導(dǎo)航原理_組合導(dǎo)航

1、 組合導(dǎo)航組合導(dǎo)航 4.1 概述n一般而言，較理想的導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)具有以下性能：一般而言，較理想的導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)具有以下性能：n自主性強：不依賴天氣、氣候及其它外部條件；自主性強：不依賴天氣、氣候及其它外部條件；n功能完備：可實時輸出載體的全部運動參數(shù)，包功能完備：可實時輸出載體的全部運動參數(shù)，包括位置、速度、姿態(tài)、角速度和加速度甚至角加速括位置、速度、姿態(tài)、角速度和加速度甚至角加速度。度。n精度高：提供足夠精確的導(dǎo)航與控制參數(shù)；精度高：提供足夠精確的導(dǎo)航與控制參數(shù)；n環(huán)境適應(yīng)性好：在大的溫度范圍、惡劣的沖擊、環(huán)境適應(yīng)性好：在大的溫度范圍、惡劣的沖擊、振動及化學(xué)污染、煙塵等環(huán)境中能可靠工作；振動及化學(xué)

2、污染、煙塵等環(huán)境中能可靠工作；n此外，還要求體積小，重量輕，造價低廉，維護(hù)保此外，還要求體積小，重量輕，造價低廉，維護(hù)保養(yǎng)方便，使用壽命長等。養(yǎng)方便，使用壽命長等。n前述各種導(dǎo)航系統(tǒng)，各自都有其優(yōu)點和特前述各種導(dǎo)航系統(tǒng)，各自都有其優(yōu)點和特色，但也有固有的不足之處。慣性導(dǎo)航系色，但也有固有的不足之處。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)自主性強，功能完備，但誤差隨時間積統(tǒng)自主性強，功能完備，但誤差隨時間積累。累。GPS全球定位系統(tǒng)具有全天候、全球、全球定位系統(tǒng)具有全天候、全球、實時高精度測速定位，但輸出參數(shù)更新率實時高精度測速定位，但輸出參數(shù)更新率低，天線被遮擋或空間衛(wèi)星發(fā)生故障時會低，天線被遮擋或空間衛(wèi)星發(fā)生故障時會

3、出現(xiàn)信號中斷，單獨用出現(xiàn)信號中斷，單獨用GPS導(dǎo)航的方案受導(dǎo)航的方案受到限制。天文導(dǎo)航，也有缺點。綜上所述，到限制。天文導(dǎo)航，也有缺點。綜上所述，單一的導(dǎo)航系統(tǒng)均存在不足，難以滿足航單一的導(dǎo)航系統(tǒng)均存在不足，難以滿足航天器對導(dǎo)航系統(tǒng)的性能要求。天器對導(dǎo)航系統(tǒng)的性能要求。n將兩種或兩種以上的導(dǎo)航系統(tǒng)組合起來成將兩種或兩種以上的導(dǎo)航系統(tǒng)組合起來成為一個綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，其導(dǎo)航性能比單一為一個綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，其導(dǎo)航性能比單一的系統(tǒng)好，我們把這種系統(tǒng)稱為組合導(dǎo)航的系統(tǒng)好，我們把這種系統(tǒng)稱為組合導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)。n根據(jù)使用對象，綜合方案可以多種多樣，根據(jù)使用對象，綜合方案可以多種多樣，共性在于：以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為

4、主，以其它共性在于：以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為主，以其它導(dǎo)航系統(tǒng)為輔，這是由慣導(dǎo)系統(tǒng)的全自主導(dǎo)航系統(tǒng)為輔，這是由慣導(dǎo)系統(tǒng)的全自主的特點和輸出導(dǎo)航參數(shù)較多決定的。的特點和輸出導(dǎo)航參數(shù)較多決定的。 綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點可歸納如下：綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點可歸納如下：n(1) 能有效地利用各子系統(tǒng)的導(dǎo)航信息，互相補充，使能有效地利用各子系統(tǒng)的導(dǎo)航信息，互相補充，使系統(tǒng)定位精度大大提高，并能抑制慣導(dǎo)系統(tǒng)的休拉振蕩。系統(tǒng)定位精度大大提高，并能抑制慣導(dǎo)系統(tǒng)的休拉振蕩。n(2) 進(jìn)一步提高子系統(tǒng)的可靠性。利用故障檢測及識別進(jìn)一步提高子系統(tǒng)的可靠性。利用故障檢測及識別技術(shù)，在一個子系統(tǒng)失效時，余度導(dǎo)航信息容許系統(tǒng)的技術(shù)，在一個

5、子系統(tǒng)失效時，余度導(dǎo)航信息容許系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行自動轉(zhuǎn)換。工作模式進(jìn)行自動轉(zhuǎn)換。n(3) 可實現(xiàn)對各子系統(tǒng)及其元件的校準(zhǔn)，從而能放寬對可實現(xiàn)對各子系統(tǒng)及其元件的校準(zhǔn)，從而能放寬對子系統(tǒng)元件指標(biāo)的要求，有利于低成本的子系統(tǒng)及元件子系統(tǒng)元件指標(biāo)的要求，有利于低成本的子系統(tǒng)及元件構(gòu)成高精度的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)。構(gòu)成高精度的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)。n(4) 允許慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)初始對準(zhǔn)與調(diào)整，既能減小允許慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)初始對準(zhǔn)與調(diào)整，既能減小慣導(dǎo)系統(tǒng)的積累誤差，又能縮短地面準(zhǔn)備時間，提高快慣導(dǎo)系統(tǒng)的積累誤差，又能縮短地面準(zhǔn)備時間，提高快速反應(yīng)能力。速反應(yīng)能力。n60年代以前，綜合導(dǎo)航一般都采用頻率濾波的方法年代以前

6、，綜合導(dǎo)航一般都采用頻率濾波的方法或古典控制中校正的方法，具體的形式是環(huán)節(jié)的?；蚬诺淇刂浦行Ｕ姆椒?，具體的形式是環(huán)節(jié)的校正。正。60年代以來，濾波技術(shù)更加成熟，尤其是計算年代以來，濾波技術(shù)更加成熟，尤其是計算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，使得綜合方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詸C(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，使得綜合方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐訩alman （卡爾曼）濾波為主，即在兩個（或兩個以上）導(dǎo)（卡爾曼）濾波為主，即在兩個（或兩個以上）導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的基礎(chǔ)上，利用卡爾曼濾波去估計系統(tǒng)航系統(tǒng)輸出的基礎(chǔ)上，利用卡爾曼濾波去估計系統(tǒng)的各種誤差（稱為誤差狀態(tài)），再用誤差狀態(tài)的估的各種誤差（稱為誤差狀態(tài)），再用誤差狀態(tài)的估值去校正系統(tǒng)，達(dá)到綜合的目的。值去校正系

7、統(tǒng)，達(dá)到綜合的目的。n卡爾曼濾波的估計技術(shù)是一種最優(yōu)估計，因此，利卡爾曼濾波的估計技術(shù)是一種最優(yōu)估計，因此，利用卡爾曼濾波器實現(xiàn)綜合的導(dǎo)航系統(tǒng)也叫做最優(yōu)綜用卡爾曼濾波器實現(xiàn)綜合的導(dǎo)航系統(tǒng)也叫做最優(yōu)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)。合導(dǎo)航系統(tǒng)。 1.阻尼式綜合導(dǎo)航系統(tǒng)（經(jīng)典阻尼式綜合導(dǎo)航系統(tǒng)（經(jīng)典組合原理）組合原理）n阻尼式組合導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計思想阻尼式組合導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計思想 n1.減弱慣導(dǎo)系統(tǒng)的積累性誤差。慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤減弱慣導(dǎo)系統(tǒng)的積累性誤差。慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差隨時間而積累、精度隨時間而降低。因此要差隨時間而積累、精度隨時間而降低。因此要求與慣導(dǎo)系統(tǒng)組合的導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差和精度不求與慣導(dǎo)系統(tǒng)組合的導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差和精度不隨

8、時間而變化。隨時間而變化。n2.抑制慣導(dǎo)系統(tǒng)的無阻尼振蕩。從慣導(dǎo)系統(tǒng)的抑制慣導(dǎo)系統(tǒng)的無阻尼振蕩。從慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差分析中可知：慣導(dǎo)系統(tǒng)的振蕩周期有休拉誤差分析中可知：慣導(dǎo)系統(tǒng)的振蕩周期有休拉周期、地球自轉(zhuǎn)周期和與緯度有關(guān)的傅科周期。周期、地球自轉(zhuǎn)周期和與緯度有關(guān)的傅科周期。n目標(biāo)：實現(xiàn)較精確的導(dǎo)航與定位。目標(biāo)：實現(xiàn)較精確的導(dǎo)航與定位。 4.2 系統(tǒng)組合原理系統(tǒng)組合原理n下面以外部位置信息阻尼方案為例予以說明。下面以外部位置信息阻尼方案為例予以說明。n利用天文導(dǎo)航系統(tǒng)得到的外部位置信息實現(xiàn)對利用天文導(dǎo)航系統(tǒng)得到的外部位置信息實現(xiàn)對慣導(dǎo)系統(tǒng)阻尼的一種方案如圖慣導(dǎo)系統(tǒng)阻尼的一種方案如圖6.2所示：所示

9、：r為外部位置信息，為外部位置信息， 為慣導(dǎo)系統(tǒng)的位置信息。為慣導(dǎo)系統(tǒng)的位置信息。cn圖中，圖中， 為外部位置信息為外部位置信息, 可由天文導(dǎo)航系統(tǒng)給出，可由天文導(dǎo)航系統(tǒng)給出，其和慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的緯度信息相比較，以其差值其和慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的緯度信息相比較，以其差值信號，通過信號，通過k1,k2,k3環(huán)節(jié)反饋到系統(tǒng)中去。環(huán)節(jié)反饋到系統(tǒng)中去。rn由上式可見，系統(tǒng)成為三階系統(tǒng)，可通由上式可見，系統(tǒng)成為三階系統(tǒng)，可通過適當(dāng)選擇參數(shù)過適當(dāng)選擇參數(shù)K1、K2和和K3，使原來無，使原來無阻尼的慣導(dǎo)系統(tǒng)變成阻尼綜合導(dǎo)航系統(tǒng)阻尼的慣導(dǎo)系統(tǒng)變成阻尼綜合導(dǎo)航系統(tǒng)（也可通過引入外部速度信息來實現(xiàn)）。（也可通過引入外部速度

10、信息來實現(xiàn)）。此外，還可通過適當(dāng)選擇參數(shù)來改變自此外，還可通過適當(dāng)選擇參數(shù)來改變自振周期以得到所需的動態(tài)特性。振周期以得到所需的動態(tài)特性。系統(tǒng)穩(wěn)定后，從以上兩式可得系系統(tǒng)穩(wěn)定后，從以上兩式可得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為n由以上兩式可見，在增加附加修正環(huán)節(jié)由以上兩式可見，在增加附加修正環(huán)節(jié)和外部位置信息之后，在定位誤差中，和外部位置信息之后，在定位誤差中，消除了初始速度誤差，而陀螺的常值漂消除了初始速度誤差，而陀螺的常值漂移只產(chǎn)生常值定位誤差。平臺的水平傾移只產(chǎn)生常值定位誤差。平臺的水平傾角誤差，只受加速度計誤差的影響，其角誤差，只受加速度計誤差的影響，其它各項輸入量產(chǎn)生的誤差得到消除。因它各項輸入量