INS捷聯(lián)慣導解析課件

1、慣性導航技術(shù)第1頁，共41頁。1主要內(nèi)容一、牛頓力學和慣性導航二、陀螺和加速度計三、現(xiàn)代慣性導航技術(shù)第2頁，共41頁。2一、牛頓力學和慣性導航1牛頓定律相對慣性空間成立第二定律：F=maYZXF=ma第3頁，共41頁。3 公式對比：F=ma M=H 廣義的牛頓第二定律：對高速轉(zhuǎn)動的質(zhì)量有 M=H F=ma 對應 M=H ； m 對應 H=J 定軸性 陀螺的進動 陀螺的漂移（陀螺的精度） 第一定律-物體的慣性 （第二定律的特殊情況）第二定律-物體慣性的定量的量度物體相對慣性空間的運動特性. HM第4頁，共41頁。4加速度a是核心運動體相對慣性空間的運動： a=0 V0=0 a =0時，相對慣性空

2、間不動 V0=const a=0時，原速度相對慣性空間運動 a0 ; a0 M=0（F=0），運動體保持慣性不變的特性，以此構(gòu)成儀表或系統(tǒng)，成為飛行器的姿態(tài)參考基準；以此模擬慣性坐標系或地理坐標系等。第5頁，共41頁。52.加速度、速度和航程關系 第6頁，共41頁。63.在平面上的導航 簡化的二維導航例平面用OXY坐標系表示，t=0時，運動體在坐標原點，有一個平臺，平臺上放置兩個加速度計OX-EastOY-NorthXOY在導航過程，平臺保持水平，且 :平臺確保加速度計始終輸出沿OX和OY向的加速度第7頁，共41頁。7力矩電機力矩電機力矩電機坐標變換器第8頁，共41頁。84.平臺式慣性導航基本

3、原理：陀螺穩(wěn)定平臺 X軸加速度計Y軸加速度計顯示器積分積分積分積分計算機第9頁，共41頁。9三軸慣導平臺結(jié)構(gòu)示意圖第10頁，共41頁。105.捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)(空間導航)速度位置加速度角速度輸出顯示加速度分量飛行器坐標系與地理坐標系間方向余弦矩陣導航計算修正姿態(tài)航向姿態(tài)及方位角 計算慣性元件數(shù)學平臺計算機第11頁，共41頁。11慣性組合示意圖捷聯(lián)慣性組合陀螺XYZXYZ陀螺加速度計冗余捷聯(lián)慣性組合第12頁，共41頁。12捷聯(lián)算法:轉(zhuǎn)旋矢量算法 1剛體有限轉(zhuǎn)動的不可交換性 2（等效）旋轉(zhuǎn)矢量算法理論 方向余弦和四元數(shù)法在求解時用到了角速度矢量積分， 即 較大的不可交換性誤差 旋轉(zhuǎn)矢量的定義：剛體在

4、t時刻相對初始位置的空間位置可以用一個旋轉(zhuǎn)矢量表示，即剛體以旋轉(zhuǎn)矢量為軸，轉(zhuǎn)動等于幅值大小的角度時，此時剛體的位置即為剛體在t時刻的位置。 第13頁，共41頁。13等效旋轉(zhuǎn)矢量三子樣計算公式姿態(tài)矩陣的更新式中 為旋轉(zhuǎn)矢量幅值； 等效旋轉(zhuǎn)矢量反對稱矩陣。 第14頁，共41頁。14 用矩陣表示第15頁，共41頁。156. 無陀螺捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)兩種加速度計的配置方案YXZYXZ第16頁，共41頁。16第17頁，共41頁。17二、陀螺和加速度計.陀螺第一方案：慣性體定姿態(tài)不受外力和外力矩作用的慣性體，理論上可以保持相對慣性空間的姿態(tài)不變，在工程上不能實現(xiàn)理由是：（1）物體的重心和支承中心不重合（2）支

5、承摩擦力矩（3）溫度系數(shù)等第18頁，共41頁。18第二方案：轉(zhuǎn)子類型陀螺轉(zhuǎn)子陀螺：（1）結(jié)構(gòu)-高速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子（2）可實現(xiàn)的理由： M=H,H可大.M可小 所以漂移可很小.（3）分類：液浮陀螺，靜電陀螺，撓性陀螺.第19頁，共41頁。19第一、二方案比較： 第20頁，共41頁。20第21頁，共41頁。21第三方案：振動陀螺振動的音叉 V=Asinwt輸入角速度 Q音叉繞支軸產(chǎn)生哥氏加速度： a=4VQ/K（是MMVG的基本工作方式）VQ第22頁，共41頁。22第四方案:光學陀螺薩格奈克效應：法國物理學(GeorgesSagnac)1914發(fā)表的論文：用光的運動速度和它的發(fā)射源的運動狀態(tài)無關，即光

6、的慣性性 ：相移 ：角速度 D：直經(jīng)，：光路長B：波長，C：光速以上原理形成：激光陀螺、光纖陀螺測量角速度X=(4dl/bc)Q=kQQt1t2Light source第23頁，共41頁。23三角環(huán)型激光陀螺原理圖第24頁，共41頁。24激光陀螺主要構(gòu)成部件 1 晶體塊狀材料 2 反射鏡 3 增益介質(zhì) 4 讀出機構(gòu) 5 相關的電路第25頁，共41頁。25Laser Gyro Error Source第26頁，共41頁。26干涉型光纖陀螺儀（I-FOG） 偏振器調(diào)制器圖4-4-4 開環(huán)光纖陀螺儀 耦合器光纖線圈耦合器激光源鎖相放大器檢測器模擬角速度輸出振蕩器第27頁，共41頁。27Input/o

7、utput relationship of a dithered laser gyro第28頁，共41頁。28Ring Laser Gyro Error Budged Parameters (will meet a 1.852 km/h navigatio system CEP rate or better) 第29頁，共41頁。29第五方案： 集成微型陀螺儀：MMVG MMAMotionPak 陀螺精度：Range:(-100-+100)deg./sec ;Bias:2deg./sec; Alignment to base:1deg.; Resolution:14deg./hurday to

8、 day drift rate bias(100-360)deg./hdrift rate bias in run:(60-180)deg/h(averaged within 20 s)drift rate bias in run:(10-50)deg./h(averaged within 250 s)MotionPak 只能和做組合導航系統(tǒng)Y0X0Z0H第30頁，共41頁。30加速度計工作原理aL aM L a L第31頁，共41頁。31三、現(xiàn)代導航技術(shù)慣性導航系統(tǒng)-如陀螺漂移為0.01度/小時-1 海里 （10m-0。000056 0.01度/小時） 加速度計誤差為 5*10-6g-32.

9、4 米組合導航系統(tǒng)-INS+GPS INS+CNS多信息源融合導航系統(tǒng)如美國在航天飛機的導航系統(tǒng)中采用五個機載計算機組成的冗余系統(tǒng)，處理由TACON，RA， IMU，星體跟蹤器等所獲得的測量信息，經(jīng)處理得出航天飛機的位置，速度，姿態(tài)等導航與制導信息，近年又有GPS系統(tǒng)加入。第32頁，共41頁。32第33頁，共41頁。33多信息源融合導航技術(shù)的說明多信息源融合導航系統(tǒng)是指多傳感器信息融合來自多個傳感器的信息，變換到同一個導航坐標系，建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程和測量方程，在一定的最優(yōu)估計準則下，獲得飛行狀態(tài)矢量的最優(yōu)估計如速度，位置，角速度，姿態(tài)和各種失調(diào)偏差量，他們可以用來描述系統(tǒng)的運行狀態(tài)，最優(yōu)估計準

10、則：最小均方誤差等，處理方式有最小二乘，Kalman，確定性系統(tǒng)設計一個觀測器來估計系統(tǒng)的狀態(tài)；隨機系統(tǒng)使用alman 濾波器來獲得系統(tǒng)狀態(tài)的最小方差估計多信息源融合導航系統(tǒng)采用分散化濾波（聯(lián)邦濾波器）技術(shù)將一個高階系統(tǒng)的狀態(tài)估計問題，分解成若干個子系統(tǒng)的局部狀態(tài)估計問題，通過設計一組子觀測器或局部濾波器獲得每個子統(tǒng)的局部估計，并依據(jù)一定的準則獲得系統(tǒng)的狀態(tài)估計第34頁，共41頁。34自年代以來，人們采用分散化濾波技術(shù)：1).所謂的分散化濾波，是將一個高階系統(tǒng)的狀態(tài)估計問題，分解成若干個子系統(tǒng)的局部狀態(tài)估計問題，通過設計一組子觀測器或局部濾波器獲得每個子系統(tǒng)的局部估計，并依據(jù)一定的準則獲得系統(tǒng)

11、的整體狀態(tài)估計2)導航和制導多傳感器信息融合，就是將每個傳感器的測量空間所組成的測量子空間，按著其測量數(shù)據(jù)間的關系進行互聯(lián)，向局部空間投影，形成局部測量空間(最優(yōu)，次優(yōu)-)，局部測量空間按著一定的準則向?qū)Ш脚c制導空間投影，形成系統(tǒng)狀態(tài)的最優(yōu)估計分散化濾波技術(shù)對于隨機系統(tǒng)是基于Kalman濾波理論的分散濾波問題第35頁，共41頁。35聯(lián)邦濾波器的原理 參考系統(tǒng) 子系統(tǒng)1 子系統(tǒng)2 子系統(tǒng)n主濾波器 時間更新 最優(yōu)融合 局部濾波器 1局部濾波器2局部濾波器n第36頁，共41頁。36組合導航融合信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 通訊網(wǎng)絡智能接口綜合導航數(shù)據(jù)庫導航傳感器智能接口GPSINSCNSINMIS計算機導航傳

12、感器智能接口 雷達高度表 氣壓高度表TRN圖形圖像發(fā)聲器智能接口數(shù)字地圖 發(fā)生器 全景圖形圖像發(fā)生器紅外及近紅外 圖像傳感器綜合全景顯示器INMIS硬件結(jié)構(gòu)框圖第37頁，共41頁。37INMIS的組成INMIS 計算機-一個通用計算機智能接口 （個）導航與制導傳感器 （個）綜合導航信息數(shù)據(jù)庫(3)圖形圖象發(fā)生器(2)綜合顯示器(5)第38頁，共41頁。38自主導航的理論和應用（名詞介紹）是近年來特別強調(diào)的一種導航技術(shù)，主要是針對軍事用途的不依賴于外部信息的條件下實現(xiàn)精確導航的關鍵技術(shù)。最早指慣性導航，現(xiàn)在指：INS,天文導航，衛(wèi)星導航(GPS)。另：地形匹配上述系統(tǒng)的單獨應用或組合應用的理論構(gòu)成了自主導航的理論。線性和非線性濾波理論是關鍵技術(shù)。第39頁，共41頁。39衛(wèi)星導航原理(GPS)衛(wèi)星地球空間用戶空間衛(wèi)星控制網(wǎng)主控站監(jiān)視站第40頁，共41頁。40Holloman Air Force Base,New MexicoC.S.Draper Laboratory,MITLitton Cor.INS/Inertial Navigation