三種平臺式慣性慣導系統(tǒng)介紹

導航技術基礎（8）教師：李勝E-mail：livic@126.com上節(jié)課主要內容平臺式慣導系統(tǒng)*組成結構工作原理三種平臺式慣導系統(tǒng)*位置解算速度解算指令角速度解算慣導系統(tǒng)的初始對準過程平臺控制回路的性能指標指北方位慣導系統(tǒng)導航方程及其求解定義列矢量：將導航方程記為：可以采用四階龍格-庫塔算法或者四階Adams預報-校正算法求解，可以得到運載體三維位置和三維速度的離散遞推形式解；其中：Adams預報校正算法解算精度高，并且得到的解穩(wěn)定，能夠有效抑制計算誤差發(fā)散；適合于長時間工作；3指北方位慣導系統(tǒng)平臺指令角速率RM和RN分別代表運載體所處位置的子午曲率半徑和卯酉曲率半徑；H為運載體離開橢球體表面的高度；L為運載體的大地緯度；ωie為地球自轉角速率；4指北方位慣導系統(tǒng)的優(yōu)點由于穩(wěn)定平臺模擬當?shù)氐乩碜鴺讼?，所以航向角、俯仰角、以及橫滾角可以從平臺環(huán)架軸上直接讀??；各導航參數(shù)間的關系簡單；導航方程解算簡單計算量較小，對計算機系統(tǒng)要求低；系統(tǒng)在慣導系統(tǒng)發(fā)展初期計算機水平不高的年代是十分適合的選擇方案；5指北方位慣導系統(tǒng)的主要問題不適合于高緯度區(qū)域飛行，當載體在緯度70~90度之間高緯度區(qū)域內飛行時，使平臺在方位上跟蹤地球被的指令角速度隨緯度增大而急劇增大，這時要求陀螺力矩器接受很大的指令電流，這對陀螺力矩器和平臺的工作都會造成很大的困難，因此指北方位系統(tǒng)不適合作全球導航用；6自由方位慣導系統(tǒng)這種系統(tǒng)在工作過程中，只是使平臺OXp軸和OYp軸處于地平面內，而在方位上相對慣性空間穩(wěn)定。平臺模擬這樣的坐標系，在載體航行過程中，方位陀螺的力矩器不加指令信號，即平臺繞OZp軸沒有控制指令。7自由方位慣導系統(tǒng)

在初始時，平臺對準在地理坐標系，在航行過程中由于地球自轉和載體運動，自由方位平臺的OYp軸將偏離正北軸OYt軸；偏離的角速度取決于緯度的高低和東西向速度的大小，與真北所形成的夾角為自由方位角。8自由方位慣導系統(tǒng)位置方程C—方向余弦矩陣910自由方位慣導系統(tǒng)速度方程的計算11自由方位慣導系統(tǒng)平臺指令角速率ωie為地球自轉角速率；12自由方位慣導系統(tǒng)的特點避免了高緯度地區(qū)對方位陀螺施矩的困難；計算量大，可能存在導航計算溢出的問題；可以通過格網(wǎng)坐標算法克服；13游動方位慣導系統(tǒng)這種系統(tǒng)是在自由方位慣導系統(tǒng)的基礎上，只對方位陀螺Gz的力矩器施加與地球自轉角速率有關的指令角速度；14游動方位慣導系統(tǒng)位置方程C—方向余弦矩陣15游動方位慣導系統(tǒng)方向余弦矩陣的計算16游動方位慣導系統(tǒng)速度方程的計算17游動方位慣導系統(tǒng)平臺指令角速率ωie為地球自轉角速率；18游動方位慣導系統(tǒng)程序編排19游動方位慣導系統(tǒng)的特點避免了高緯度地區(qū)對方位陀螺施矩的困難；相對于自由方位系統(tǒng)，計算量較??；目前水平式平臺慣導系統(tǒng)的首選方案；LTN-72和國產平臺式慣導系統(tǒng)都屬于游動方位慣導系統(tǒng)20指北方位慣導系統(tǒng)的初始對準定義：慣導系統(tǒng)在進入導航工作狀態(tài)之前，使慣導平臺坐標系和理想平臺坐標系重合的過程。目的：為加速度計提供測量基準；原因：初始實際平臺坐標系與理想平臺坐標系之間會存在很大偏差角，導致慣導系統(tǒng)無法進入正常工作；21平臺式慣導系統(tǒng)的初始對準精度和時間由于存在元件誤差和系統(tǒng)誤差，初始對準只能做到實際平臺坐標系和理想平臺坐標系盡可能的重合。通常水平初始對準精度在10角秒左右；方位對準精度在2~5角分。對準時間應該盡可能的短，通常對準時間要求為幾分鐘和十幾分鐘。對準精度和對準時間之間往往是相互矛盾的，要根據(jù)實際情況進行調整。22平臺式慣導系統(tǒng)的初始對準過程初始對準過程分為粗對準和精對準；粗對準要求盡快將平臺調整到某一精度范圍內，這時縮短調整時間是主要指標。精對準要求盡可能的提高系統(tǒng)的對準精度對準精度是精對準的主要指標；對準時先進行水平精對準，使平臺精確處于當?shù)厮矫鎯?，水平精對準完成后再進行方位精對準，使平臺方位對準地理北向，以便使系統(tǒng)有較好的動態(tài)特性，23平臺式慣導系統(tǒng)的粗對準粗對準包括平臺鎖定和模擬調平兩部分；平臺鎖定是一種用機械方法快速拉平和定向過程。它利用平臺各環(huán)架上的角度同步器進行平臺鎖定，使平臺快速轉到與載體坐標軸近似重合的位置。模擬調平是利用平臺上的兩個水平加速度計來敏感平臺的水平偏離，通過穩(wěn)定回路的幫助，使平臺平面接近當?shù)厮矫妗?4平臺式慣導系統(tǒng)平臺的模擬調平平臺的模擬調平工作由兩個水平穩(wěn)定回路完成。導航計算機不參加此工作；由北向加速度計和東向陀螺儀組成的水平穩(wěn)定回路，用來進行俯仰環(huán)的調平；由東向加速度計和北向陀螺儀組成的水平穩(wěn)定回路，用來進行內橫滾環(huán)的調平；25模擬調平原理—俯仰環(huán)調平當俯仰環(huán)偏離水平面時，平臺上的北向加速度計Ay將敏感到重力加速度g在OYp軸的投影：26模擬調平原理—俯仰環(huán)調平經(jīng)前置放大后，以電流信號形式送至東向陀螺儀控制軸的力矩器T，使陀螺產生進動。陀螺進動使框架上的陀螺角信號器S有轉角信號輸出，轉角信號經(jīng)放大送到俯仰穩(wěn)定電機，穩(wěn)定力矩帶動俯仰環(huán)向水平面運動，減小偏離角，直至俯仰環(huán)與水平面平行，北向加速度計無信號輸出為止。27平臺式慣導系統(tǒng)的精對準平臺式慣導系統(tǒng)的精對準包括水平精對準和方位精對準；模擬調平后系統(tǒng)直接進入水平精對準，這時將方位陀螺鎖定，水平精對準完成后再進行方位對準；水平精對準是通過水平對準回路將平臺系的水平面調整到當?shù)氐乩硭矫?；方位精對準是通過方位對準回路將平臺系的OYp軸調整到地理正北方向；28平臺控制回路的性能指標（一）閉環(huán)力矩剛度：干擾力矩與其所引起的平臺偏角之比。它表示平臺系統(tǒng)抵抗干擾力矩的能力。用S表示力矩剛度，則式中：Md為干擾力矩；為平臺偏角。S(0)表示平臺抵抗常值干擾力矩的能力，通常稱為靜態(tài)力矩剛度，靜態(tài)力矩剛度一般在108gcm/rad數(shù)量級；29平臺控制回路的性能指標（二）振蕩度定義：平臺系統(tǒng)的閉環(huán)幅頻特性用表示，為諧振頻率；為諧振峰值，也稱為振蕩度；振蕩度是表示系統(tǒng)動態(tài)性能的指標，與時域設計中的超調量指標相對應；為了得到更好的系統(tǒng)動態(tài)性能，振蕩度通常取1.1~1.5之間。30平臺控制回路的性能指標（三）閉環(huán)通頻帶表示系統(tǒng)閉環(huán)通頻帶，即系統(tǒng)頻帶范圍的寬窄，也反映系統(tǒng)對輸入響應速度的快慢；31平臺控制回路的性能指標的選取對一些低頻干擾力矩，如載體姿態(tài)的變化彈性變形等因素引起的干擾力矩應有足夠大的力矩剛度(108gcm/rad數(shù)量級)，使平臺在上述干擾力矩作用下，有足夠小的動態(tài)誤差；對于一些高頻干擾力矩，如發(fā)動機振動、電子系統(tǒng)的干擾，系統(tǒng)應具有很好的抑制作用。平臺系統(tǒng)的通頻帶一般選在50~200Hz范圍內，振蕩度一般選擇在1.1~1.5。32捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)StrapdownInertialNavigationSystem把慣性儀表直接固聯(lián)在載體上，用計算機來完成導航平臺的功能的慣性導航系統(tǒng)。捷聯(lián)導航系統(tǒng)的組成

捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)大體上由一組慣性儀表、一臺計算機和一些輔助單元組成：1.儀表組件2.儀表的電子部件3.計算機（姿態(tài)計算、導航計算）4.輸入/輸出接口5.電源模塊捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的優(yōu)點1.整個系統(tǒng)的體積、重量和成本上大大降低，通常陀螺儀和加速度計只占導航平臺重量的1/7；2.慣性儀表便于安裝維護，也便于更換；3.慣性儀表可以給出載體軸向的線加速度和角速度，這些信息是控制系統(tǒng)所需要的。和平臺式導航系統(tǒng)相比，捷聯(lián)式系統(tǒng)可以提供更多的導航和制導信息。4.慣性儀表便于采用余度配置，提高系統(tǒng)的可靠性及各項性能；AN/WSN-5和FIN3110對比FIN3110功耗:40W設備尺寸(cm):19.5×21.6×29重量(kg):12AN/WSN-5功耗:440W設備尺寸(cm):43.9×53.3×117.6重量(kg):172.7捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的不足1.慣性儀表直接固聯(lián)在載體上，直接承受載體的振動和沖擊，工作環(huán)境惡劣；2.慣性儀表特別是陀螺儀直接測量載體的角運動，要求捷聯(lián)陀螺有較大的施矩速度和高性能的再平衡回路；3.裝機標定比較困難，從而要求捷聯(lián)陀螺有更高的性能；4.計算量較大，要求高性能計算機支持；簡單的二維導航系統(tǒng)一臺陀螺儀兩個加速度計一臺計算機簡單的二維捷聯(lián)導航系統(tǒng)簡單的二維捷聯(lián)導航參考坐標系二維系統(tǒng)在旋轉坐標系中的導航旋轉坐標系和固定坐標系下導航方程的比較三維捷聯(lián)導航系統(tǒng)的基本分析1.相對于固定坐標系的導航考慮相對于一個固定的，既沒有加速度、沒有轉動的軸系的導航情況。P點相對于空間固聯(lián)坐標系的加速度：P點比力大小為：導航方程：三維捷聯(lián)導航系統(tǒng)的基本分析2.相對于旋轉坐標系的導航考慮相對于一個非固定的，繞慣性坐標系轉動的軸系下運載體的導航情況。由于參考坐標系的轉動會產生附加的外部力，由此導致對導航方程的修改矢量叉乘加速度計測量值的分解慣性空間中捷聯(lián)導航系統(tǒng)方框圖參考坐標系慣性坐標系（i系）：原點位于地球中心，坐標軸相對于恒星無轉動。地球坐標系（e系）：原點位于地球中心，坐標軸與地球固聯(lián)。參考坐標系導航坐標系（n系）：是一種當?shù)氐乩碜鴺讼担c位于導航系統(tǒng)所在的P點，坐標軸指向東北天，導航坐標系相對于地球固聯(lián)坐標系的旋轉角速度，通常稱為轉移速率。載體坐標系（b系）：原點在載體導航系統(tǒng)中心，軸向分別沿運載體的翻滾軸、俯仰軸和偏航軸。慣性坐標系下導航方程的形式慣性坐標系下導航方程的形式慣性坐標系下捷聯(lián)導航方框圖地球坐標系下導航方程的形式（1）地球坐標系下導航方程的形式（2）地球坐標系下捷聯(lián)導航方框圖當?shù)氐乩碜鴺讼迪聦Ш椒匠痰男问疆數(shù)氐乩碜鴺讼迪陆萋?lián)導航方框圖游動方位坐標系下導航方程的形式游動方位坐標系下捷聯(lián)導航方框圖四種導航坐標系下導航方框圖比較捷聯(lián)導航系統(tǒng)中載體姿態(tài)的表示在捷聯(lián)系統(tǒng)當中加速度計所測量到的載體加速度需要通過左乘方向余弦矩陣后分解為參考坐標系內的加速度分量才能用于導航計算機進行導航信息解算。方向余弦矩陣是一個3x3的矩陣，矩陣的列表示載體坐標系的單位矢量在參考坐標系中的投影；歐拉角，通過三個旋轉角表示一個坐標系到另一個坐標系的變換；四元數(shù)，通過一個具有四個元素的矢量表達式表示一個坐標系到另一個坐標系的轉換；方向余弦矩陣（一）方向余弦矩陣（二）方向余弦矩陣（三）方向余弦矩陣的導數(shù)歐拉角（一）一個坐標系到另一個坐標系的轉換還可以通過繞不同坐標軸的旋轉來實現(xiàn)。比如，從參考坐標系到一個新坐標系的變換可以表示為繞z軸轉動ψ角，再繞y軸轉動θ角，再繞x軸轉動φ角。ψ角，θ角，

φ角稱為慣性導航系統(tǒng)的歐拉角。在平臺式慣性導航系統(tǒng)中，歐拉角可以通過3個框架之間的角度傳感器檢測到。歐拉角