機(jī)載電子設(shè)備課件-5第五章1new

第五章慣性導(dǎo)航系統(tǒng)2010.11.012主要內(nèi)容概論參考坐標(biāo)系慣性導(dǎo)航基本原理加速度計平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差與初始對準(zhǔn)慣性導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)展31.概述(1)導(dǎo)航：指引飛機(jī)到達(dá)目的地的過程。導(dǎo)航系統(tǒng)兩大分類自主式導(dǎo)航系統(tǒng)：不需要與地面導(dǎo)航設(shè)備配合而能獨(dú)立工作，如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；非自主式導(dǎo)航系統(tǒng)：必須與地面導(dǎo)航設(shè)備配合工作，如無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航(InertialNavigation)：一種自主式導(dǎo)航，通過測量飛機(jī)加速度（慣性），并自動積分運(yùn)算，以獲得飛機(jī)的即時速度和即時位置數(shù)據(jù)。41.概論(2)慣性導(dǎo)航的意義慣性導(dǎo)航可以在一個完全與外界條件以及電磁環(huán)境隔絕的假想“封閉”空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航。這在軍事上很有價值，因?yàn)閼T性導(dǎo)航可以不受氣候和電子干擾。重要軍事應(yīng)用：導(dǎo)彈、軍用飛機(jī)的制導(dǎo)或?qū)Ш健?1.概述(3)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可提供多達(dá)35個導(dǎo)航參數(shù)，主要包括：即時經(jīng)度和緯度，飛機(jī)地速、航跡角，飛機(jī)的姿態(tài)角、航向角及角速度，沿給定坐標(biāo)軸的三個線加速度，垂直（升降）速度，慣性高度等。61.概述(4)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供完整的導(dǎo)航參數(shù)和姿態(tài)參數(shù)（唯一可以直接測量飛機(jī)姿態(tài)參數(shù)的導(dǎo)航系統(tǒng)）。不依賴地面設(shè)施（不依賴于任何外部信息，也不向外部輻射能量），不受地形和氣候條件的限制，也不受無線電干擾的影響。在系統(tǒng)完成校準(zhǔn)后，定位精度高，可以在全球范圍內(nèi)全天候工作。71.概述(5)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)必須給定運(yùn)動的初始條件，使用前自校準(zhǔn)的時間長，使用中隨時間的增長產(chǎn)生累積誤差，在一定時間后，需要進(jìn)行修正。81.概述(5)慣性導(dǎo)航的理論基礎(chǔ)：牛頓第二定律（論述了物體的加速度、質(zhì)量和所受作用力三者之間的關(guān)系）物體受外力作用時，會沿外力方向產(chǎn)生加速度，其大小與外力成正比，與物體的質(zhì)量成反比；在這種情況下，如果已知物體的初始位置、初始速度和運(yùn)動過程的加速度，即可推算出物體在任何時刻的速度及其位置。91.概述(6)對于飛機(jī)，加速度是空間向量，為此需要在飛機(jī)上建立三維空間正交坐標(biāo)系，然后按飛機(jī)沿三個坐標(biāo)軸方向給出初始條件，測出運(yùn)動加速度，以便進(jìn)一步推出飛機(jī)在任何時刻的速度向量以及空間位置。計算速度的方法是用加速度對時間進(jìn)行積分，加上初始速度值求得；計算位置的方法是用速度對時間進(jìn)行積分，加上初始位置值求得。101.概述(7)

其中，a，v和S為飛機(jī)的加速度、速度和飛行距離；為初始速度和初始位置。112.參考坐標(biāo)系機(jī)體坐標(biāo)系地心慣性坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系陀螺穩(wěn)定平臺坐標(biāo)系12縱軸：飛行方向及飛機(jī)推力和阻力作用方向

橫軸：飛機(jī)測滑或橫向力作用方向

垂直軸：飛機(jī)升力和重力作用方向

機(jī)體坐標(biāo)系垂直軸Y縱軸X橫軸Z上升下降側(cè)滑向前偏航俯仰橫滾13飛機(jī)運(yùn)動自由度的六參數(shù)（線位移和角運(yùn)動）142.1機(jī)體坐標(biāo)系機(jī)體坐標(biāo)系：原點(diǎn)取在飛機(jī)的重心，三軸與飛機(jī)固連，隨飛機(jī)一起運(yùn)動，坐標(biāo)系的方位代表飛機(jī)在空間的姿態(tài)。軸位于飛機(jī)的對稱平面內(nèi)，與機(jī)身縱軸線一致，指向前方；軸也位于對稱平面內(nèi)且垂直于軸，指向上方；軸與和軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。15ECI坐標(biāo)系地球質(zhì)心春分點(diǎn)162.2地心慣性(ECI)坐標(biāo)系(1)ECI坐標(biāo)系：原點(diǎn)取在地球質(zhì)心，

平面取為與地球的赤道面重合，軸指向相對于天球永遠(yuǎn)固定的方向（如春分點(diǎn)），軸取與平面垂直而指向北極的方向，軸與和軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

ECI坐標(biāo)系不隨地球轉(zhuǎn)動，可近似看作固定于慣性空間，是慣性測量元件（陀螺、加速度計）的參考基準(zhǔn)。

172.2地心慣性(ECI)坐標(biāo)系(2)天球：假想的圓球，其半徑視為無限大，而地球處于天球中央。把地球自轉(zhuǎn)軸延伸到天球上的位置，即為天球的北極和南極。把地球的赤道伸延到天球上的位置，即為天球赤道。

春分點(diǎn)：黃道（太陽在天球上的周年視運(yùn)動軌跡）自西向東從赤道以南穿到赤道以北的交點(diǎn)。18天球192.2地球坐標(biāo)系(1)地心地球固連（ECEF）坐標(biāo)系——直角坐標(biāo)系測地（大地）坐標(biāo)系——球面坐標(biāo)系20ECEF坐標(biāo)系與ECI坐標(biāo)系212.2地球坐標(biāo)系(2)ECEF坐標(biāo)系：原點(diǎn)取在地球質(zhì)心，軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合，軸指向本初子午面與赤道平面交線（即0經(jīng)度方向），軸與和軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

ECEF坐標(biāo)系與地球固連，隨地球一起轉(zhuǎn)動。222.2地球坐標(biāo)系(3)測地坐標(biāo)系：基于標(biāo)準(zhǔn)(橢球)地球模型，將ECEF坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為以經(jīng)度、緯度和高度（高程）的測地參數(shù)

表示。232.4當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系：原點(diǎn)取在飛機(jī)重心，軸沿當(dāng)?shù)鼐暰€切線指向東(E)，軸沿當(dāng)?shù)亟?jīng)線切線指向北(N)，和軸在當(dāng)?shù)厮矫鎯?nèi)，軸垂直于

平面，指向天（上），即地垂線方向。

(當(dāng)?shù)?地理坐標(biāo)系隨飛機(jī)一起運(yùn)動，但無論飛機(jī)如何運(yùn)動，地理坐標(biāo)系坐標(biāo)軸指向不變。

24當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系(地平坐標(biāo)系)252.5陀螺穩(wěn)定平臺坐標(biāo)系陀螺穩(wěn)定平臺坐標(biāo)系：原點(diǎn)取在平臺上，平面在平臺內(nèi)，軸垂直于平臺，指向上方。坐標(biāo)系與臺體固連。263.慣性導(dǎo)航基本原理(1)慣性導(dǎo)航的根本問題是確定飛機(jī)相對地球的即時位置。慣導(dǎo)系統(tǒng)的基本原理是基于對載體加速度的測量，將加速度進(jìn)行一次積分得到載體的速度，再做一次積分得到載體相對地球的位置（即緯度/經(jīng)度/高度）。慣導(dǎo)系統(tǒng)的平臺坐標(biāo)系模擬所選定的導(dǎo)航坐標(biāo)系，然后根據(jù)導(dǎo)航坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系的關(guān)系，建立導(dǎo)航參數(shù)的計算方程，再由計算機(jī)按方程解算導(dǎo)航參數(shù)。273.慣性導(dǎo)航基本原理(2)若選取當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系，即以慣導(dǎo)系統(tǒng)的平臺坐標(biāo)系模擬當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系。假設(shè)飛機(jī)沿地球表面飛行，假設(shè)地球?yàn)槔硐肭蝮w，且不考慮地球的轉(zhuǎn)動運(yùn)動（包括自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)）。平臺內(nèi)的兩個軸始終保持與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫?，并使軸指向東，軸指向北。28平臺坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系293.慣性導(dǎo)航基本原理(3)沿和軸方向安裝兩個加速度計，測得的加速度分別為飛機(jī)加速度的（地理）東向分量和北向分量和，由此可算出飛機(jī)的兩個地速分量和，即

其中，和為飛機(jī)沿東向和北向的初始速度分量。303.慣性導(dǎo)航基本原理(4)如果獲知飛機(jī)地速的東向和北向分量和，即可確定飛行引起的當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系繞北向和東向相對地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動角速度，即經(jīng)度和緯度的變化率：其中，R為地球半徑。313.慣性導(dǎo)航基本原理(5)進(jìn)一步可求出飛機(jī)相對地球坐標(biāo)系的位置，即飛機(jī)所在的經(jīng)度和緯度：

其中，為飛機(jī)初始位置的經(jīng)度和緯度。32慣導(dǎo)系統(tǒng)原理示意圖333.慣性導(dǎo)航基本原理(6)如果需要垂直導(dǎo)航參數(shù)，則垂直速度和飛行高度的計算方法類同，即其中，為飛機(jī)沿當(dāng)?shù)氐卮咕€方向的加速度（即垂直加速度），