03-导航学(第三章)惯性导航系统.ppt

第三章 惯性导航系统 教授：魏二虎 § 3.1 概 述 惯性导航是一种自主式的导航方式。 它完全依靠机载设备自主地完成导航任务，和外界不发生任何光、电联系，因此隐蔽性好，工作不受气象条件的限制。 是航天、航空和航海领域中广泛使用的主要导航方法，在导航技术中占有突出的地位。 § 3.1 概 述 惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，利用一组加速度计连续的进行测量，而后从中提取运动载体相对某一选定的导航坐标系的加速度信息； 通过一次积分运算（载体的初始速度已知）便得到载体相对导航坐标系的即时速度信息；再通过一次积分运算（载体初始位置已知）便又得到载体相对导航坐标系的即时位置信息。 § 3.1 概 述 在实际的惯导系统中，载体的位置一般都用地理经纬度L和 来表示。如果x轴指北，y轴指东，R表示地球半径，则用经纬度表示的载体位置为： § 3.1 概 述(2013-11-22) 惯性导航系统通常由以下几个部分组成： 　　加速度计 用来测量载体运动的加速度。 　　惯导平台 模拟一个导航坐标系。 　　导航计算机 完成导航计算和平台跟踪回路中指令角速度信号的计算。 　　控制显示器 给定初始参数及系统需要的其他参数，显示各种导航信息。 § 3.1 概 述 从结构上来说，可把惯导分成两大类： 一类是平台式惯导；在平台式惯导中，以实体的陀螺稳定平台确定的平台坐标系来精确地模拟某一选定的导航坐标系，从而获得所需的导航数据。 § 3.1 概 述 另一类是捷联式惯导；在捷联式惯导中则通过计算机实现的数学平台来替代实体平台，由此带来的好处是可靠性高、体积小和价格便宜。 § 3.2 平台式惯导系统的基本原理 3.2.1 平台式惯导系统的基本组成 平台式惯导系统的核心是惯性级的陀螺稳定平台。三个加速度计的敏感轴分别沿三个坐标轴的正向安装，测得载体的加速度信息就体现为比力在平台坐标系中的三个分量。 通过必要的计算和补偿，可从提取出载体相对导航坐标系的加速度矢量的三个分量。再通过两次积分，可得到载体相对导航坐标系的速度和位置。 § 3.2 平台式惯导系统的基本原理3.2.1 平台式惯导系统的基本组成 平台式惯导系统按所选定的导航坐标系的不同又可分为： 　　1．当地水平面惯性导航系统 　　这种系统的导航坐标系是一种当地水平坐标系，也是前面所说的地理坐标系，即平台系的两个轴x轴及y轴保持在水平面内，z轴与地垂线相重合。 由于两个水平轴可指向不同的方位，故这种系统又可分为： (1)指北方位惯导系统。这种系统在工作时x轴指向地理东向（E），y轴指向地理北向（N），即平台系模拟当地地理坐标系(用g来标识)。 (2)自由方位惯导系统。在系统工作中，平台y轴不跟踪地理北向而是与北向夹某个角度，称自由方位角。 § 3.2 平台式惯导系统的基本原理3.2.1 平台式惯导系统的基本组成 　　2、空间稳定惯导系统 这种系统的导航坐标系为惯性坐标系(用i来标识)，一般采用原点定在地心的惯性坐标系。z轴与地轴重合指向北极，x、y轴处于地球赤道平面内，但不随地球转动。 与当地水平面惯导系统相比，平台所取的空间方位不能把运动加速度和重力加速度分离开，而要依靠计算机进行补偿。 § 3.2 平台式惯导系统的基本原理3.2.1 平台式惯导系统的基本组成 平台式惯导系统 原理框图 § 3.2 平台式惯导系统的基本原理3.2.1 平台式惯导系统的基本组成 左图给出了平台式惯导系统的组成结构图。 图中所示的惯性平台是由三个单自由度陀螺组成的三环平台。沿三个平台轴线分别安装三个加速度计，分别测得各轴分量，此信号送给导航计算机，经过计算和补偿，最后可求得载体的即时地速、即时位置等导航参数；同时各轴陀螺相对惯性空间有转动角速度，计算机算出的三轴分量并变为电信号后加给平台上相应的三个陀螺控制轴的力矩器，使惯导平台与当地水平面一致，另外计算机还向显示器输出当前的姿态。 § 3.2 平台式惯导系统的基本原理3.2.1 平台式惯导系统的基本组成 　　不同算法方案的平台式惯导系统，其组成结构是相似的，区别主要是选用的导航坐标系不同，因而导航参数与指令角速率的计算过程不同，即力学编排方程不同。当然，对元部件的要求也可能有所不同。 § 3.2 平台式惯导系统的基本原理3.2.2 水平指北方位惯导系统机械编排方程 惯导系统的机械编排是指系统的实体布局、采用的坐标系及解析计算方法的总和。它体现了从加速度计的输出到计算出即时速度和位置以及对平台陀螺进行施矩控制的整个过程。 进行机械编排就是确定和提出反映系统中各力学量之间联系的方程组，又称之为惯导系统的机械编排方程。 § 3.2 平台式惯导系统的基本原理3.2.2 水平指北方位惯导系统机械编排方程 下面列出指北方位惯导系统的机械编排方