概述 慣性導航課件

1、慣性導航原理 中國民航大學電子信息工程學院崔 銘2022/9/41.2 常見的導航系統(tǒng) 概述1.1 導航的基本概念 1.3 基礎知識 1.4 慣導技術的發(fā)展 21.1 導航的基本概念 導航（Navigation） ：引導載體達到預定目的地的過程。載體包括車輛、艦船、飛機、導彈、宇宙飛行器等。 制導（guidance） ：根據(jù)導航系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，由控制系統(tǒng)來自動引導載體到達目的地。第一章 概 述3慣性導航系統(tǒng)：利用慣性敏感元件(陀螺儀、加速度計)測量載體相對慣性空間的線運動和角運動參數(shù)，在給定的初始條件下，輸出載體的姿態(tài)參數(shù)和導航定位參數(shù)。 優(yōu)點：（1）依靠自身測量的載體運動加速度信息來連續(xù)推算

2、載體速度和位置，不需要接收外部信息，不受外界干擾，是一種自主式導航系統(tǒng)；工作時不向外輻射能量，隱蔽性好；確定載體位置同時還能測量載體姿態(tài)角。5不足：慣導系統(tǒng)確定載體位置是由加速度計測得的加速度經(jīng)二次積分獲得，本質上是一種推算定位法，誤差隨時間積累，長時間工作，誤差會超出允許范圍，需用其它信息進行重調(diào)和校正；要制造高精度的慣導系統(tǒng)，必須要求慣性元件有高精度，對制造工藝、裝配工藝要求嚴格，系統(tǒng)成本高。6組合導航系統(tǒng)：上述幾種類型的導航系統(tǒng)各有優(yōu)缺點。為了提高導航系統(tǒng)的定位精度和性能，往往將上述兩種以上的導航系統(tǒng)組合成為組合式導航系統(tǒng)。航空導航儀表：導航儀表單獨測出飛機的一些參數(shù)，如磁航向、空速、高

3、度等，供給飛行員操縱飛機完成導航任務。71.什么是慣性空間這些旋轉的角速度都太小，以致于慣性器件無法敏感到，因此可以忽略。地球自轉 慣性空間是符合牛頓力學定律的空間，即是絕對靜止或只做勻速直線運動的空間慣性空間相對空間1.3 基礎知識銀河系旋轉太陽系相對銀河系旋轉地球相對太陽旋轉8（1）加速度計的可測量運動物體的加速度。（2）慣性導航是以測量運動體的加速度為基礎的導航定位方法。測量的加速度，經(jīng)過一次積分可以得到運動速度，經(jīng)過二次積分可以得到運動距離，從而給出運動體的瞬時速度和位置數(shù)據(jù)。他們?nèi)唛g的關系表示為：2.加速度、速度和航程之間的關系10 從以上看出，沿直線運動的載體，只要借助加速度計測

4、出它的加速度，載體任何時刻的速度和相對出發(fā)點的距離就可實時計算。這種不依賴外界信息，只靠對載體本身的慣性測量來完成導航任務的技術稱作慣性導航，也稱自主式導航。12 在我國的航空、航天、航海和陸地車輛的導航和定位中得到了廣泛的應用。 慣性技術還在以下國民經(jīng)濟領域里獲得了成功的應用：大地測量、海洋勘探、石油鉆井、航空測量、攝影等142.理論基礎：1）1687年牛頓提出了力學三大定律和引力定律，為慣性導航奠定了理論基礎；2）1765年俄國歐拉院士出版了著作剛體繞定點運動的理論，首次利用解析方法對定點轉動剛體作了本質解釋，創(chuàng)立了陀螺儀理論的基礎1778年法國拉格朗日在分析力學中建立了在重力力矩作用下定

5、點轉動剛體的運動微分方程組；153）1852年法國科學家傅科根據(jù)上述理論發(fā)現(xiàn)了陀螺效應，觀察到了地球自轉，并首先使用“Gyro”(Gyroscope轉動觀察)這個名詞，開創(chuàng)了人們對工程實用陀螺的研究和開發(fā)；4）1923年，舒勒發(fā)表了論文運載工具的加速度對于擺和陀螺儀的干擾，提出了84.4分的無干擾理論，為慣性技術的發(fā)展起到了關鍵的理論指導作用，陀螺儀的設計開始完善；16171820215）1939年，蘇聯(lián)布爾佳科夫通訊院士出版的：“陀螺儀實用理論”一書，認為是陀螺儀實用理論的奠基性的著作。6）1949年，J. H. Laning, Jr.發(fā)表名為“The vector analysis of

6、finite rotations and angles”的報告，建立了捷聯(lián)式慣性導航的理論基礎；233.現(xiàn)代發(fā)展7）1920年前后，出現(xiàn)了供飛機使用的轉彎速率指示器、人工水平儀和方位陀螺；8）二戰(zhàn)期間，德國的V2火箭用兩個二自由度陀螺和一個加速度計構成慣性制導系統(tǒng)，這是慣性技術在導彈制導上的首次應用。但由于慣性器件精度低，設計粗糙，無法實現(xiàn)舒拉調(diào)諧要求，因此在轟炸倫敦的過程中，1/4的V2 火箭提前掉入大海。249）1949年，美國將純慣性導航系統(tǒng)試驗安裝到一架B-29遠程轟炸機上，首次實現(xiàn)了橫貫美國大陸的全自動飛行，自主飛行時間長達10小時。10）1958年，美國海軍“鸚鵡螺”號核潛艇，從珍

7、珠港附近出發(fā)，穿越北極冰層，歷時21天到達英國波特蘭港。裝備液浮陀螺平臺慣性導航系統(tǒng)，定位誤差僅為20海里，震驚了世界。262711）20世紀70年代，美國利頓(Liton)公司的LTN系列慣導系統(tǒng)，當時幾乎占據(jù)了世界民航飛機標準慣導的全部訂單。12）隨著新概念測量原理的出現(xiàn)，新型慣性器件在不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的轉子陀螺在被新型陀螺（光學陀螺、微機械陀螺）逐步替代。284.慣導系統(tǒng)的精度第一代：40年代前，只有慣性儀表，如地平儀、羅經(jīng)等 ，談不上精度；第二代：40年代至70年代，慣性儀表從-2火箭開始出 現(xiàn)，并廣泛使用。定位精度0.3-2nmh，陀螺 精度為0.3度/；第三代：正在研制并開始投入使用，希望定位精度比第 二代提高二個數(shù)量級，陀螺精度為 度；第四代：從80 年代開始研制，應用最新現(xiàn)代科學技 術，預計定位精度小于米。305.發(fā)展慣導技術的意義 隨著科學技術的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了多種定位與導航方式和系統(tǒng)，慣導系統(tǒng)所具有的自主、隱蔽、完備導航的獨特優(yōu)點是其他導航系統(tǒng)無法比擬的。 定位與導航技術正朝著多系統(tǒng)、多功能、高精度、高可靠性方向發(fā)展。 定位與導航技術已經(jīng)發(fā)展為集現(xiàn)代傳感技術、計算機技術和現(xiàn)代