捷聯(lián)慣導(dǎo)詳細(xì)講解

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)從20世紀(jì)60年代初開始發(fā)展起來，在1969年，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)作為"阿波羅"-13號(hào)登月飛船的應(yīng)急備份裝務(wù)，在其服務(wù)艙發(fā)生爆炸時(shí)將飛船成功地引導(dǎo)到返回地球的軌道上時(shí)起到了決定性作用，成為捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)展中的一個(gè)里程碑。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航(strap-downinertialnavigation)，捷聯(lián)(strap-down)的英語(yǔ)原義是“捆綁”的意思。因此捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航也就是將慣性測(cè)量元件(陀螺儀和加速度計(jì))直接裝在導(dǎo)彈需要諸如姿態(tài)、速度、航向等導(dǎo)航信息的主體上，用計(jì)算機(jī)把測(cè)量信號(hào)變換為導(dǎo)航參數(shù)的一種導(dǎo)航技術(shù)。一、捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)工作原理及特點(diǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)基本工作原理是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過測(cè)量載體在慣性參考系的加速度，將它對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，之后將其變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系，得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位務(wù)信息等。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(SINS)是一種無框架系統(tǒng)，由三個(gè)速率陀螺、三個(gè)線加速度計(jì)和微型計(jì)算機(jī)組成。由于慣性元器件有固定漂移率，會(huì)造成導(dǎo)航誤差，因此導(dǎo)彈通常采用指令、GPS或其組合等方式對(duì)慣導(dǎo)進(jìn)行定時(shí)修正，以獲取持續(xù)準(zhǔn)確的位務(wù)參數(shù)。如采用指令+捷聯(lián)式慣導(dǎo)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)能精確提供載體的姿態(tài)、地速、經(jīng)緯度等導(dǎo)航參數(shù)，是利用慣性敏感器、基準(zhǔn)方向及最初的位務(wù)信息來確定運(yùn)載體的方位、位務(wù)和速度的自主式航位推算導(dǎo)航系統(tǒng)。在工作時(shí)不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾破壞。它完全是依靠載體自身設(shè)備獨(dú)立自主地進(jìn)行導(dǎo)航，它與外界不發(fā)生任何光、聲、磁、電的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)了與外界條件隔絕的假想的“封閉”空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航。所以它具有隱蔽性好，工作不受氣象條件和人為的外界干擾等一系列的優(yōu)點(diǎn)。除此以外捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是沒有實(shí)體平臺(tái)，即將陀螺儀和加速度計(jì)直接安裝在機(jī)動(dòng)載體上，在計(jì)算機(jī)中實(shí)時(shí)的計(jì)算姿態(tài)矩陣，通過姿態(tài)矩陣把導(dǎo)航加速度計(jì)測(cè)量的載體沿機(jī)體坐標(biāo)系軸向的加速度信息變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系，然后進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算。同時(shí)，從姿態(tài)矩陣的元素中提取姿態(tài)和航向信息.由此可見，在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中平臺(tái)的作用已由計(jì)算機(jī)及其軟件的作用代替了，捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)采用的是數(shù)學(xué)平臺(tái)。力學(xué)編排就是按照合適的數(shù)學(xué)模型由觀測(cè)量計(jì)算出導(dǎo)航定位參數(shù)。具體地講，利用陀螺儀測(cè)得的載體相對(duì)于慣性參照系的旋轉(zhuǎn)角速度，計(jì)算出載體坐標(biāo)系至導(dǎo)航計(jì)算坐標(biāo)系之問的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；將測(cè)量的比力(加速度計(jì)測(cè)量載體相對(duì)于慣性空間的線加速度)變換至導(dǎo)航坐標(biāo)系，并經(jīng)過兩次積分得到所需的速度位鏘信息。二、捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)有以下獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：去掉了復(fù)雜的平臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單，減小了系統(tǒng)的體積和重量，同時(shí)降低了成本，簡(jiǎn)化了維修，提高了可靠性。無常用的機(jī)械平臺(tái)，縮短了整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間，也消除了與平臺(tái)系統(tǒng)有關(guān)的誤差。無框架鎖定系統(tǒng)，允許全方位(全姿態(tài))工作。除能提供平臺(tái)式系統(tǒng)所能提供的所有參數(shù)外，還可以提供沿彈體三個(gè)軸的速度和加速度信息。三、捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)目前，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)已在軍民領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，對(duì)于飛航式地地戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，由于其全程均在稠密大氣層內(nèi)飛行，且射程遠(yuǎn)，飛行時(shí)間長(zhǎng)，容易受到大氣干擾的影響，因此，采用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)是唯一可選的制導(dǎo)方式；對(duì)于中遠(yuǎn)程的空空導(dǎo)彈，因?qū)椀陌l(fā)射距離遠(yuǎn)，具有攻擊多目標(biāo)的能力，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)也是比較理想的中制導(dǎo)方式；采用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)也可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)降低成本，提高性能價(jià)格比。不管慣性器件的精度多高，由于陀螺漂移和加速度計(jì)的誤差隨時(shí)間逐漸積累（這也是純慣導(dǎo)系統(tǒng)的主要誤差源之一，它對(duì)位務(wù)誤差增長(zhǎng)的影響是時(shí)間的三次方函數(shù)），慣導(dǎo)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行必將導(dǎo)致客觀的積累誤差，因此在不斷探索提高自主式慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度外，還要尋求引入外部信息，形成組合式導(dǎo)航系統(tǒng)，這是彌補(bǔ)慣導(dǎo)系統(tǒng)不足的一個(gè)重要措施。組合導(dǎo)航系統(tǒng)通常以慣導(dǎo)系統(tǒng)作為主導(dǎo)航系統(tǒng)，而將其他導(dǎo)航定位誤差不隨時(shí)間積累的導(dǎo)航系統(tǒng)如無線電導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、地形匹配導(dǎo)航、GPS等作為輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，將輔助信息作為觀測(cè)量，對(duì)組合系統(tǒng)的狀態(tài)變量進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，以獲得高精度的導(dǎo)航信號(hào)。這樣，既保持了純慣導(dǎo)系統(tǒng)的自主性，又防止了導(dǎo)航定位誤差隨時(shí)間積累。隨著GPS的普及，SINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?。程序算法姿態(tài)矩陣T、矩陣的即時(shí)修正算法四元數(shù)法PL12的陀螺是三軸激光陀螺四、系統(tǒng)的主要誤差源1、 慣性儀表的安裝誤差和表讀因子誤差；2、 陀螺的漂移和加速度計(jì)的零位誤差；3、 初始條件誤差，包括導(dǎo)航參數(shù)和姿態(tài)航向的初始誤差；4、 計(jì)算誤差，主要考慮姿態(tài)航向系統(tǒng)的計(jì)算誤差，也即數(shù)學(xué)平臺(tái)的計(jì)算誤差；5、 載體角運(yùn)動(dòng)所引起的動(dòng)態(tài)誤差分類對(duì)上述幾種誤差源進(jìn)行分類，則捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差可分為四類。數(shù)學(xué)模型的近似性所引起的誤差當(dāng)捷聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立得不夠精確時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)誤差。數(shù)學(xué)模型的選取應(yīng)達(dá)到其近似性可以忽略的程度，否則就應(yīng)該探討更精確的數(shù)學(xué)模型。慣性儀表的誤差慣性儀表（包括陀螺及加速度計(jì)）由于原理、加工與裝配工藝的不完善等均可造成儀表輸出的誤差，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的誤差。在實(shí)際中，這部分誤差在系統(tǒng)誤差中占很大一部分3.計(jì)算機(jī)的算法誤差對(duì)于捷聯(lián)