慣性導(dǎo)航第一章

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)張曉瑜中國(guó)民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院電子系2024/4/302024年4月30日2講述內(nèi)容導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航概述與坐標(biāo)系陀螺儀及應(yīng)用加速度計(jì)慣性平臺(tái)舒勒擺原理及其在平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)組合導(dǎo)航2024年4月30日3第一章導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以及坐標(biāo)系導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航慣性和非慣性坐標(biāo)系2024年4月30日4第一節(jié)導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航導(dǎo)航及其種類(lèi)導(dǎo)航：是指將載體從一個(gè)位置引導(dǎo)到另一個(gè)位置的過(guò)程。導(dǎo)航基本要素：位置、速度、航向種類(lèi)：導(dǎo)航儀表、無(wú)線電導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、多普勒雷達(dá)導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航和組合導(dǎo)航。2024年4月30日5無(wú)線電導(dǎo)航利用無(wú)線電波直線傳播及恒速特性機(jī)上接收系統(tǒng)精度較高，電波易受干擾多普勒雷達(dá)導(dǎo)航利用多普勒效應(yīng)測(cè)量速度無(wú)需地面臺(tái)，定位精度與反射面形狀有密切關(guān)系當(dāng)接收不到反射波時(shí)無(wú)法工作

導(dǎo)航方法簡(jiǎn)介2024年4月30日6衛(wèi)星導(dǎo)航無(wú)線電波傳輸，依賴(lài)衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星、地面站和用戶(hù)設(shè)備三大部分導(dǎo)航精度高，適于全球?qū)Ш剑瑑r(jià)格低廉需要龐大地面站支持，電波易受干擾，衛(wèi)星受人控制天文導(dǎo)航借助星體跟蹤器自動(dòng)跟蹤兩個(gè)星體云霧天氣飛行或中低空無(wú)法看到其它星體

導(dǎo)航方法簡(jiǎn)介2024年4月30日7慣性導(dǎo)航基本原理——慣性測(cè)量元件測(cè)量載體相對(duì)于慣性空間的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并經(jīng)計(jì)算后實(shí)施導(dǎo)航任務(wù)。加速度計(jì)——加速度——速度與位置陀螺儀——角運(yùn)動(dòng)——姿態(tài)和航向

導(dǎo)航方法簡(jiǎn)介2024年4月30日82024年4月30日10慣導(dǎo)系統(tǒng)基本組成慣性元件——加速度計(jì)、陀螺儀

測(cè)量飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的加速度、角速度穩(wěn)定平臺(tái)為加速度計(jì)提供準(zhǔn)確的安裝基準(zhǔn)和測(cè)量基準(zhǔn)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)進(jìn)行積分、相加、乘除和三角函數(shù)等數(shù)學(xué)計(jì)算，同時(shí)計(jì)算修正指令控制顯示組件

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2024年4月30日11慣導(dǎo)系統(tǒng)特點(diǎn)工作自主性強(qiáng)

提供導(dǎo)航參數(shù)多抗干擾力強(qiáng)，適用條件寬導(dǎo)航精度隨飛行時(shí)間增加而不斷下降平臺(tái)式慣導(dǎo)與捷聯(lián)式慣導(dǎo)是否存在實(shí)體平臺(tái)

平臺(tái)式慣導(dǎo)存在實(shí)際的陀螺穩(wěn)定平臺(tái)，承載慣性元件捷聯(lián)式慣導(dǎo)采用“數(shù)學(xué)平臺(tái)”，加速度計(jì)和陀螺儀直接安裝在載體上2024年4月30日12組合導(dǎo)航提高導(dǎo)航系統(tǒng)的余度和容錯(cuò)能力GPS+INS；無(wú)線電導(dǎo)航+慣性導(dǎo)航；三者組合

導(dǎo)航方法簡(jiǎn)介2024年4月30日13坐標(biāo)系定義（一）陀螺坐標(biāo)系地理坐標(biāo)系慣性坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系機(jī)體坐標(biāo)系平臺(tái)坐標(biāo)系2024年4月30日14陀螺坐標(biāo)系陀螺坐標(biāo)系ox軸：與陀螺內(nèi)環(huán)軸一致，固連于內(nèi)環(huán)上oz軸：與陀螺轉(zhuǎn)子軸一致，固連于內(nèi)環(huán)上，但不隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)oy軸：與oxy平面平行，大方向與外環(huán)一致，但一般不與外環(huán)軸一致2024年4月30日15地理坐標(biāo)系E軸：指東，即坐標(biāo)原點(diǎn)緯線向東的方向N軸：指北，即坐標(biāo)原點(diǎn)經(jīng)線向北的方向V軸：沿地垂線方向XTYTZTENVGL返回2024年4月30日16慣性坐標(biāo)系取地球中心為原點(diǎn)Z軸：指向地球自轉(zhuǎn)軸方向另外兩軸在赤道平面內(nèi)，不隨地球轉(zhuǎn)動(dòng)XYZequator返回2024年4月30日17地球坐標(biāo)系WGS-84(XT,YT,ZT)XT

赤道平面和與本初子午線的交線ZT

地球自轉(zhuǎn)軸重合YT與XT、

ZT

組成的平面垂直固連于地球上并與地球一起轉(zhuǎn)動(dòng)XTYTZTequatorGreenwichmeridianXΩ*tΩ返回2024年4月30日18機(jī)體坐標(biāo)系XB：飛機(jī)縱軸YB：飛機(jī)橫軸ZB：飛機(jī)立軸姿態(tài)角：

γ-roll

-pitch

-headingXBYBZB返回2024年4月30日19平臺(tái)坐標(biāo)系原點(diǎn)：飛行器中心ZP=ZG:地垂方向XP,YP,:水平面上

2024年4月30日20坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系（二）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(lái)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2024年4月30日21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2024年4月30日22地理坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換:XG

γ:RollXBYG

:PitchYBZG

ψ:TrueheadingZBXBPitchZBYBZBRollYBXBYaw返回2024年4月30日23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)2024年4月30日242024年4月30日25地球自轉(zhuǎn)的影響地球自轉(zhuǎn)的影響僅與緯度有關(guān)，兩個(gè)方向上的分量：北方向上的分量:

垂直方向上分量:φφmeansLatitudePoleAxisEarthRotationis返回2024年4月30日26飛機(jī)飛行的影響（1/2）如果不存在進(jìn)動(dòng)，平臺(tái)保持相對(duì)于星體或慣性空間固定在進(jìn)動(dòng)作用下，平臺(tái)保持水平ZPYPZPYP巡航起飛著陸ZPYPZPYP巡航著陸2024年4月30日27ψ飛機(jī)飛行的影響（2/2）飛機(jī)以地速V沿航向ψ飛行時(shí)北方向上分量:東方向上分量:飛機(jī)飛行引起的角速率:

緯度變化率