水下航行器導(dǎo)航系統(tǒng)原理 課件 第1講 課程概述

第一講

課程概述HARBINENGINEERING

UNIVERSITY目錄/Contents0102030405課程簡介與教師團隊導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)航傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)智能導(dǎo)航01課程簡介與教師團隊1.1

課程簡介自主導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計項目式課程目標：深刻理解自主導(dǎo)航的基本概念、原理和方法，了解導(dǎo)航領(lǐng)域技術(shù)前沿自主實踐完成自主導(dǎo)航設(shè)備測試標定具備獨立設(shè)計慣性導(dǎo)航和組合導(dǎo)航等自主導(dǎo)航算法的能力通過研討式教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生思辨能力通過線上線下混合式教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生終身自主學(xué)習能力通過捷聯(lián)慣導(dǎo)/GPS組合導(dǎo)航綜合設(shè)計實驗培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作能力1.2

課程團隊課程負責人：

課程教師： 1.3

課程內(nèi)容課程內(nèi)容：第一周：導(dǎo)航器件及導(dǎo)航基礎(chǔ)第二周：慣性導(dǎo)航算法及初始對準實驗第三周：最優(yōu)估計理論及組合導(dǎo)航算法仿真第四周：自主導(dǎo)航系統(tǒng)實驗及分析參考教材：嚴恭敏，翁浚.捷聯(lián)慣導(dǎo)算法與組合導(dǎo)航原理（第1版）.西北工業(yè)大學(xué)出版社，2019.Paul

D.Groves.GNSS與慣性及多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)原理（第2版）.國防工業(yè)出版社，2015.秦永元，張洪鉞，汪叔華.卡爾曼濾波與組合導(dǎo)航原理（第1版）.西北工業(yè)大學(xué)出版社，1998.謝鋼.GPS原理與接收機設(shè)計.電子工業(yè)出版社，2009.智慧樹MOOC課—組合導(dǎo)航技術(shù)，鏈接：/courseHome/1000062290#teachTeam1.4

考核方式第一周：慣性測試及標定實驗報告(10分)第二周：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實驗報告(10分)第三周：組合導(dǎo)航算法仿真實驗報告(10分)第四周：自主導(dǎo)航系統(tǒng)實驗報告(30分)自主導(dǎo)航系統(tǒng)綜合考核答辯：(40分)以上共計100分02導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用什么是導(dǎo)航？導(dǎo)航的任務(wù)：確定載體的運動參數(shù)有那些運動參數(shù)？線運動相關(guān)：位置、速度、加速度角運動相關(guān)：角位置、角速度、角加速度導(dǎo)航傳感器與信號處理專業(yè)技術(shù)：硬件設(shè)計、FPGA軟件設(shè)計、DSP軟件設(shè)計專業(yè)知識：信號處理、自動控制、光電傳感導(dǎo)航算法與信息融合專業(yè)技術(shù)：算法編程、軟件設(shè)計專業(yè)知識：慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、組合導(dǎo)航、信息融合智能感知與無人系統(tǒng)專業(yè)技能：算法編程、軟件設(shè)計專業(yè)知識：深度學(xué)習，機器視覺，智能導(dǎo)航，智能決策2.1

導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展古代路標、指南針、天文等20年代磁羅盤、速度表、里程表——儀表導(dǎo)航30年代無線電導(dǎo)航問世40-70年代慣性導(dǎo)航系統(tǒng)問世80年代末全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)問世90年代慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)大量推廣2000年后新型導(dǎo)航系統(tǒng)和智能導(dǎo)航系統(tǒng)2.2

慣性導(dǎo)航技術(shù)慣性導(dǎo)航首次實戰(zhàn)：V-2導(dǎo)彈1936年開始研制，1944年首次向巴黎發(fā)射，兩天后開始襲擊英國。水平射程為200英里，最大高度通?？蛇_60英里。定位精度差(4-11英里)維納·馮·布勞恩2.3

導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用2.3

導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用03導(dǎo)航傳感器3.1

慣性器件石英加速度計機械陀螺儀3.1

慣性器件光纖陀螺儀激光陀螺儀3.1

慣性器件驅(qū)動電極檢測電極信號處理電路(100mm*100mm)諧振子及檢測電極(D=30mm)半球諧振陀螺儀精度:

漂移

<

10-3deg

/h,

標度因數(shù)誤差

<

1ppm;高可靠性:

部件少，材料穩(wěn)定性好;長壽命:

使用壽命超過

20

年;3.1

慣性器件微光陀螺儀精度:

零偏穩(wěn)定性

0.01

deg

/

h;芯片級:

毫米級核心傳感元件;高集成:

抗振動沖擊;原理圖實驗裝置核心傳感器HarbinEngineering

University原子陀螺儀III.Navigation

sensors示意圖實驗裝置原理樣機04導(dǎo)航系統(tǒng)基本原理：根據(jù)牛頓提出的相對慣性空間的力學(xué)定律，利用陀螺儀，加速度計等慣性元件感受運行體在運動過程中的加速度，然后通過計算機進行積分運算，從而得到運動體的位置與速度等導(dǎo)航參數(shù)。慣性導(dǎo)航是完全不依賴于外部聲、光、電、磁傳播的信號自主式的進行導(dǎo)航定位的手段，因而它不受地域的限制，不受自然和人為的干擾和影響，無論太空、空間、地面、地下、水面、水下都能全天候可靠的工作。244.1

慣性導(dǎo)航25慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本組成元件為陀螺儀和加速度計

。4.1

慣性導(dǎo)航26a

dVdt

tadt0V

V0

tVdt0S

S0

V

dsdt這種不依賴外界信息，只靠對載體(vehicle)本身的慣性測量來完成導(dǎo)航任務(wù)的技術(shù)稱作慣性導(dǎo)航。4.1

慣性導(dǎo)航274.1

慣性導(dǎo)航慣導(dǎo)系統(tǒng)基本原理涉及問題：如何獲得加速度在導(dǎo)航坐標系下的投影？如何獲得載體相對運動的加速度？有了導(dǎo)航坐標系下載體相對運動加速度，如何求載體的速度和位置？如何獲得載體的姿態(tài)？導(dǎo)航坐標系的旋轉(zhuǎn)比力方程慣導(dǎo)系統(tǒng)計算方程姿態(tài)矩陣定義與更新28優(yōu)點：（1）依靠自身測量的加速度推算位置，自主式導(dǎo)航系統(tǒng)；（2）不需要接收外部信息，不受外界干擾；（3）不向外輻射能量，隱蔽性好；（4）測量位置的同時，還能測量姿態(tài)角。缺點：（1）位置由加速度經(jīng)二次積分獲得，誤差隨時間積累；（2）對慣性元件精度要求高，系統(tǒng)成本高。4.1

慣性導(dǎo)航294.2

組合導(dǎo)航無線電導(dǎo)航常見導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航慣性導(dǎo)航天文導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫參考導(dǎo)航組合導(dǎo)航系統(tǒng)地文導(dǎo)航推位導(dǎo)航304.2

組合導(dǎo)航組合導(dǎo)航系統(tǒng)通過對兩種或多種導(dǎo)航系統(tǒng)測量或輸出信息進行綜合處理（應(yīng)用卡爾曼濾波等數(shù)據(jù)處理技術(shù)），獲得更高的導(dǎo)航精度和可靠性，集各個子系統(tǒng)的優(yōu)點于一身。組合導(dǎo)航目的：獲得更好的精度、可靠性等。31組合方式推位/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)慣導(dǎo)/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)慣導(dǎo)/多普勒組合導(dǎo)航系統(tǒng)慣導(dǎo)/重力組合導(dǎo)航系統(tǒng)慣導(dǎo)/衛(wèi)星/天文組合導(dǎo)航系統(tǒng)……4.2

組合導(dǎo)航組合導(dǎo)航系統(tǒng)特點(1)協(xié)合超越：利用各子系統(tǒng)的導(dǎo)航信息并作有機處理，形成單個子系統(tǒng)不具備的功能和精度。(2)性能互補：組合導(dǎo)航系統(tǒng)綜合利用了各子系統(tǒng)的信息，使各子系統(tǒng)取長補短，提高適用范圍。(3)互為余度：各子系統(tǒng)觀測同一信息源，測量冗余，增加了導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性。組合導(dǎo)航技術(shù)可以克服單一導(dǎo)航設(shè)備各自的缺點，揚長避短，使得導(dǎo)航能力、精度、可靠性和自動化程度大大提高。324.2

組合導(dǎo)航33組合導(dǎo)航的基本思想：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出信號與獨立測量的由其它導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)出的相同的量進行比較；通過卡爾曼濾波器或其他濾波方法給出對導(dǎo)航系統(tǒng)誤差的實時估計；通過適當?shù)男Ｕ绞剑瑢T性導(dǎo)航系統(tǒng)進行修正，就有可能獲得比單獨慣性系統(tǒng)更高的導(dǎo)航精度。4.2

組合導(dǎo)航05智能導(dǎo)航35