機(jī)載電子設(shè)備-第六章-慣性導(dǎo)航系統(tǒng)1課件

1、第五章 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)2012 . 112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(jì)平臺(tái)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(duì)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(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航(Inertial Navigation)：一種自主式導(dǎo)航，通過測(cè)量飛機(jī)加速度（慣性），并自動(dòng)積分運(yùn)算，以獲得飛機(jī)的即時(shí)速度和即時(shí)位置數(shù)據(jù)。51. 概述(3)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可提供多達(dá)35個(gè)導(dǎo)航參數(shù)，主要包括：即時(shí)經(jīng)度和緯度，飛機(jī)

2、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(gè)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(cè)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(wú)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(dòng)的初始條件，使用前自校準(zhǔn)的時(shí)間長(zhǎng)，使用中隨時(shí)間的增長(zhǎng)產(chǎn)生累積誤差，在一定時(shí)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

3、三者之間的關(guān)系） 物體受外力作用時(shí)，會(huì)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(dòng)過程的加速度，即可推算出物體在任何時(shí)刻的速度及其位置。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。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(cè)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(dòng)，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)

4、的對(duì)稱平面內(nèi)，與機(jī)身縱軸線一致，指向前方； 軸也位于對(duì)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(duì)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(dòng)，可近似看作固定于慣性空間，是慣性測(cè)量元件（陀螺、加速度計(jì)）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(wú)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

5、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(yáng)在天球上的周年視運(yùn)動(dòng)軌跡）自西向東從赤道以南穿到赤道以北的交點(diǎn)。18天球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(dòng)。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。

6、(當(dāng)?shù)?地理坐標(biāo)系隨飛機(jī)一起運(yùn)動(dòng)，但無(wú)論飛機(jī)如何運(yùn)動(dòng)，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)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(duì)地球的即時(shí)位置。慣導(dǎo)系統(tǒng)的基本原理是基于對(duì)載體加速度的測(cè)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(duì)地球的位置（即緯度/經(jīng)度/高度）。慣導(dǎo)系統(tǒng)的平臺(tái)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(jì)算方程，再由計(jì)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(tái)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

7、，假設(shè)地球?yàn)槔硐肭蝮w，且不考慮地球的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)（包括自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)）。平臺(tái)內(nèi)的兩個(gè)軸始終保持與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫校⑹?軸指向東， 軸指向北。 28平臺(tái)坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系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(duì)地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)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(jì)算方法類同，即 其中

8、， 為飛機(jī)沿當(dāng)?shù)氐卮咕€方向的加速度（即垂直加速度）， 為飛機(jī)的初始垂直加速度， 為飛機(jī)初始飛行高度。343. 慣性導(dǎo)航基本原理(7)平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的基本組成： (1) 加速度計(jì) (2) 陀螺穩(wěn)定平臺(tái)：包括陀螺儀、平臺(tái)和穩(wěn)定回路，用于模擬導(dǎo)航坐標(biāo)系。 (3) 導(dǎo)航計(jì)算機(jī) (4) 控制顯示組件353. 慣性導(dǎo)航基本原理(8)慣導(dǎo)系統(tǒng)的基本組成363.1當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的絕對(duì)角速度(1)牽連角速度：是由地球相對(duì)慣性坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)形成的。相對(duì)角速度：是由飛機(jī)相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)而形成的；373.1當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的絕對(duì)角速度(2)以飛機(jī)水平飛行為例討論：設(shè)飛機(jī)所在地的緯度為，飛行高度為h，飛行速度為v，航向角為。把v分解為沿地理北向和地理東向兩個(gè)分量：383.1當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的絕對(duì)角速度(3)飛行速度北向分量vN引起地理坐標(biāo)系繞平行與地理東西方向的地心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為：飛行速度東向分量vE引起地理坐標(biāo)系繞地軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為：飛行速度引起地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)動(dòng)將和 平移到地理坐標(biāo)系的原點(diǎn)，并投影到地理坐標(biāo)系，可得：上式表明，飛機(jī)飛行速度將引起地理坐標(biāo)系繞地理東向、北向和垂線方向相對(duì)地球坐標(biāo)系移動(dòng)。3.1當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的絕對(duì)角速度(4)地球自傳角速度在