機載電子設備-第六章-慣性導航系統(tǒng)1課件

1、第五章 慣性導航系統(tǒng)2012 . 112主要內容概論參考坐標系慣性導航基本原理加速度計平臺式慣性導航系統(tǒng)捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)慣性導航系統(tǒng)的誤差與初始對準慣性導航技術進展31. 概述(1)導航：指引飛機到達目的地的過程。導航系統(tǒng)兩大分類自主式導航系統(tǒng)：不需要與地面導航設備配合而能獨立工作，如慣性導航系統(tǒng)；非自主式導航系統(tǒng)：必須與地面導航設備配合工作，如無線電導航系統(tǒng)。慣性導航(Inertial Navigation)：一種自主式導航，通過測量飛機加速度（慣性），并自動積分運算，以獲得飛機的即時速度和即時位置數(shù)據(jù)。51. 概述(3)慣性導航系統(tǒng)可提供多達35個導航參數(shù)，主要包括：即時經(jīng)度和緯度，飛機

2、地速、航跡角，飛機的姿態(tài)角、航向角及角速度，沿給定坐標軸的三個線加速度，垂直（升降）速度，慣性高度等。61. 概述(4)慣性導航系統(tǒng)能夠提供完整的導航參數(shù)和姿態(tài)參數(shù)（唯一可以直接測量飛機姿態(tài)參數(shù)的導航系統(tǒng)）。不依賴地面設施（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，也不受無線電干擾的影響。在系統(tǒng)完成校準后，定位精度高，可以在全球范圍內全天候工作。71. 概述(5)慣性導航系統(tǒng)必須給定運動的初始條件，使用前自校準的時間長，使用中隨時間的增長產生累積誤差，在一定時間后，需要進行修正。81. 概述(5)慣性導航的理論基礎：牛頓第二定律（論述了物體的加速度、質量和所受作用力

3、三者之間的關系） 物體受外力作用時，會沿外力方向產生加速度，其大小與外力成正比，與物體的質量成反比；在這種情況下，如果已知物體的初始位置、初始速度和運動過程的加速度，即可推算出物體在任何時刻的速度及其位置。101. 概述(7) 其中，a ， v和S為飛機的加速度、速度和飛行距離； 為初始速度和初始位置。12縱軸：飛行方向及飛機推力和阻力作用方向橫軸：飛機測滑或橫向力作用方向垂直軸：飛機升力和重力作用方向 機體坐標系垂直軸Y縱軸X橫軸Z上升下降側滑向前偏航俯仰橫滾142.1 機體坐標系機體坐標系 ：原點取在飛機的重心，三軸與飛機固連，隨飛機一起運動，坐標系的方位代表飛機在空間的姿態(tài)。 軸位于飛機

4、的對稱平面內，與機身縱軸線一致，指向前方； 軸也位于對稱平面內且垂直于 軸，指向上方； 軸與 和 軸構成右手坐標系。15ECI坐標系地球質心春分點162.2 地心慣性(ECI)坐標系 (1)ECI坐標系 ：原點取在地球質心， 平面取為與地球的赤道面重合， 軸指向相對于天球永遠固定的方向（如春分點）， 軸取與 平面垂直而指向北極的方向， 軸與 和 軸構成右手坐標系。 ECI坐標系不隨地球轉動，可近似看作固定于慣性空間，是慣性測量元件（陀螺、加速度計）的參考基準。 172.2 地心慣性(ECI)坐標系 (2)天球：假想的圓球，其半徑視為無限大，而地球處于天球中央。把地球自轉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：黃道（太陽在天球上的周年視運動軌跡）自西向東從赤道以南穿到赤道以北的交點。18天球20ECEF坐標系與ECI坐標系212.2 地球坐標系(2)ECEF坐標系 ：原點取在地球質心， 軸與地球自轉軸重合， 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 軸構成右手坐標系。 ECEF坐標系與地球固連，隨地球一起轉動。232.4 當?shù)氐乩碜鴺讼诞數(shù)氐乩碜鴺讼?：原點取在飛機重心， 軸沿當?shù)鼐暰€切線指向東(E)， 軸沿當?shù)亟?jīng)線切線指向北(N)， 和 軸在當?shù)厮矫鎯龋?軸垂直于 平面，指向天（上） ，即地垂線方向。

6、(當?shù)?地理坐標系隨飛機一起運動，但無論飛機如何運動，地理坐標系坐標軸指向不變。 24當?shù)氐乩碜鴺讼?地平坐標系)263. 慣性導航基本原理(1)慣性導航的根本問題是確定飛機相對地球的即時位置。慣導系統(tǒng)的基本原理是基于對載體加速度的測量，將加速度進行一次積分得到載體的速度，再做一次積分得到載體相對地球的位置（即緯度/經(jīng)度/高度）。慣導系統(tǒng)的平臺坐標系模擬所選定的導航坐標系，然后根據(jù)導航坐標系與地球坐標系的關系，建立導航參數(shù)的計算方程，再由計算機按方程解算導航參數(shù)。273. 慣性導航基本原理(2)若選取當?shù)氐乩碜鴺讼禐閷Ш阶鴺讼?，即以慣導系統(tǒng)的平臺坐標系模擬當?shù)氐乩碜鴺讼?。假設飛機沿地球表面飛行

7、，假設地球為理想球體，且不考慮地球的轉動運動（包括自轉和公轉）。平臺內的兩個軸始終保持與當?shù)厮矫嫫叫?，并?軸指向東， 軸指向北。 28平臺坐標系與地球坐標系303. 慣性導航基本原理(4)如果獲知飛機地速的東向和北向分量 和 ，即可確定飛行引起的當?shù)氐乩碜鴺讼道@北向和東向相對地球坐標系的轉動角速度，即經(jīng)度和緯度的變化率： 其中，R為地球半徑。313. 慣性導航基本原理(5)進一步可求出飛機相對地球坐標系的位置，即飛機所在的經(jīng)度和緯度： 其中， 為飛機初始位置的經(jīng)度和緯度。32慣導系統(tǒng)原理示意圖333. 慣性導航基本原理(6)如果需要垂直導航參數(shù)，則垂直速度和飛行高度的計算方法類同，即 其中

8、， 為飛機沿當?shù)氐卮咕€方向的加速度（即垂直加速度）， 為飛機的初始垂直加速度， 為飛機初始飛行高度。343. 慣性導航基本原理(7)平臺式慣導系統(tǒng)的基本組成： (1) 加速度計 (2) 陀螺穩(wěn)定平臺：包括陀螺儀、平臺和穩(wěn)定回路，用于模擬導航坐標系。 (3) 導航計算機 (4) 控制顯示組件353. 慣性導航基本原理(8)慣導系統(tǒng)的基本組成363.1當?shù)氐乩碜鴺讼档慕^對角速度(1)牽連角速度：是由地球相對慣性坐標系運動形成的。相對角速度：是由飛機相對于地球運動而形成的；373.1當?shù)氐乩碜鴺讼档慕^對角速度(2)以飛機水平飛行為例討論：設飛機所在地的緯度為，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分量：383.1當?shù)氐乩碜鴺讼档慕^對角速度(3)飛行速度北向分量vN引起地理坐標系繞平行與地理東西方向的地心軸轉動，其轉動角速度為：飛行速度東向分量vE引起地理坐標系繞地軸轉動，其轉動角速度為：飛行速度引起地理坐標系轉動將和 平移到地理坐標系的原點，并投影到地理坐標系，可得：上式表明，飛機飛行速度將引起地理坐標系繞地理東向、北向和垂線方向相對地球坐標系移動。3.1當?shù)氐乩碜鴺讼档慕^對角速度(4)地球自傳角速度在