，获得用户与卫星的伪距离：为第i颗卫星的信号传播延时；X、Y、Z、Xsi、Ysi、Zsi都是相对惯性坐标系的坐标。卫星导航(GPS)-3返回 多普勒导航1942年多普勒发现，运动物体上发射的声波频率f1与反射波频率f2之间存在如下关系：返回