導(dǎo)航系統(tǒng)-慣性導(dǎo)航

2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)1導(dǎo)航系統(tǒng)課程內(nèi)容傳統(tǒng)導(dǎo)航儀表導(dǎo)航無線電導(dǎo)航區(qū)域?qū)Ш胶唵螀^(qū)域?qū)Ш剑―ME/DME、DME/VOR）衛(wèi)星導(dǎo)航慣性導(dǎo)航所需導(dǎo)航性能RNP參數(shù)基于性能的導(dǎo)航（PBN）慣性導(dǎo)航概述慣性導(dǎo)航系統(tǒng)功能自動(dòng)測量飛機(jī)各種導(dǎo)航參數(shù)及飛機(jī)控制參數(shù)，供飛行員使用與飛機(jī)其他控制系統(tǒng)相配合完成對(duì)飛機(jī)的人工或自動(dòng)控制基本導(dǎo)航參數(shù)即時(shí)位置地速航向角航跡角航跡誤差偏流角風(fēng)速、風(fēng)向待飛時(shí)間、待飛距離飛機(jī)姿態(tài)角、角速率2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)22023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)3慣性導(dǎo)航系統(tǒng)------基本導(dǎo)航參數(shù)2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)4慣導(dǎo)系統(tǒng)與飛機(jī)其它系統(tǒng)的連接

慣性導(dǎo)航組件自動(dòng)駕駛儀氣象雷達(dá)自動(dòng)信號(hào)引進(jìn)組件（更新/不更新）信號(hào)器真航向、磁航向備用電池組件大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)調(diào)協(xié)頭航路/進(jìn)近轉(zhuǎn)換測距器（DME）全向信標(biāo)（VOR）控制顯示組件方式選擇組件水平狀態(tài)指示器姿態(tài)指引指示器2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)5慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成基本組成慣導(dǎo)組件

傳感器、平臺(tái)、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航數(shù)據(jù)計(jì)算控制顯示組件

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2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)6慣導(dǎo)傳感器部件上蓋激光陀螺(RLG)加速度計(jì)外殼電路板電源高壓電源2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)7INS/GPS組合部件2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)8慣導(dǎo)基本原理2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)9慣性導(dǎo)航系統(tǒng)簡要原理2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)10二自由度導(dǎo)航系統(tǒng)簡要原理2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)11慣導(dǎo)平臺(tái)2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)12坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系在飛機(jī)上模擬慣性坐標(biāo)系或地理坐標(biāo)系利用三自由度自由陀螺或定位陀螺來模擬慣性系或地理系坐標(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（位置）地球坐標(biāo)系與慣性坐標(biāo)系的關(guān)系2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)13地理坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系的關(guān)系設(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)ψ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)γ角，相當(dāng)于飛機(jī)有傾斜角。飛機(jī)繞其橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)θ角，相當(dāng)于飛機(jī)有俯仰角。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2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)14機(jī)體系與地理系之間的關(guān)系地理系向機(jī)體系轉(zhuǎn)換:XG

γ:傾斜

XBYG

:俯仰YBZG

ψ:真航向ZBXB俯仰ZBYBZB傾斜YBXB偏航坐標(biāo)系變換2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)15其中則

繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)變換繞著X軸相對(duì)外框架轉(zhuǎn)過α角，可以得到

繞著y1軸相對(duì)外框架轉(zhuǎn)過β角，可以得到

繞著Z2軸相對(duì)內(nèi)框架轉(zhuǎn)過γ角，可以得到

繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)變換繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)變換方程當(dāng)轉(zhuǎn)角α、β、γ非常小（小量角變換），可以近似得：

2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)19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)2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)20地球自轉(zhuǎn)的影響ZPYPZPYPZPYPZPYP北極點(diǎn)YPZPZPZPYP北極點(diǎn)ZPYPYP無修正修正地球自轉(zhuǎn)的影響2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)21地球自轉(zhuǎn)的影響在不同緯度上的地球自轉(zhuǎn)分解為2個(gè)分量:北向分量:垂直分量:φφ

地理緯度極軸地球自轉(zhuǎn)角速度2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)22飛行速度的影響無修正修正飛行速度產(chǎn)生的影響ZPYPZPYP巡航起飛著陸ZPYPZPYP巡航著陸2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)23ψ飛行速度的影響飛機(jī)地速為V，航向?yàn)棣姿俣缺毕蚍至?速度東向分量:由于飛機(jī)飛行而產(chǎn)生的位置變化:沿東向軸的變化:沿北向軸的變化:沿垂直軸向的變化:VENVEVN2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)24地理坐標(biāo)系相對(duì)于慣性系的運(yùn)動(dòng)角速度

由于地球自轉(zhuǎn)和飛機(jī)飛行使地理坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)角速度為：2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)25實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)要解決的幾個(gè)問題平臺(tái)跟蹤坐標(biāo)系平臺(tái)跟蹤什么樣的坐標(biāo)系是平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的首要問題舒勒擺原理在慣導(dǎo)系統(tǒng)中的應(yīng)用普通地平液體擺做敏感元件受加速度影響較大，需用舒勒擺原理有害加速度的消除消除由于地球自轉(zhuǎn)、飛機(jī)飛行引起的牽連、哥氏、重力加速度等初始對(duì)準(zhǔn)問題慣導(dǎo)系統(tǒng)要正確而精確的工作，必須精確給定初始條件捷聯(lián)慣導(dǎo)解算問題數(shù)學(xué)平臺(tái)代替機(jī)電平臺(tái)2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)26慣性元件液浮陀螺儀撓性陀螺儀激光陀螺和光纖陀螺加速度計(jì)2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)27慣性元件基本慣性元件陀螺、加速度計(jì)慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)陀螺的要求精度高 陀螺儀的精度指標(biāo)是漂移角速度測量范圍大 要求陀螺測量的最大角速度與最小角速度的比值大工作角度非常小 最大工作角度為角分、角秒級(jí)，這是為了最大限度地避免交叉耦合誤差2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)28慣性元件-----積分式液浮陀螺儀原理

浮子積分陀螺儀實(shí)際上是一個(gè)二自由度陀螺儀，只是在它的內(nèi)框軸上裝有一個(gè)等效的阻尼器。

穩(wěn)態(tài)時(shí)，陀螺力矩與阻尼力矩平衡：2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)29慣性元件-----積分式液浮陀螺儀結(jié)構(gòu)2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)30慣性元件-----積分式液浮陀螺儀結(jié)構(gòu)

積分陀螺儀的內(nèi)框轉(zhuǎn)角β要很小，要使β角很小，可以采取以下措施：減小H，所以積分陀螺的動(dòng)量矩并不很大，即陀螺尺寸很小，轉(zhuǎn)速也不太高。增大阻尼系數(shù)。為此把轉(zhuǎn)子和叉架密封裝在一個(gè)圓柱形浮筒內(nèi)，浮筒用寶石軸承支承在殼體上，在浮子組件(內(nèi)框組件)與殼體之間充有比重很大的氟化物液體。要有高靈敏度，高精度的角位移傳感器，一般采用高精度的微動(dòng)同步器。當(dāng)工作時(shí)間較長時(shí)，內(nèi)框偏轉(zhuǎn)角β也會(huì)增大，因此積分陀螺儀—般都與隨動(dòng)系統(tǒng)相配合，因而內(nèi)框軸上還裝有力矩器，以產(chǎn)生外力矩平衡陀螺力矩。2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)31慣性元件-----積分式液浮陀螺儀應(yīng)用測角速度 空間穩(wěn)定2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)32慣性元件-----三自由度液浮陀螺儀

陀螺房做成球形，將轉(zhuǎn)子密封在里面，球內(nèi)充上惰性氣體以減小阻力，散熱并防止機(jī)件氧化。在陀螺房間充滿比重較大的液體以產(chǎn)生浮力把浮球全浮起來，減小摩擦力矩，浮液還對(duì)浮球轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生阻尼力矩。為了消除摩擦力矩影響和提高穩(wěn)定性，浮球還使用磁力定心。轉(zhuǎn)子用動(dòng)壓氣體軸承懸浮，陀螺球用液體懸浮，再加上磁力定心，這三種措施常稱“三浮”技術(shù)。2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)33慣性元件-----撓性陀螺儀

具有彈性支承的三自由度陀螺。由陀螺轉(zhuǎn)子、撓性接頭、驅(qū)動(dòng)軸、磁滯馬達(dá)、信號(hào)傳感器和力矩器等組成。2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)34慣性元件-----撓性陀螺儀工作原理2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)35慣性元件-----撓性陀螺儀錐形運(yùn)動(dòng)2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)36慣性元件-----撓性陀螺儀彈性力矩補(bǔ)償磁力補(bǔ)償 機(jī)械慣性補(bǔ)償2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)37慣性元件-----動(dòng)力調(diào)諧撓性陀螺儀2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)38慣性元件-----激光陀螺激光的特點(diǎn)具有很好的單色性具有很好的相干性亮度相當(dāng)高激光產(chǎn)生的機(jī)理光的自發(fā)發(fā)射、受激發(fā)射和受激吸收激光產(chǎn)生的條件激光器分類晶體激光器氣體激光器半導(dǎo)體激光器諧振腔和諧振條件激光陀螺優(yōu)點(diǎn)2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)39結(jié)構(gòu)簡單，沒有活動(dòng)的機(jī)械轉(zhuǎn)子，不存在摩擦，也不受重力加速的影響；角速度測量范圍很寬，從0.01°/h--1000°/s以上；測量精度很高，可達(dá)0.001°/h；能直接提供數(shù)字式輸出，與數(shù)字式計(jì)算機(jī)聯(lián)接方便；啟動(dòng)很快，可以說是瞬間啟動(dòng)，而一般陀螺需要幾分鐘的啟動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間；工作可靠，壽命長，總成本不高等。2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)40激光陀螺：針對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)需求基本原理：Sagnac效應(yīng)，工作物質(zhì)是激光束，全固態(tài)陀螺優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)范圍寬、啟動(dòng)快、反應(yīng)快、過載大、可靠性高、數(shù)字輸出發(fā)展1960激光器出現(xiàn)1963Sperry制成首臺(tái)樣機(jī)1970s中精度突破，達(dá)慣性級(jí)1980s初開始應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域

早期研制的機(jī)構(gòu)Honeywell：三角諧振腔，機(jī)械抖動(dòng)偏頻Litton：四邊形諧振腔，機(jī)械抖動(dòng)偏頻Sperry：三角諧振腔，磁鏡偏頻國內(nèi)研制、應(yīng)用狀況1970s中后期開始研制，1990前后進(jìn)入實(shí)用1990s中后期應(yīng)用達(dá)到高峰面臨問題成本較高、體積偏大、不能完全適應(yīng)捷聯(lián)系統(tǒng)的要求

慣性元件-----激光陀螺2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)41光纖陀螺儀：適應(yīng)捷聯(lián)系統(tǒng)需求

基本原理：同激光陀螺，只是用外部激光源，用光導(dǎo)纖維傳播。優(yōu)點(diǎn)：成本低、體積小重量輕。發(fā)展：1970s光纖技術(shù)發(fā)展1976年猶它大學(xué)瓦里設(shè)想和演示1978麥道研制出第一個(gè)實(shí)用產(chǎn)品1980s后，Littion，Honeywell，Draper等公司以及英、法、德、日、蘇等國也展開了研制。

國內(nèi)1980s初，原理研究、試驗(yàn)（少數(shù)大學(xué)）1980s末，實(shí)質(zhì)性研制2000s，進(jìn)入實(shí)用階段精度：國外0.0010/h國內(nèi)

0.010/h慣性元件-----光纖陀螺2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)42慣性元件-----干涉儀

光束3通過分光鏡，將光束分解成按順時(shí)針與逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)光束l與2。假如基座相對(duì)慣性空間不轉(zhuǎn)動(dòng)，即轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω=0,兩個(gè)光束沿光纖行進(jìn)的光程差ΔL=L2-L1=0。在這種情況下，干涉條紋不動(dòng)。如果出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，光程差不為零。2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)43Sagnac干涉

測量的基礎(chǔ)

提出：由Sagnac于1913年

Sagnac干涉儀光路傳播當(dāng)干涉儀相對(duì)慣性空間無轉(zhuǎn)動(dòng)，則A、B兩路光程:La=Lb=L當(dāng)干涉儀以ω相對(duì)慣性空間旋轉(zhuǎn)，則會(huì)引起兩路光程不等。推導(dǎo)光程差分離點(diǎn)的切向線速度

v在分束點(diǎn)兩側(cè)光路的投影都為

光束a逆行一周，回到分束點(diǎn)時(shí)多走了一段光程

另有

2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)44求解方程組，得到

類似，對(duì)光束b，可求得

兩束光回到分束點(diǎn)時(shí)光程差

因

c遠(yuǎn)大于Lω，上式近似為

光程差與輸入角速度成正比——該結(jié)論對(duì)其它形狀的環(huán)路也成立。邁克爾遜實(shí)驗(yàn)：矩形面積A=600×300m2光源波長λ=0.7μm計(jì)算得：ΔL=0.175μm，即λ/4干涉條紋只移動(dòng)了1/4條紋間距如果用來測量0.0150/h的角速度，測量精度無法保證

2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)45激光陀螺相對(duì)干涉儀的改進(jìn)無源諧振腔→激光諧振腔測量光程差→諧振頻率差

諧振腔(ResonatingCavity)結(jié)構(gòu)：激光管(光源)+反射鏡(光路)激光管=氦氖氣體+端面鏡片諧振腔結(jié)構(gòu)及原理介質(zhì)受激→從基態(tài)到高能態(tài)→粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布光通過激活物質(zhì)→獲得增益→環(huán)形腔→獲得足夠大的增益反射膜厚度λ/4→獲得所需波長選擇環(huán)路周長→形成同相駐波端面鏡片→獲得偏振光

2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)46慣性元件-----二頻激光陀螺原理組成：激光發(fā)生器、光電探測器等

敏感部分：環(huán)形激光腔激光發(fā)生器：用來產(chǎn)生激光。

光電探測器：可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出。慣性元件-----二頻激光陀螺原理2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)47慣性元件-----二頻激光陀螺原理2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)48慣性元件-----二頻激光陀螺原理2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)49慣性元件-----二頻激光陀螺原理2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)502023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)51慣性元件-----二頻激光陀螺原理該光腔為諧振光腔 當(dāng)腔體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，正、反行波的諧振頻率因所走的光程不同而不同。依據(jù)諧振條件，有

λ1——順ω方向的激光波長，λ2——逆ω方向的激光波長。得與λ1、λ2波長對(duì)應(yīng)的激光頻率為

兩束光的頻差為慣性元件-----二頻激光陀螺原理2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)522023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)53例：三角諧振腔邊長=111.76mm激光波長λ=0.6328μm用來測地球轉(zhuǎn)動(dòng)角速度

2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)54激光陀螺2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)55激光介質(zhì)：氦氖氣體（頻譜純度高、反向散射?。?/p>

腔體材料：熔凝石英、陶瓷

腔體尺寸：周長200～450mm諧振腔形狀：三角、四邊

（優(yōu)缺點(diǎn)：

K=4A/Lλ）

裝配組合：分離、整體式

整體式激光陀螺介紹諧振腔和光路反射鏡（反射膜、凹面、半透）氦氖氣體陰陽電極：雙陽極

控制回路：凹鏡、激勵(lì)電壓

2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)56慣性元件-----激光陀螺的誤差誤差種類閉鎖 當(dāng)輸入角速度絕對(duì)值小于閥值時(shí)，陀螺沒有頻差輸出。主要是由于環(huán)路的非均勻性。減小閉鎖的辦法是提高加工精度，機(jī)械抖動(dòng)偏頻法、磁鏡法、差動(dòng)法。比例因子不穩(wěn)定 輸入輸出比例因子不恒定。主要原因與激光器的幾何形狀和尺寸有關(guān)。要保持比例因子恒定，采用低膨脹系數(shù)的材料做腔體，采用溫度補(bǔ)償?shù)却胧Ａ泓c(diǎn)漂移誤差 沒有輸入角速度時(shí)，有輸出。主要原因有流動(dòng)介質(zhì)引起的朗謬爾流，磁場影響，出現(xiàn)多膜等。采用完全對(duì)稱的雙陽極共陰極結(jié)構(gòu)并使用穩(wěn)定分流電路；加磁屏蔽。2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)57激光陀螺誤差源：異于機(jī)械式誤差分類

零偏誤差：輸入角速度為零時(shí)激光陀螺的頻差輸出（0/h）

主要原因：郎繆爾流效應(yīng)

直流放電激活原子→陽極陰極←陽極激活原子綜合形成郎繆爾流導(dǎo)致激光在介質(zhì)中折射率不同，造成附加光程差補(bǔ)償措施：雙陽極方案

2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)58標(biāo)度因數(shù)誤差

激光陀螺頻差輸出公式

K值不穩(wěn)定，也引起誤差K值大小的影響因素：諧振腔周長諧振腔形狀

激光波長(0.6328/1.15/3.39)K值穩(wěn)定性控制途徑：

激光波長

諧振腔周長

280mm～0.010/h～5×10-6120mm～

0.10/h～

3×10-4

自鎖(Lockin)誤差自鎖區(qū)：-ωL～ωL

典型值：3600/h2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)59產(chǎn)生原因：反射鏡反向散射

順時(shí)光束A的反向散射A’A’和逆時(shí)光束B耦合牽引（B與A’頻率趨同）類似，A與B’也頻率趨同A與B頻率趨同，無頻差輸出

克服自鎖的途徑：正面：盡力減小自鎖區(qū)（提高光學(xué)元件質(zhì)量和氣體純度）

間接途徑：偏頻

加偏置ω0，工作點(diǎn)移出自鎖區(qū)

2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)60機(jī)械恒定偏頻：使激光陀螺繞輸入軸相對(duì)基座以足夠大的ω0恒速旋轉(zhuǎn)

缺點(diǎn)：陀螺體積重量增大，ω0難控機(jī)械抖動(dòng)偏頻：采用高頻角振動(dòng)(MechanicalDithering)2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)61慣性元件-----激光陀螺結(jié)構(gòu)雙陽極共陰極和穩(wěn)定分流電路克服朗謬爾效應(yīng)引起的零漂采用壓電陶瓷控制腔長微小變化機(jī)械抖動(dòng)偏頻防止閉鎖2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)62慣性元件-----飛機(jī)激光陀螺結(jié)構(gòu)2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)63慣性元件-----四頻差動(dòng)激光陀螺原理在腔環(huán)中加入磁光元件和水晶片水晶片有旋光作用，使線偏振光產(chǎn)生左旋和右旋圓偏振光，還可使左旋光和右旋光產(chǎn)生光程差。磁光元件使激光產(chǎn)生附加相移2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)64慣性元件-----四頻差動(dòng)激光陀螺原理當(dāng)激光陀螺沒有角速度輸入時(shí)，左右旋陀螺輸出偏頻差分別為：兩陀螺輸出相減：當(dāng)陀螺有角速度輸入時(shí)，設(shè)角速度逆時(shí)針，陀螺輸出頻差為：2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)65慣性元件----四頻差動(dòng)激光陀螺結(jié)構(gòu)光纖陀螺光纖陀螺原理圖，光路分析：當(dāng)光纖線圈繞中心軸無旋轉(zhuǎn)，檢測器上產(chǎn)生峰值干涉條紋檢測器輸出電流最大

2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)662023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)67慣性元件-----擺式加速度計(jì)原理2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)68慣性元件-----擺式加速度計(jì)原理2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)69慣性元件-----擺式加速度計(jì)原理

力矩達(dá)到平衡時(shí)，轉(zhuǎn)軸停止轉(zhuǎn)動(dòng) 當(dāng)α很小時(shí)，cosα≈1，sinα≈0

2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)70慣性元件-----慣導(dǎo)對(duì)加速度計(jì)的要求靈敏限很小 靈敏限為加速度計(jì)能感受的最小加速度值。摩擦力距小 摩擦力距直接影響到加速度計(jì)的靈敏限。慣導(dǎo)用加速度計(jì)轉(zhuǎn)軸上的摩擦力距必須控制在9.8*10-9牛頓米以內(nèi)。量程大 量程是指測量加速度的最大值和最小值的范圍。飛機(jī)上要求測量的范圍為10-5g~6g，最大可達(dá)12g甚至20g。2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)71慣性元件-----液浮擺式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)（一）

具有彈性扭桿的液浮加速度計(jì)，空心圓筒把重錘密封起來（浮筒組件），彈性扭桿產(chǎn)生恢復(fù)力矩，浮筒與殼體之間充滿液體（產(chǎn)生浮力、減少摩擦、增加阻尼），微動(dòng)同步器減少干擾力矩。2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)72慣性元件-----液浮擺式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)（二）具有平衡回路的液浮擺式加速度計(jì)2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)73慣性元件-----撓性加速度計(jì)2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)74慣性元件-----撓性加速度計(jì)原理電路2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)75第二篇慣性導(dǎo)航系統(tǒng)第七章陀螺穩(wěn)定平臺(tái)概述單軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)舒勒原理和積分修正法2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)76陀螺穩(wěn)定平臺(tái)-----概述定義 利用陀螺特性直接或間接地使某一物體相對(duì)地球或慣性空間保持給定的或按給定規(guī)律改變起始位置的一種陀螺裝置。分類按穩(wěn)定軸數(shù)目：單軸、雙軸、三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)按工作原理分：直接、動(dòng)力、間接陀螺穩(wěn)定平臺(tái)特點(diǎn)可承受較大的干擾力矩，精確測量輸出角度2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)77陀螺穩(wěn)定平臺(tái)-----單軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)直接陀螺穩(wěn)定器2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)78陀螺穩(wěn)定平臺(tái)-----單軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)二自由度陀螺組成的動(dòng)力陀螺穩(wěn)定器陀螺穩(wěn)定平臺(tái)-----單軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)792023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)80陀螺穩(wěn)定平臺(tái)-----單軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)三自由度陀螺組成的動(dòng)力陀螺穩(wěn)定器2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)81陀螺穩(wěn)定平臺(tái)-----單軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)間接陀螺穩(wěn)定器2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)82雙軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)傳統(tǒng)導(dǎo)航2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)83中心地垂陀螺儀-----原理穩(wěn)定系統(tǒng) 兩套穩(wěn)定系統(tǒng)，干擾力矩由陀螺力矩和穩(wěn)定力矩共同抵消水平修正系統(tǒng) 兩套修正系統(tǒng)快速起動(dòng)系統(tǒng) 兩套快速起動(dòng)裝置傳統(tǒng)導(dǎo)航2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)84中心地垂陀螺儀-----水平修正系統(tǒng)傳統(tǒng)導(dǎo)航2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)85中心地垂陀螺儀-----快速起動(dòng)裝置傳統(tǒng)導(dǎo)航2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)86陀螺穩(wěn)定平臺(tái)-----三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)87基于二自由度陀螺的三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)88基于三自由度陀螺的三軸平臺(tái)2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)89三軸平臺(tái)2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)90陀螺穩(wěn)定平臺(tái)-----三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)（一）沒有信號(hào)分配器時(shí)航向改變對(duì)兩個(gè)水平穩(wěn)定系統(tǒng)的影響(a)0o航向，(b)90o航向，(c)任意航向2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)91陀螺穩(wěn)定平臺(tái)-----三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)（二）穩(wěn)定信號(hào)分配器基本原理（一）2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)92陀螺穩(wěn)定平臺(tái)-----三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)（三）穩(wěn)定信號(hào)分配器基本原理（二）旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子中的合成磁場為：合成磁場和轉(zhuǎn)子繞組I的夾角為：2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)93舒勒原理（一）用液體擺做敏感元件進(jìn)行水平修正，誤差較大，不能用于慣性導(dǎo)航。利用舒勒擺原理：假設(shè)有一個(gè)質(zhì)量為m，擺長為地球半徑R的單擺，其擺動(dòng)周期為84．4分鐘，則不管這個(gè)擺的懸掛點(diǎn)以任何加速度運(yùn)動(dòng)，擺始終停在當(dāng)?shù)氐卮咕€方向上，或者說擺始終垂直于當(dāng)?shù)厮矫?。根?jù)舒勒擺原理，利用積分修正法進(jìn)行水平修正。2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)94舒勒原理（二）2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)95積分修正平臺(tái)原理（一）平臺(tái)由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，如果能控制平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度?a，并使它等于?b，最終可能使平臺(tái)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度恰好等于飛機(jī)由A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)地垂線的變化角，根據(jù)這個(gè)思路，有

?a經(jīng)二次積分，可得2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)96積分修正平臺(tái)原理-----單軸慣導(dǎo)系統(tǒng)2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)97積分修正平臺(tái)原理-----單軸慣導(dǎo)系統(tǒng)修正回路如果要求αa=αb，則要求

即2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)98第二篇慣性導(dǎo)航系統(tǒng)第八章平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理及應(yīng)用概述指北方位慣導(dǎo)系統(tǒng)原理自由方位慣導(dǎo)游動(dòng)方位慣導(dǎo)系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)99平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)------概述慣性導(dǎo)航的分類平臺(tái)式慣導(dǎo)解析式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（平臺(tái)相對(duì)慣性空間穩(wěn)定）半解析式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（平臺(tái)臺(tái)面平行于當(dāng)?shù)厮矫妫缀问綉T性導(dǎo)航系統(tǒng)（兩個(gè)平臺(tái)，一個(gè)相對(duì)慣性空間穩(wěn)定，另一個(gè)在地理坐標(biāo)系內(nèi)）捷聯(lián)式慣導(dǎo)無機(jī)電平臺(tái)，陀螺、加速度計(jì)捆綁在機(jī)體上2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)100平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)------概述2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)101平臺(tái)式慣導(dǎo)2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)102平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)------指北方位慣導(dǎo)平臺(tái)坐標(biāo)系模擬地理坐標(biāo)系利用舒勒原理及積分修正法進(jìn)行水平修正方位修正平臺(tái)的作用 建立一個(gè)理想坐標(biāo)系；為加速度計(jì)創(chuàng)造一個(gè)良好的工作環(huán)境及測量基準(zhǔn)；隔離飛機(jī)的角運(yùn)動(dòng)。地理坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)規(guī)律 由于地球非球體，所以2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)103平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)------指北方位慣導(dǎo)平臺(tái)控制 1．外橫滾環(huán)2．俯仰輸出同步器3．傾斜輸出同步器4。內(nèi)橫滾環(huán)力矩器5．俯仰環(huán)6．平臺(tái)航向同步器7．方位環(huán)力矩器8．方位環(huán)9．俯仰力矩器10．內(nèi)橫滾環(huán)同步器11．外橫滾環(huán)力矩器12，外橫滾伺服放大器13．內(nèi)橫滾環(huán)14．內(nèi)橫滾伺服放大器15．方位環(huán)伺服放大器16．穩(wěn)定信號(hào)分配器．17．俯仰伺服放大器18鎖定放大器19．方式選擇器20．控制顯示組件21．計(jì)算機(jī)

2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)104平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)------指北方位慣導(dǎo)平臺(tái)控制穩(wěn)定系統(tǒng)方位軸穩(wěn)定系統(tǒng)內(nèi)橫滾環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)俯仰環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)外橫滾環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)上、下陀螺自轉(zhuǎn)軸垂直鎖定電路水平和方位修正 利用地理坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)規(guī)律給平臺(tái)各軸施加指令角速率（施加到相應(yīng)的陀螺力矩器上）2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)105加速度的測量問題平臺(tái)支點(diǎn)的絕對(duì)加速度平臺(tái)支點(diǎn)絕對(duì)加速度加速度計(jì)測量絕對(duì)加速度導(dǎo)航方程2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)106指北方位慣導(dǎo)-----導(dǎo)航參數(shù)的計(jì)算沿東向、北向的加速度標(biāo)量計(jì)算飛機(jī)東向、北向速度及地速飛機(jī)的位置2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)107指北方位慣導(dǎo)-----指令角速率計(jì)算平臺(tái)軸的指令角速率其它導(dǎo)航參數(shù)計(jì)算2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)108指北方位慣導(dǎo)-----系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理平臺(tái)模擬地理坐標(biāo)系，可直接測出飛機(jī)俯仰、傾斜、航向角加速度計(jì)測出的是地理系各軸的比力，計(jì)算簡單，對(duì)計(jì)算機(jī)要求低不能在高緯度工作（平臺(tái)方位施距太大、計(jì)算機(jī)產(chǎn)生溢出）2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)109平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)------自由方位慣導(dǎo)系統(tǒng)

自由方位其方位軸指向慣性空間的某一個(gè)方向，平臺(tái)的臺(tái)面仍然要保持在當(dāng)?shù)氐乃矫鎯?nèi)。由此可知，由于地球的旋轉(zhuǎn)和飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)，使這個(gè)平臺(tái)方位相對(duì)地球(子午線)有任意的角度，故稱它為自由方位慣導(dǎo)系統(tǒng)，其平臺(tái)稱為自由方位平臺(tái)。這樣，平臺(tái)上的方位陀螺將不施加控制信號(hào)，只給使控制平臺(tái)保持在當(dāng)?shù)厮矫鎯?nèi)的陀螺施加控制指令。它克服了指北平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方位施距及方位穩(wěn)定回路設(shè)計(jì)困難的缺點(diǎn)。2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)110平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)------自由方位慣導(dǎo)指令角速率自由方位平臺(tái)指令角速率因?yàn)樽杂煞轿黄脚_(tái)不施加方位指令為保持平臺(tái)水平，相應(yīng)的控制指令角速率為XtYtXpYp比力方程KK2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)111平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)------自由方位慣導(dǎo)系統(tǒng)原理2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)112平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)------游動(dòng)方位慣導(dǎo)系統(tǒng)（一）游動(dòng)方位慣導(dǎo)系統(tǒng)使平臺(tái)的臺(tái)面處于當(dāng)?shù)厮矫?，方位軸只跟蹤地球自轉(zhuǎn)的分量游動(dòng)方位系和地理坐標(biāo)系的關(guān)系轉(zhuǎn)換矩陣稱為方向余弦矩陣，或姿態(tài)矩陣XtYtXpYpKK2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)113平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)------游動(dòng)方位慣導(dǎo)系統(tǒng)（二）地球系與地理坐標(biāo)系的關(guān)系地球系oxeyeze繞ze軸轉(zhuǎn)λ得oxe′ye′ze′再將oxe′ye′ze′繞ye′轉(zhuǎn)（90-φ），得oxe′’ye′’ze′’再將oxe′’ye′’ze′’繞ze′’轉(zhuǎn)°，得oxe′’’ye′’’ze′’’，即為oxtytzt2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)114平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)------游動(dòng)方位慣導(dǎo)系統(tǒng)（三）平臺(tái)系與地球系間的關(guān)系

為位置矩陣2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)115平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)------游動(dòng)方位慣導(dǎo)系統(tǒng)（四）

反映了游動(dòng)平臺(tái)系與地球系之間的關(guān)系，隨著飛機(jī)位置及游動(dòng)角的變化，也隨之變化，且可由計(jì)算機(jī)算出。利用即可求解φ、λ和α。因此，只要知道，就可求得飛機(jī)的位置和航向。2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)116平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)------游動(dòng)方位慣導(dǎo)位置角速率（一）要求得將已知的平臺(tái)速度、轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系的xt和

yt軸上，利用指北系求位置角速率的公式得，再將轉(zhuǎn)換成游動(dòng)平臺(tái)系上得地理系相對(duì)地球的位置角速率方程為：2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)117平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)------游動(dòng)方位慣導(dǎo)位置角速率（二）游動(dòng)系的位置角速率由此可得：再將其轉(zhuǎn)換到游動(dòng)系上：2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)118平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)------游動(dòng)方位慣導(dǎo)位置角速率（三）游動(dòng)方位平臺(tái)的指令角速率2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)119游動(dòng)方位慣導(dǎo)-----導(dǎo)航參數(shù)計(jì)算游動(dòng)系上加速度方程：地速計(jì)算經(jīng)緯度及游動(dòng)角、航向角計(jì)算2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)120游動(dòng)方位慣導(dǎo)系統(tǒng)原理克服了指北方位回路和方位指令計(jì)算實(shí)施的困難。可進(jìn)行全球?qū)Ш?，基本不受極區(qū)影響。方位指令計(jì)算避免了溢出，但位置計(jì)算仍有溢出問題。2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)121平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)-----初始對(duì)準(zhǔn)慣導(dǎo)初始對(duì)準(zhǔn)的基本要求輸入初始位置（積分初始條件）平臺(tái)初始調(diào)水平平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)方法通過光學(xué)或機(jī)電方法，將外部參考坐標(biāo)系引入平臺(tái)。利用陀螺、加速度計(jì)進(jìn)行自主式對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)分類按對(duì)準(zhǔn)內(nèi)容分：水平對(duì)準(zhǔn)、方位對(duì)準(zhǔn)按對(duì)準(zhǔn)精度分：初對(duì)準(zhǔn)、精對(duì)準(zhǔn)2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)122平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)-----指北方位初始對(duì)準(zhǔn)（一）指北方位對(duì)準(zhǔn)內(nèi)容：水平對(duì)準(zhǔn)水平粗對(duì)準(zhǔn)水平精對(duì)準(zhǔn)方位羅經(jīng)對(duì)準(zhǔn)水平粗對(duì)準(zhǔn)： 利用加速度計(jì)感受誤差角，誤差信號(hào)送陀螺力矩器，使陀螺進(jìn)動(dòng)，經(jīng)穩(wěn)定電機(jī)帶動(dòng)平臺(tái)向水平面轉(zhuǎn)動(dòng)。北向加速度計(jì)和東向陀螺組成的調(diào)水平電路2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)123平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)-----指北方位初始對(duì)準(zhǔn)（二）加速度誤差

刻度系數(shù)誤差 零點(diǎn)漂移誤差陀螺誤差 陀螺力矩器標(biāo)度系數(shù)誤差 陀螺漂移誤差水平回路誤差方框圖2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)124平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)-----指北方位初始對(duì)準(zhǔn)（三）

交叉耦合項(xiàng)是由于平臺(tái)方位沒有對(duì)準(zhǔn)真北方向而存在的方位角誤差γ產(chǎn)生的。 所謂交叉耦合，是指東向陀螺本來只感受東向軸的角速度，而則是北向軸的轉(zhuǎn)角速度，由于γ的存在耦合到東向軸來的。東向陀螺感受此耦合項(xiàng)后，去控制平臺(tái)繞橫向穩(wěn)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生α角誤差。2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)125平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)-----指北方位初始對(duì)準(zhǔn)（四）水平回路誤差方框圖的輸出

2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)126平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)-----指北方位一階水平精對(duì)準(zhǔn)

使系統(tǒng)變?yōu)橛凶枘岬乃p系統(tǒng)，振蕩周期仍為84.4分鐘2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)127平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)-----指北方位二階水平精對(duì)準(zhǔn)

二階精對(duì)準(zhǔn)將無阻尼系統(tǒng)變?yōu)橛凶枘嵯到y(tǒng)，使振蕩角頻率加快，振蕩周期減小。

2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)128平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)-----指北方位三階水平精對(duì)準(zhǔn)

三階水平精對(duì)準(zhǔn)減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。

2023年2月5日導(dǎo)航系統(tǒng)129平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)-----指北方位方位羅經(jīng)對(duì)準(zhǔn)

利用羅經(jīng)效應(yīng)控制方位軸自動(dòng)找北

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