無人機結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)課件：慣性導航系統(tǒng)

1獲得必要的導航要素：高度、速度、姿態(tài)、航向；（目標）給出滿足精度要求的定位信息：經(jīng)度、緯度；引導飛機按規(guī)定計劃飛行；（路徑指導）接收預定任務航線計劃的裝定、并對任務航線的執(zhí)行進行動態(tài)管理；（路徑計算）接收控制站的導航模式控制指令并執(zhí)行；并具有指令導航模式與預定航線飛行模式相互切換的功能；具有接收并融合無人機其它設備的輔助導航定位信息的能力；配合其它系統(tǒng)完成各種任務。

導航系統(tǒng)（沿3軸，位置回路、外回路）

導航子系統(tǒng)功能：向無人機提供相對于所選定的參考坐標系的位置、速度、飛行姿態(tài)，引導無人機沿指定航線安全、準時、準確的飛行。因此導航子系統(tǒng)之于無人機相當于領航員之于有人機。早期采用導航儀；1954年，無人機上才采用慣性導航系統(tǒng)；1956年，中國開始研制慣性導航系統(tǒng)；60年代，開始采用慣性導航、多普勒導航、無線電導航等；70年代發(fā)展起來的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，具有全球性、高精度及實時三維導航測速能力，是導航技術的新突破，它和慣性組合的導航系統(tǒng)是最理想的導航系統(tǒng)。因此，本文重點介紹慣性導航系統(tǒng)、全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)及常用的組合導航系統(tǒng)。3

慣性導航系統(tǒng)（INS—InertialNavigationSystem，以下簡稱慣導）是一種不依賴于外部信息，只依據(jù)運動載體本身的慣性測量（加速度）來完成導航任務的技術，也稱為自主式導航系統(tǒng)。

慣性導航系統(tǒng)慣導的基本工作原理是以牛頓力學定律為基礎，測量運動載體的加速度后，經(jīng)過一次積分可以得到運動速度，經(jīng)過二次積分得到運動距離，從而給出運動載體的瞬時速度和位置參數(shù)。位移x：振動物體離開平衡位置的位移。速度v：振動物體位移的變化率。加速度a：物體振動速度的變化率。這三者之間數(shù)學關系是：（1）優(yōu)點：這種完全依靠機載設備自主地完成導航任務，與外界不發(fā)生任何光、電聯(lián)系。因此，隱蔽性好、工作不受氣象條件的限制（可全天候、全時間地工作于空中、地球表面乃至水下）、導航信息連續(xù)性好而且噪聲低、數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，使其成為航空、航天和航海領城中的一種廣泛使用的主要導航方法。②缺點：由于導航信息經(jīng)過積分而產(chǎn)生，定位誤差隨時間而增大，長期精度差；每次使用之前需要較長的初始對準時間；設備的價格較昂貴；不能給出時間信息。1.特點72.結(jié)構(gòu)

（1）加速度計（2）慣導平臺：模擬一個導航坐標系，把加速度計的測量軸穩(wěn)定在導航坐標系上，并用模擬的方法給載體的姿態(tài)和方位信息。

（3）導航計算機

（4）控制顯示器8從結(jié)構(gòu)上來說，慣性導航系統(tǒng)可分為平臺式和捷聯(lián)式。（1）平臺式慣性導航系統(tǒng)（GimbaledInertialNavigationSystem，簡寫GINS）：將陀螺儀和加速度等慣性元件通過萬向支架角運動隔離系統(tǒng)與運動載物固連的慣性導航系統(tǒng)，其工作原理如下圖。3.分類9結(jié)構(gòu)組成：三軸陀螺穩(wěn)定平臺（包含陀螺儀）、加速度計、導航計算機、控制顯示器等部分組成。優(yōu)點：因為直接模擬導航坐標系，所以計算比較簡單；因為能隔離載體的角運動，所以系統(tǒng)精度高。缺點：結(jié)構(gòu)復雜、體積大和制作成本高。（1）平臺式慣性導航系統(tǒng)10平臺式慣導又分為半解析式、幾何式和解析式。a.半解析式：又稱當?shù)厮綉T導系統(tǒng)，系統(tǒng)有一個三軸穩(wěn)定平臺，臺面始終平行當?shù)厮矫?，方向指地理北（或其它方位）。指北方位慣導系統(tǒng)自由方位慣導系統(tǒng)游動方位慣導系統(tǒng)（1）平臺式慣性導航系統(tǒng)11b.幾何式：有兩個平臺，一個裝有陀螺相對慣性空間穩(wěn)定；另一個裝有加速度計，跟蹤地理坐標系。陀螺平臺和加速度計平臺間的幾何關系可確定載體的經(jīng)緯度，故稱幾何式慣導系統(tǒng)。主要用于船舶和潛艇的導航定位。精度較高，可長時間工作，計算量小，但平臺結(jié)構(gòu)復雜。c.解析式：陀螺和加速度計裝于同一平臺，平臺相對慣性空間穩(wěn)定。加速度計測量值包含重力分量，必須先消除重力加速度影響。求出的參數(shù)是相對慣性空間，需進一步計算轉(zhuǎn)換為相對地球的參數(shù)。平臺結(jié)構(gòu)較簡單，計算量較大，主要用于宇宙航行及彈道式導彈。（1）平臺式慣性導航系統(tǒng)12Strap-downInertialNavigationSystem，簡寫為SINS：無穩(wěn)定平臺，加速度計和陀螺儀與載體直接相連。載體轉(zhuǎn)動時，加速度計和陀螺儀的敏感軸指向也跟隨轉(zhuǎn)動；陀螺儀測量載體角運動，計算載體姿態(tài)角，從而確定加速度計敏感軸指向；再通過坐標變換，將加速度計輸出的信號變換到導航坐標系上，進行導航計算，如圖4-28所示。（2）捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)13優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低、可靠性高、功能強、精度高以及使用靈活，使得SINS已經(jīng)成為當今慣性導航系統(tǒng)發(fā)展的主流。缺點：慣性元件直接裝在載體上，環(huán)境惡劣，對元件要求較高；另外，坐標變換中計算量大。（2）捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)這是哪種慣性導航系統(tǒng)？這又是哪種慣性導航系統(tǒng)？4.捷聯(lián)式與平臺式兩個主要的區(qū)別（1）無慣性平臺：陀螺儀和加速度計直接安裝在飛行器上，使系統(tǒng)體積小、重量輕、成本低、維護方便。但陀螺儀和加速度計直接承受飛行器的振動、沖擊和角運動，因而會產(chǎn)生附加的動態(tài)誤差。這對陀螺儀和加速度計就有更高的要求。（2）坐標變換：這種系統(tǒng)需要進行坐標變換，而且必須進行實時計算，因而要求計算機具有很高的運算速度和較大的容量。5.導航用坐標系（1）地球坐標系（簡稱e系）：原點為地球中心，z軸指向地球極軸，x軸通過零子午線。（2）載體坐際系（簡稱b系）：原點為載體重心，y軸指向載體縱軸方向，z軸指向載體豎軸方向。5.導航用坐標系（3）平臺標標系（簡稱p系）：描述平臺式慣導系統(tǒng)中平臺指向的坐標系，它與平臺固連。如果平臺無誤差，指向正確，則這樣的平臺坐標系稱為理想平臺坐標系。（4）導航坐標系（簡稱n系）：慣性系統(tǒng)在求解導航參數(shù)時所采用