慣性導(dǎo)航第一章

1、慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 張曉瑜 中國(guó)民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院電子系 2021-6-25 2021年6月25日2 講述內(nèi)容 導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航概述與坐標(biāo)系 陀螺儀及應(yīng)用 加速度計(jì) 慣性平臺(tái) 舒勒擺原理及其在平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn) 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差 捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng) 慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn) 組合導(dǎo)航 2021年6月25日3 第一章 導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以及坐標(biāo)系 1. 導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航 2. 慣性和非慣性坐標(biāo)系 2021年6月25日4 第一節(jié) 導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航 導(dǎo)航及其種類 導(dǎo)航：是指將載體從一個(gè)位置引導(dǎo)到另一個(gè)位置的過(guò)程。 導(dǎo)航基本要素：位置、速度、航向 種類：導(dǎo)航儀表、無(wú)線電導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、多普勒雷達(dá)導(dǎo)航、 衛(wèi)星導(dǎo)航、

2、慣性導(dǎo)航和組合導(dǎo)航。 2021年6月25日5 無(wú)線電導(dǎo)航 利用無(wú)線電波直線傳播及恒速特性 機(jī)上接收系統(tǒng) 精度較高，電波易受干擾 多普勒雷達(dá)導(dǎo)航 利用多普勒效應(yīng)測(cè)量速度 無(wú)需地面臺(tái)，定位精度與反射面形狀有密切關(guān)系 當(dāng)接收不到反射波時(shí)無(wú)法工作 導(dǎo)航方法簡(jiǎn)介 2021年6月25日6 衛(wèi)星導(dǎo)航 無(wú)線電波傳輸，依賴衛(wèi)星 導(dǎo)航衛(wèi)星、地面站和用戶設(shè)備三大部分 導(dǎo)航精度高，適于全球?qū)Ш剑瑑r(jià)格低廉 需要龐大地面站支持，電波易受干擾，衛(wèi)星受人控制 天文導(dǎo)航 借助星體跟蹤器自動(dòng)跟蹤兩個(gè)星體 云霧天氣飛行或中低空無(wú)法看到其它星體 導(dǎo)航方法簡(jiǎn)介 2021年6月25日7 慣性導(dǎo)航 基本原理慣性測(cè)量元件測(cè)量載體相對(duì)于慣性空

3、間的運(yùn) 動(dòng)參數(shù)，并經(jīng)計(jì)算后實(shí)施導(dǎo)航任務(wù)。 加速度計(jì)加速度速度與位置 陀螺儀角運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和航向 導(dǎo)航方法簡(jiǎn)介 2021年6月25日8 2021年6月25日9 用經(jīng)、緯度表示的簡(jiǎn)化慣導(dǎo)系統(tǒng)方框圖 2021年6月25日10 慣導(dǎo)系統(tǒng)基本組成 慣性元件加速度計(jì)、陀螺儀 測(cè)量飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的加速度、角速度 穩(wěn)定平臺(tái) 為加速度計(jì)提供準(zhǔn)確的安裝基準(zhǔn)和測(cè)量基準(zhǔn) 導(dǎo)航計(jì)算機(jī) 進(jìn)行積分、相加、乘除和三角函數(shù)等數(shù)學(xué)計(jì)算，同時(shí)計(jì)算修正指令 控制顯示組件 導(dǎo)航參數(shù)顯示、初始數(shù)據(jù)的引入、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、故障顯示和告警 方式選擇組件 控制系統(tǒng)的工作狀態(tài) 備用電池組件 交流電源失效時(shí)，作為備用電源 2021年6月25日11 慣導(dǎo)系統(tǒng)特點(diǎn)

4、工作自主性強(qiáng) 提供導(dǎo)航參數(shù)多 抗干擾力強(qiáng)，適用條件寬 導(dǎo)航精度隨飛行時(shí)間增加而不斷下降 平臺(tái)式慣導(dǎo)與捷聯(lián)式慣導(dǎo) 是否存在實(shí)體平臺(tái) 平臺(tái)式慣導(dǎo)存在實(shí)際的陀螺穩(wěn)定平臺(tái)，承載慣性元件 捷聯(lián)式慣導(dǎo)采用“數(shù)學(xué)平臺(tái)”，加速度計(jì)和陀螺儀直接安裝 在載體上 2021年6月25日12 組合導(dǎo)航 提高導(dǎo)航系統(tǒng)的余度和容錯(cuò)能力 GPS+INS；無(wú)線電導(dǎo)航+慣性導(dǎo)航；三者組合 導(dǎo)航方法簡(jiǎn)介 2021年6月25日13 坐標(biāo)系定義（一） q陀螺坐標(biāo)系 q地理坐標(biāo)系 q慣性坐標(biāo)系 q地球坐標(biāo)系 q機(jī)體坐標(biāo)系 q平臺(tái)坐標(biāo)系 2021年6月25日14 陀螺坐標(biāo)系 陀螺坐標(biāo)系 ox軸：與陀螺內(nèi)環(huán)軸一致，固連于內(nèi)環(huán)上 oz軸：與陀

5、螺轉(zhuǎn)子軸一致，固連于內(nèi)環(huán)上，但不隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng) oy軸：與oxy平面平行，大方向與外環(huán)一致，但一般不與外環(huán) 軸一致 2021年6月25日15 地理坐標(biāo)系 E軸：指東，即坐標(biāo)軸：指東，即坐標(biāo) 原點(diǎn)緯線向東的方向原點(diǎn)緯線向東的方向 N軸：指北，即坐標(biāo)軸：指北，即坐標(biāo) 原點(diǎn)經(jīng)線向北的方向原點(diǎn)經(jīng)線向北的方向 V 軸：沿地垂線方向軸：沿地垂線方向 XTYT ZT E N V G L 返回 2021年6月25日16 慣性坐標(biāo)系 取地球中心為原點(diǎn)取地球中心為原點(diǎn) Z軸：指向地球自轉(zhuǎn)軸：指向地球自轉(zhuǎn) 軸方向軸方向 另外兩軸在赤道平面另外兩軸在赤道平面 內(nèi)，不隨地球轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)，不隨地球轉(zhuǎn)動(dòng) XY Z equator 返

6、回 2021年6月25日17 地球坐標(biāo)系 WGS-84 (XT,YT,ZT) XT 赤道平面和與本赤道平面和與本 初子午線的交線初子午線的交線 ZT 地球自轉(zhuǎn)軸重合地球自轉(zhuǎn)軸重合 YT與 與XT、 ZT 組成的 組成的 平面垂直平面垂直 固連于地球上并與地固連于地球上并與地 球一起轉(zhuǎn)動(dòng)球一起轉(zhuǎn)動(dòng) XT YT ZT equator Greenwich meridian X *t 返回 2021年6月25日18 機(jī)體坐標(biāo)系 - roll - pitch - heading ZB 返回 2021年6月25日19 平臺(tái)坐標(biāo)系 2021年6月25日20 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系（二） q 在飛機(jī)上模擬慣性坐標(biāo)系或

7、地理坐標(biāo)系 利用三自由度自由陀螺或定位陀螺來(lái)模擬慣性系或地理系 q 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系 地理坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系的關(guān)系（姿態(tài)角） 地理坐標(biāo)系與慣性坐標(biāo)系的關(guān)系 2021年6月25日21 地理坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系的關(guān)系 q 設(shè)起始時(shí)地理坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系重合。 飛機(jī)繞其豎軸轉(zhuǎn)動(dòng)角，相當(dāng)于飛機(jī)方位發(fā)生了變化，即航向 發(fā)生了變化 飛機(jī)繞其縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)角，相當(dāng)于飛機(jī)有傾斜角。 飛機(jī)繞其橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)角，相當(dāng)于飛機(jī)有俯仰角。 q 姿態(tài)角定義 航向角：飛機(jī)縱軸在水平面內(nèi)的投影相對(duì)地理系指北線夾角 俯仰角：飛機(jī)縱軸與地平面間的夾角或飛機(jī)繞其橫軸的轉(zhuǎn)角 傾斜角：飛機(jī)橫軸與地平面間的夾角或飛機(jī)繞其縱軸的轉(zhuǎn)角 2021年6月25日22 ZB ZB YB 返回 2021年6月25日23 地理坐標(biāo)系與慣性坐標(biāo)系的關(guān)系 地理坐標(biāo)系相對(duì)慣性坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)組成： 地球自轉(zhuǎn) 飛機(jī)運(yùn)動(dòng) 2021年6月25日24 2021年6月25日25 cos eN sin ez e z N e 返回 2021年6月25日26 2021年6月25日27 hR V hR V N cos hR V N sin cos cosVVN sinVVE V E N VE VN cos sin coshR V hR V E hR V hR V N E cos tg hR