第8章 平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理及應(yīng)用

1、2022-3-28慣性導(dǎo)航原理慣性導(dǎo)航原理 中國民航大學(xué)電子信息工程學(xué)院中國民航大學(xué)電子信息工程學(xué)院崔崔 銘銘電子信息工程學(xué)院2 8.3 8.3 自由方位慣導(dǎo)系統(tǒng)自由方位慣導(dǎo)系統(tǒng) 8.1 8.1 概概 述述 8.5 8.5 平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)初始平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)初始 對準(zhǔn)原理對準(zhǔn)原理 第第8 8章章 平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理及應(yīng)用平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理及應(yīng)用 8.2 8.2 指北方位慣導(dǎo)系統(tǒng)指北方位慣導(dǎo)系統(tǒng) 8.4 8.4 游動(dòng)方位慣導(dǎo)系統(tǒng)游動(dòng)方位慣導(dǎo)系統(tǒng) 電子信息工程學(xué)院3一一 慣性導(dǎo)航的分類慣性導(dǎo)航的分類1.1.平臺式慣導(dǎo)：三軸陀螺穩(wěn)定平臺，平臺式慣導(dǎo)：三軸陀螺穩(wěn)定平臺，加速度計(jì)加速度計(jì)固固定在平

2、臺上，其敏感軸與平臺軸定在平臺上，其敏感軸與平臺軸平行平行，平臺的三，平臺的三根穩(wěn)定軸根穩(wěn)定軸模擬模擬一種導(dǎo)航坐標(biāo)系。一種導(dǎo)航坐標(biāo)系。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：直接模擬導(dǎo)航坐標(biāo)系，計(jì)算比較簡單；能：直接模擬導(dǎo)航坐標(biāo)系，計(jì)算比較簡單；能隔離載體的角運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)精度高。隔離載體的角運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)精度高。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，制造成本高。：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，制造成本高。 8.1 8.1 概概 述述電子信息工程學(xué)院42.2.捷聯(lián)式慣導(dǎo)：捷聯(lián)式慣導(dǎo)：無無穩(wěn)定穩(wěn)定平臺平臺，加速度計(jì)和陀螺儀，加速度計(jì)和陀螺儀與載體與載體直接直接固連。載體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)固連。載體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), ,加速度計(jì)和陀螺儀加速度計(jì)和陀螺儀的的敏感軸指向敏感軸指向也

3、跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)。陀螺儀測量載體也跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)。陀螺儀測量載體角運(yùn)角運(yùn)動(dòng)動(dòng)，計(jì)算載體，計(jì)算載體姿態(tài)角姿態(tài)角，從而確定加速度計(jì)敏感軸，從而確定加速度計(jì)敏感軸指向指向。再通過。再通過坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換，將加速度計(jì)輸出的信號，將加速度計(jì)輸出的信號變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系上，進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算。變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系上，進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：無平臺，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，維護(hù)方便。：無平臺，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，維護(hù)方便。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：慣性元件直接裝在載體上，環(huán)境：慣性元件直接裝在載體上，環(huán)境惡劣惡劣，對，對元件要求較高；坐標(biāo)變換中計(jì)算量元件要求較高；坐標(biāo)變換中計(jì)算量大大。電子信息工程學(xué)院53.3.平臺式慣導(dǎo)分類平臺式慣導(dǎo)分類（1 1）半解析式

4、：又稱）半解析式：又稱當(dāng)?shù)厮疆?dāng)?shù)厮綉T導(dǎo)系統(tǒng)，系統(tǒng)慣導(dǎo)系統(tǒng)，系統(tǒng)有一三軸穩(wěn)定平臺，臺面始終平行當(dāng)?shù)厮矫?，有一三軸穩(wěn)定平臺，臺面始終平行當(dāng)?shù)厮矫妫较蛑傅乩肀保ɑ蚱渌轿唬?。陀螺和加速度?jì)方向指地理北（或其它方位）。陀螺和加速度計(jì)放置平臺上，測量值為載體相對慣性空間沿水平放置平臺上，測量值為載體相對慣性空間沿水平面的分量，需消除地球自轉(zhuǎn)、飛行速度等引起的面的分量，需消除地球自轉(zhuǎn)、飛行速度等引起的有害加速度后，計(jì)算載體相對地球的速度和位置有害加速度后，計(jì)算載體相對地球的速度和位置。主要用于飛機(jī)和飛航式導(dǎo)彈，可省略垂直通道。主要用于飛機(jī)和飛航式導(dǎo)彈，可省略垂直通道加速度計(jì)，簡化系統(tǒng)。加速度計(jì)，

5、簡化系統(tǒng)。電子信息工程學(xué)院6（2 2）幾何式：該系統(tǒng)有）幾何式：該系統(tǒng)有兩兩個(gè)平臺，一個(gè)裝有個(gè)平臺，一個(gè)裝有陀螺陀螺，相對相對慣性慣性空間穩(wěn)定；另一個(gè)裝有空間穩(wěn)定；另一個(gè)裝有加速度計(jì)加速度計(jì)，跟蹤，跟蹤地理地理坐標(biāo)系。陀螺平臺和加速度計(jì)平臺間的坐標(biāo)系。陀螺平臺和加速度計(jì)平臺間的幾何幾何關(guān)系可確定載體的關(guān)系可確定載體的經(jīng)緯度經(jīng)緯度，故稱，故稱幾何式幾何式慣導(dǎo)系統(tǒng)。慣導(dǎo)系統(tǒng)。主要用于主要用于船舶船舶和和潛艇潛艇的導(dǎo)航定位。精度較高，可的導(dǎo)航定位。精度較高，可長時(shí)間工作，計(jì)算量小，但平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜。長時(shí)間工作，計(jì)算量小，但平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜。電子信息工程學(xué)院7（3 3）解析式：陀螺和加速度計(jì)裝于同一平臺，）

6、解析式：陀螺和加速度計(jì)裝于同一平臺，平臺相對平臺相對慣性空間慣性空間穩(wěn)定。加速度計(jì)測量值包含穩(wěn)定。加速度計(jì)測量值包含重力重力分量，在導(dǎo)航計(jì)算前必須先消除重力加速分量，在導(dǎo)航計(jì)算前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(jìn)一度影響。求出的參數(shù)是相對慣性空間，需進(jìn)一步計(jì)算步計(jì)算轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為相對地球的參數(shù)。平臺結(jié)構(gòu)較簡為相對地球的參數(shù)。平臺結(jié)構(gòu)較簡單，計(jì)算量較大，主要用于宇宙航行及彈道式單，計(jì)算量較大，主要用于宇宙航行及彈道式導(dǎo)彈。導(dǎo)彈。電子信息工程學(xué)院8 導(dǎo)彈依在空中飛行的彈道可分兩類：導(dǎo)彈依在空中飛行的彈道可分兩類：飛航式飛航式導(dǎo)彈和導(dǎo)彈和彈道式彈道式導(dǎo)彈，也可稱有翼導(dǎo)彈和無翼導(dǎo)彈。

7、導(dǎo)彈，也可稱有翼導(dǎo)彈和無翼導(dǎo)彈。( (巡航巡航導(dǎo)彈在彈道特征和彈體外形都有導(dǎo)彈在彈道特征和彈體外形都有飛航飛航式的特性，應(yīng)作為飛航式的特性，應(yīng)作為飛航式的一種，而不能單獨(dú)分類。式的一種，而不能單獨(dú)分類。) ) 飛航式飛航式: :在在大氣層大氣層中飛行，有彈翼、尾翼和舵中飛行，有彈翼、尾翼和舵面。面。彈翼彈翼用于在大氣層中飛行時(shí)產(chǎn)生流體用于在大氣層中飛行時(shí)產(chǎn)生流體升力升力，平衡導(dǎo)彈的重量。平衡導(dǎo)彈的重量。尾翼尾翼用于保持導(dǎo)彈飛行姿態(tài)的用于保持導(dǎo)彈飛行姿態(tài)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性。舵面舵面是用來控制導(dǎo)彈飛行姿態(tài)和彈道的是用來控制導(dǎo)彈飛行姿態(tài)和彈道的調(diào)整。調(diào)整。 特點(diǎn)：飛行距離較特點(diǎn)：飛行距離較近近，多是戰(zhàn)術(shù)

8、導(dǎo)彈。長度、彈徑和重量，多是戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈。長度、彈徑和重量較較小小，飛機(jī)、艦艇、潛艇和車輛均可作為發(fā)射平臺。，飛機(jī)、艦艇、潛艇和車輛均可作為發(fā)射平臺。 電子信息工程學(xué)院9 彈道式：彈道式：起飛起飛階段必須在大氣層內(nèi)，階段必須在大氣層內(nèi)，平飛平飛前前進(jìn)階段主要在空氣稀少的高空或外層空間，進(jìn)階段主要在空氣稀少的高空或外層空間，下降下降階段再入大氣層。彈道式導(dǎo)彈不在大氣層中長時(shí)階段再入大氣層。彈道式導(dǎo)彈不在大氣層中長時(shí)間平行飛行，間平行飛行，不不需要飛航式導(dǎo)彈那樣的彈翼和操需要飛航式導(dǎo)彈那樣的彈翼和操縱面，有的則連尾翼都沒有。縱面，有的則連尾翼都沒有。特點(diǎn)：空氣阻力小，飛行速度快，飛行距離遠(yuǎn)，能進(jìn)行洲際

9、攻擊。特點(diǎn)：空氣阻力小，飛行速度快，飛行距離遠(yuǎn)，能進(jìn)行洲際攻擊。電子信息工程學(xué)院104.4.半解析式平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)分類半解析式平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)分類 飛機(jī)中應(yīng)用多為半解析式慣導(dǎo)系統(tǒng)，根據(jù)平臺兩個(gè)水平軸指向不同可分為（1 1）指北方指北方位慣導(dǎo)系統(tǒng)：位慣導(dǎo)系統(tǒng)：工作時(shí)，平臺的三個(gè)穩(wěn)定軸分別指向地理東、地理北、當(dāng)?shù)氐仄矫娴姆ň€方向，即平臺模擬當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系。（2 2）自由自由方位慣導(dǎo)系統(tǒng)：方位慣導(dǎo)系統(tǒng)：工作時(shí)，平臺的方位可以和北向成任意夾角，始終指向慣性空間的某一個(gè)方向，臺面仍要保持在當(dāng)?shù)氐乃矫鎯?nèi)。由于地球的旋轉(zhuǎn)和飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)，平臺的橫軸、縱軸不指向地理東、北，而是有一定自由夾角，故稱它為自由方位慣導(dǎo)系統(tǒng)

10、，其平臺稱為自由方位平臺。（3 3）游動(dòng)游動(dòng)方位慣導(dǎo)系統(tǒng)：方位慣導(dǎo)系統(tǒng)：與自由方位類似，平臺的臺面處于當(dāng)?shù)厮矫妫轿惠S只跟蹤地球自轉(zhuǎn)的分量。電子信息工程學(xué)院11平臺式慣導(dǎo)的基本組成平臺式慣導(dǎo)的基本組成 平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)由三軸陀螺穩(wěn)定平臺（包含陀螺儀）、加速度計(jì)、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、控制顯示器等部分組成。三三 三種平臺式慣導(dǎo)的特點(diǎn)三種平臺式慣導(dǎo)的特點(diǎn)(p299)(p299)電子信息工程學(xué)院12電子信息工程學(xué)院13 8.2 8.2 指北方位慣導(dǎo)系統(tǒng)指北方位慣導(dǎo)系統(tǒng) 指北方位慣導(dǎo)系統(tǒng)是平臺慣導(dǎo)中最基本的類型。陀螺平臺建立的理想坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系完全重合。這樣的平臺需用一個(gè)三軸穩(wěn)定平臺，并對兩個(gè)水平軸進(jìn)行舒勒

11、調(diào)諧和積分修正控制其在水平面內(nèi)，對方位軸系統(tǒng)施以控制信號使其指向北方。 本章解決的主要問題：本章解決的主要問題：平臺各軸的指令角速度、加速度測量、導(dǎo)航參數(shù)解算一一 系統(tǒng)組成（系統(tǒng)組成（P300）電子信息工程學(xué)院141.1.外橫滾環(huán)外橫滾環(huán) 2.2.俯仰輸出同步器俯仰輸出同步器 3.3.傾斜輸出同步器傾斜輸出同步器 4.4.內(nèi)橫滾環(huán)力矩器內(nèi)橫滾環(huán)力矩器 5.5.俯仰環(huán)俯仰環(huán) 6.6.平臺航向同步器平臺航向同步器 7.7.方位環(huán)力矩器方位環(huán)力矩器 8.8.方位環(huán)方位環(huán) 9.9.俯仰力矩器俯仰力矩器 10.10.內(nèi)橫滾環(huán)同步器內(nèi)橫滾環(huán)同步器 11.11.外橫滾環(huán)力矩器外橫滾環(huán)力矩器 12.12.外橫

12、滾伺服放大器外橫滾伺服放大器 13.13.內(nèi)橫滾環(huán)內(nèi)橫滾環(huán) 14.14.內(nèi)橫滾伺服放大器內(nèi)橫滾伺服放大器 15.15.方位環(huán)伺服放大器方位環(huán)伺服放大器 16.16.穩(wěn)定信號分配器穩(wěn)定信號分配器 17.17.俯仰伺服放大器俯仰伺服放大器 18.18.鎖定放大器鎖定放大器 19.19.方式選擇器方式選擇器 20.20.控制顯示組件控制顯示組件 21.21.計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)電子信息工程學(xué)院15 跟蹤地理坐標(biāo)系跟蹤地理坐標(biāo)系1.地理坐標(biāo)系相對慣性系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：coscossinNxtEyteEzteVVRRVRVtgR e式中： 為地球半徑， 為地球自轉(zhuǎn)速度， 為當(dāng)?shù)鼐暥龋?為飛行速度VR電子信息工程學(xué)院

13、162.2.控制平臺跟蹤地理坐標(biāo)系控制平臺跟蹤地理坐標(biāo)系 在平臺上建立地理坐標(biāo)系，包括：在平臺上建立地理坐標(biāo)系，包括：初始對準(zhǔn)初始對準(zhǔn)初始狀態(tài)時(shí)將平臺坐標(biāo)調(diào)整到與起始點(diǎn)的初始狀態(tài)時(shí)將平臺坐標(biāo)調(diào)整到與起始點(diǎn)的 地理系坐標(biāo)一致；地理系坐標(biāo)一致；修正控制修正控制在對準(zhǔn)基礎(chǔ)上控制平臺跟蹤地理系變化。在對準(zhǔn)基礎(chǔ)上控制平臺跟蹤地理系變化。 假設(shè)初始對準(zhǔn)已完成（假設(shè)初始對準(zhǔn)已完成（該內(nèi)容后面章節(jié)講解該內(nèi)容后面章節(jié)講解），），修正控制修正控制步驟步驟：首先使平臺相對慣性空間：首先使平臺相對慣性空間穩(wěn)定穩(wěn)定；其次對；其次對平臺進(jìn)行平臺進(jìn)行水平水平修正和修正和方位方位修正，使平臺保持在水平面內(nèi)修正，使平臺保持在水

14、平面內(nèi)而方位始終指北。而方位始終指北。電子信息工程學(xué)院17（1 1）穩(wěn)定系統(tǒng)）穩(wěn)定系統(tǒng)方位軸穩(wěn)定系統(tǒng)：方位軸穩(wěn)定系統(tǒng)：方位軸上有干擾力矩，上陀螺的z傳感器感受角偏移。內(nèi)橫滾環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)：內(nèi)橫滾環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)：內(nèi)橫滾軸上有干擾力矩，兩種情況：當(dāng)內(nèi)橫滾軸與平臺y軸平行，下陀螺外環(huán)上的x傳感器感受角偏移；當(dāng)內(nèi)橫滾軸與平臺y軸不平行，即夾角為航向角時(shí)，內(nèi)橫滾軸的干擾力矩上、下陀螺都感受，此時(shí)兩個(gè)陀螺信號要經(jīng)信號分配器，再送到穩(wěn)定電機(jī)處理。電子信息工程學(xué)院18俯仰環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)俯仰環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)：俯仰軸有干擾力矩，當(dāng)俯仰軸與水平軸一致，上陀螺外環(huán)軸上y傳感器感受角偏移；不一致，上、下陀螺都感受，需送入方位信號分解器處

15、理。外橫滾環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)外橫滾環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)：外橫滾環(huán)的穩(wěn)定基準(zhǔn)是內(nèi)橫滾環(huán)。外橫滾軸上有干擾力矩，外橫滾環(huán)偏離原位置，并帶動(dòng)俯仰環(huán)繞外橫滾軸偏離，此時(shí)內(nèi)橫滾軸與俯仰環(huán)間信號器感受此偏離，輸出信號驅(qū)動(dòng)恢復(fù)原位。上、下陀螺自轉(zhuǎn)軸垂直鎖定電路上、下陀螺自轉(zhuǎn)軸垂直鎖定電路：為保持上、下陀螺自轉(zhuǎn)軸相互垂直。電子信息工程學(xué)院19（2 2）水平和方位修正）水平和方位修正 四套穩(wěn)定系統(tǒng)使平臺相四套穩(wěn)定系統(tǒng)使平臺相對慣性空間對慣性空間保持穩(wěn)定保持穩(wěn)定，為使，為使平臺跟蹤地理坐標(biāo)系，須對平臺跟蹤地理坐標(biāo)系，須對平臺實(shí)施水平和方位修正。平臺實(shí)施水平和方位修正。即利用地理坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)規(guī)律即利用地理坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)規(guī)律給平臺各軸施加給

16、平臺各軸施加指令角速率指令角速率（施加到相應(yīng)的（施加到相應(yīng)的陀螺力矩器陀螺力矩器上）。上）。coscossinNxtEyteEzteVVRRVRVtgR 電子信息工程學(xué)院2022(1 23sin)(1sin) / NeMeepeepRReeRReeRRRRR 其中: 為長半徑，為短半徑MR 上述公式中地球半徑上述公式中地球半徑是以地球?yàn)槭且缘厍驗(yàn)閳A球圓球計(jì)算的，計(jì)算的，實(shí)際地球?qū)嶋H地球非非正圓球體，接正圓球體，接近近橢球橢球。慣導(dǎo)中使用橢球。慣導(dǎo)中使用橢球參數(shù)，參數(shù)， 為當(dāng)?shù)刈游缑鎯?nèi)為當(dāng)?shù)刈游缑鎯?nèi)的的曲率半徑曲率半徑; ; 為當(dāng)?shù)睾蜑楫?dāng)?shù)睾妥游缑娲怪钡姆ň€平面內(nèi)子午面垂直的法線平面內(nèi)的的曲率半

17、徑曲率半徑； 為地球的為地球的橢圓度稱為扁率。橢圓度稱為扁率。故指令角速率方程變?yōu)椋汗手噶罱撬俾史匠套優(yōu)椋篹NRtgRVRVRVRVMEeztMEeytNNxtsincoscos電子信息工程學(xué)院21控制修正過程：平臺上東、北向加速度計(jì)，測得的控制修正過程：平臺上東、北向加速度計(jì)，測得的加速加速度度送給導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，求出東、北向速度，再求出送給導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，求出東、北向速度，再求出指令角指令角速度速度送到上、下陀螺相應(yīng)的力矩器產(chǎn)生力矩使陀螺進(jìn)動(dòng)，送到上、下陀螺相應(yīng)的力矩器產(chǎn)生力矩使陀螺進(jìn)動(dòng)，輸出信號經(jīng)過穩(wěn)定回路，驅(qū)動(dòng)平臺按規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)。（輸出信號經(jīng)過穩(wěn)定回路，驅(qū)動(dòng)平臺按規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)。（具體具體過程見過程見p

18、304p304）注意注意：穩(wěn)定系統(tǒng)和修正系統(tǒng)的執(zhí)行部分：穩(wěn)定系統(tǒng)和修正系統(tǒng)的執(zhí)行部分相同相同，由狀態(tài)開，由狀態(tài)開關(guān)控制時(shí)間。而穩(wěn)定系統(tǒng)是關(guān)控制時(shí)間。而穩(wěn)定系統(tǒng)是快快速反應(yīng)系統(tǒng)，修正系統(tǒng)為速反應(yīng)系統(tǒng)，修正系統(tǒng)為慢慢速具有速具有84.484.4分鐘周期的舒勒調(diào)諧系統(tǒng)。故此，穩(wěn)定和分鐘周期的舒勒調(diào)諧系統(tǒng)。故此，穩(wěn)定和修正修正不不會相互會相互干擾干擾。電子信息工程學(xué)院22加速度的測量問題加速度的測量問題 加速度計(jì)輸出的為相對慣性空間的加速度，慣導(dǎo)計(jì)算中需知相對地球水平面的加速度。1.1.平臺支點(diǎn)的絕對加速度平臺支點(diǎn)的絕對加速度（1）平臺支點(diǎn)絕對加速度2ipepkeepeepepeeaVaaVVReep

19、VRep式中： 為地球自轉(zhuǎn)角速度矢量； 為平臺相對地球的速度矢量； 為平臺支點(diǎn)到地心的矢量； 為平臺相對地球的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度矢量。電子信息工程學(xué)院23（2）加速度計(jì)測量絕對加速度mipmipmipmFFFmgagmFfafgmfag彈慣彈彈令ipa 稱為比力，為加速度計(jì)的輸出值。表示加速度計(jì)的單位擺所受的彈簧力，為平臺支點(diǎn)的 絕對加速度與 引力加速度之差。不完全代表絕對加速度值。fmg電子信息工程學(xué)院24gVfVRggRVVgfepepeepeemeeepepeepm2 2則令2.2.導(dǎo)航方程導(dǎo)航方程 要得到平臺支點(diǎn)相對地球的加速度，從比力信號中去掉最后兩項(xiàng)有害加速度，包括由于地球自轉(zhuǎn)和飛行速度引

20、起的哥式加速度和重力加速度。不僅適用于指北方位慣導(dǎo)，也適用與其它慣導(dǎo)，稱為慣性導(dǎo)航基本方程。電子信息工程學(xué)院2522sin2sinttxytttxxeyMtxtttyyexMVVVfVtgRVVfVtgR,ttxyV V 在指北方位慣導(dǎo)系統(tǒng)中，經(jīng)分解到地理系上，沿東向、北向的加速度標(biāo)量計(jì)算為：式中：式中： 為地理系沿東向和北向軸的加速度； 為東向和北向加速度計(jì)測出的比力信號。,ttxyff電子信息工程學(xué)院26四四 導(dǎo)航參數(shù)解算導(dǎo)航參數(shù)解算1.飛機(jī)東向、北向速度及地速2.飛機(jī)的位置參數(shù)tytytyttxtxtxtVdtVVVdtVV000022ytxtVVVtMxttNytdtRVdtRV000

21、0sec電子信息工程學(xué)院273.平臺軸的指令角速率tgRVRVRVRVMtxetipzMtxepipyNtypipxsincoscos4.其它導(dǎo)航參數(shù)計(jì)算電子信息工程學(xué)院28電子信息工程學(xué)院29指北方位慣導(dǎo)系統(tǒng)特點(diǎn)：指北方位慣導(dǎo)系統(tǒng)特點(diǎn)：（1）平臺模擬地理坐標(biāo)系，可從平臺環(huán)架軸上直接測出飛機(jī)俯仰、傾斜、航向角。（2）加速度計(jì)測出的是地理系各軸的比力，計(jì)算簡單，對計(jì)算機(jī)要求低。（3）不能在高緯度工作（方位變化快，高緯度經(jīng)線收斂較大，平臺方位施距太大，陀螺力矩器和穩(wěn)定回路設(shè)計(jì)困難；計(jì)算方位指令角速率時(shí)，公式中出現(xiàn) ， 當(dāng) 計(jì)算機(jī)產(chǎn)生溢出）。tg90電子信息工程學(xué)院308.3 8.3 自由方位慣導(dǎo)系

22、統(tǒng)自由方位慣導(dǎo)系統(tǒng) 自由方位慣導(dǎo)系統(tǒng)是指其方位軸指向慣性空間的某一個(gè)方向，可以和北向成任意夾角。平臺的臺面仍要保持在當(dāng)?shù)氐乃矫鎯?nèi)。這樣，平臺上的方位陀螺將不施加控制信號，只給使控制平臺保持在當(dāng)?shù)厮矫鎯?nèi)的陀螺施加控制指令。它克服了指北平臺實(shí)現(xiàn)方位施距及方位穩(wěn)定回路設(shè)計(jì)困難的缺點(diǎn)。 自由方位慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航參數(shù)計(jì)算要比指北方位慣導(dǎo)系統(tǒng)麻煩一些。原因是平臺坐標(biāo)系的方位與地理坐標(biāo)系方位存在一個(gè)自由角度，所以導(dǎo)航計(jì)算中增加了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算的工作量。 電子信息工程學(xué)院31因?yàn)樽杂煞轿黄脚_因?yàn)樽杂煞轿黄脚_不不施加方位指令施加方位指令 dttgRVKtKtgRVtKtMtxeMtxepipz0sin0sin0

23、 tKKKKKtipztipytipxpipzpipypipx001000cossin0sincos一一 平臺指令角速率平臺指令角速率XtYtXpYpKK電子信息工程學(xué)院32cossinsincosptxxptyyffKKffKK二二 比力方程比力方程tipytipxpipypipxKKKKcossinsincos為保持平臺水平，相應(yīng)的控制指令角速率為為保持平臺水平，相應(yīng)的控制指令角速率為電子信息工程學(xué)院33三 自由方位慣導(dǎo)系統(tǒng)原理電子信息工程學(xué)院348.4 8.4 游動(dòng)方位慣導(dǎo)系統(tǒng)游動(dòng)方位慣導(dǎo)系統(tǒng) 游動(dòng)方位慣導(dǎo)系統(tǒng)，與自由方位類似，使平臺的臺面處于當(dāng)?shù)厮矫?，方位軸只跟蹤地球自轉(zhuǎn)的分量。si

24、npipze一一 坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換1.游動(dòng)方位系和地理坐標(biāo)系的關(guān)系tttpppzyxzyx1000cossin0sincosXtYtXpYpKK稱為方向余弦矩陣優(yōu)點(diǎn)：方向余弦陣的逆矩陣等于它自身的轉(zhuǎn)置，稱為正交性。在矩陣計(jì)算中，減少繁瑣的運(yùn)算，提高計(jì)算性能。ptC電子信息工程學(xué)院352.地球系與地理坐標(biāo)系的關(guān)系（過程見p312） 這兩個(gè)坐標(biāo)系間關(guān)系與地理系原點(diǎn)所在經(jīng)緯度有關(guān)，他們間的方向余弦關(guān)系為：eeetttzyxzyx1000cossin0sincossin0cos010cos0sin100001010電子信息工程學(xué)院363.平臺系與地球系間的關(guān)系eeeeeepeeeeeeepppzyxC

25、CCCCCCCCzyxCzyxzyxzyx333231232221131211sinsincoscoscoscoscoscossinsinsincossinsincossincoscossincoscossinsinsinsincoscossinsin1000cossin0sincossin0cos010cos0sin1000010101000cossin0sincos：稱為位置矩陣peC電子信息工程學(xué)院37 利用 即可求解、和。因此，只要知道 ，就可求得飛機(jī)的位置和航向。peCpeC 00000 0pepxpepypepxpepypeppepeppepepepeCtCttCCtC其中而pep

26、ypepx和 反映了游動(dòng)平臺系與地球系之間的關(guān)系，隨著飛機(jī)位置及游動(dòng)角的變化， 也隨之變化，且可由計(jì)算機(jī)算出。peC電子信息工程學(xué)院38游動(dòng)方位慣導(dǎo)位置角速率游動(dòng)方位慣導(dǎo)位置角速率 1.地理系相對地球的位置角速率方程為：tytetxNttxetyMttxetzMVRVRVtgR 電子信息工程學(xué)院392.游動(dòng)系的位置角速率cossinsincospypxtypypxtxVVVVVVtgRVVRVVMpypxtetyNpypxtetxsincoscossinpypxapypxMNMNMNMNtetytetxpepypepxVVCVVRRRRRRRRcossin11cossinsincoscossi

27、n11cossinsincos2222電子信息工程學(xué)院40三三 游動(dòng)方位平臺的指令角速率游動(dòng)方位平臺的指令角速率332313sincoscossincosCCCeeptpzpepyepepyeptpypepxepepxeptpx四四 導(dǎo)航參數(shù)計(jì)算（導(dǎo)航參數(shù)計(jì)算（p317p317）電子信息工程學(xué)院41五五 游動(dòng)方位慣導(dǎo)系統(tǒng)原理框圖游動(dòng)方位慣導(dǎo)系統(tǒng)原理框圖1.克服了指北方位回路和方位指令計(jì)算實(shí)施的困難。2.可進(jìn)行全球?qū)Ш?，基本不受極區(qū)影響。3.方位指令計(jì)算避免了溢出，但位置計(jì)算仍有溢出問題電子信息工程學(xué)院428.5 8.5 平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)原理平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)原理一一 概述概述 由慣導(dǎo)

28、系統(tǒng)原理可知，飛機(jī)的速度和位置是由測得的加速度經(jīng)過積分而得到的。要進(jìn)行積分，必須知道初始條件，如初始速度和位置。初始條件(如初始速度和位置)的引入是容易的。在靜基座(地面)情況下，初始速度為零，初始位置為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)、緯度。在動(dòng)基座情況下，初始條件一般由外界提供。給定初始速度和位置的操作也較簡單，只要將這些數(shù)值通過控制顯示器送入計(jì)算機(jī)即可。 平臺是測量加速度的基準(zhǔn)，這就要求開始測量加速度時(shí)，平臺應(yīng)處于預(yù)定的坐標(biāo)系內(nèi)，否則，由于平臺誤差會引起加速度測量誤差。如何在慣導(dǎo)系統(tǒng)開始工作時(shí)，將平臺調(diào)整到預(yù)定的坐標(biāo)系內(nèi)，是一個(gè)十分重要的問題，也是慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)要解決的本質(zhì)問題。電子信息工程學(xué)院431.1.慣

29、導(dǎo)的關(guān)鍵技術(shù)慣導(dǎo)的關(guān)鍵技術(shù) 為了保證慣導(dǎo)系統(tǒng)達(dá)到高性能指標(biāo)必須解決以下關(guān)鍵技術(shù)：1 1）慣性儀表技術(shù)）慣性儀表技術(shù)：陀螺儀與加速度計(jì)是慣導(dǎo)系統(tǒng)硬件中最關(guān)鍵的部件，其性能直接關(guān)系到系統(tǒng)的一系列性能指標(biāo)。慣性儀表根據(jù)其穩(wěn)定性可分為高、中、低3種精度，設(shè)計(jì)慣導(dǎo)系統(tǒng)時(shí)，必須根據(jù)其應(yīng)用對象與性能要求，合理選用慣性儀表，同時(shí)不斷開發(fā)新型儀表和提高儀表性能。2 2）慣性儀表誤差補(bǔ)償技術(shù)：）慣性儀表誤差補(bǔ)償技術(shù)：慣性儀表的誤差是影響慣導(dǎo)系統(tǒng)精度的主要因素。單純依靠儀表的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝來減小其誤差，常會受到技術(shù)上與經(jīng)濟(jì)上的制約，而采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行誤差補(bǔ)償是提高慣導(dǎo)系統(tǒng)精度行之有效的途徑。電子信息工程學(xué)院443

30、 3）初始對準(zhǔn)技術(shù)：）初始對準(zhǔn)技術(shù)：慣導(dǎo)系統(tǒng)中，飛機(jī)的速度和位置是由加速度經(jīng)積分得到的。因此，必須知道初始速度和位置。平臺是測量加速度的基準(zhǔn)，開始測量加速度時(shí)，平臺應(yīng)處于預(yù)定坐標(biāo)系內(nèi)，否則平臺誤差會引起加速度測量誤差。在慣導(dǎo)系統(tǒng)加電啟動(dòng)后，平臺三軸指向是任意的，可不在水平面內(nèi)，又沒有確定的方位。因此系統(tǒng)進(jìn)入導(dǎo)航工作狀態(tài)前，必須將平臺的指向?qū)?zhǔn)，稱為慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)。初始對準(zhǔn)的精度直接關(guān)系到慣導(dǎo)系統(tǒng)的工作精度。因此，初始對準(zhǔn)是慣導(dǎo)系統(tǒng)最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。4 4）捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)矩陣計(jì)算：）捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)矩陣計(jì)算：捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)矩陣是載體坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系之間的方向余弦陣，陀螺儀

31、在每個(gè)采樣周期內(nèi)采集到的信息送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行姿態(tài)矩陣計(jì)算，并不斷更新。由此姿態(tài)矩陣計(jì)算精度直接關(guān)系到捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度。電子信息工程學(xué)院452.2.平臺對準(zhǔn)方法平臺對準(zhǔn)方法1）通過光學(xué)或機(jī)電方法，將外部參考坐標(biāo)系引入平臺，使平臺對準(zhǔn)到外部提供的姿態(tài)基準(zhǔn)方向。2）利用慣導(dǎo)本身敏感元件陀螺、加速度計(jì)進(jìn)行自主式準(zhǔn)。3.3.對準(zhǔn)分類對準(zhǔn)分類1）按對準(zhǔn)內(nèi)容分：水平對準(zhǔn)、方位對準(zhǔn)2）按對準(zhǔn)精度分： 粗對準(zhǔn)、精對準(zhǔn)電子信息工程學(xué)院46指北方位慣導(dǎo)系統(tǒng)的對準(zhǔn)原理指北方位慣導(dǎo)系統(tǒng)的對準(zhǔn)原理 指北方位慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)，是通過實(shí)施對準(zhǔn)程序把平臺坐標(biāo)系（P）與理想坐標(biāo)系（地理系t）重合。包括兩個(gè)內(nèi)容：第一，水平對準(zhǔn)，即把平臺自動(dòng)調(diào)到水平面內(nèi)。水平對準(zhǔn)又分為水平粗對準(zhǔn)和水平精對準(zhǔn)。第二，方位羅經(jīng)對準(zhǔn)，即將平臺方位自動(dòng)對準(zhǔn)在北方向。（一）水平對準(zhǔn)（一）水平對準(zhǔn) 根據(jù)加速度計(jì)的輸出初步把平臺校正到水平狀態(tài)，叫水平粗對準(zhǔn)，也叫快速模擬調(diào)水平。利用加速度計(jì)的輸出，通過計(jì)算機(jī)對陀螺施矩，把平臺校正到水平允許精度范圍內(nèi)叫水平精對準(zhǔn)。電子信息工程學(xué)院471.1.水平粗對準(zhǔn)水平粗對準(zhǔn) 基本思路：當(dāng)平臺不水平時(shí)，平臺與真實(shí)水平面間出現(xiàn)一個(gè)誤差角，利用臺面上加速度計(jì)感受誤差角，將誤差信號送到陀螺力矩器，使陀螺進(jìn)動(dòng)，經(jīng)穩(wěn)定電機(jī)帶動(dòng)平臺向水平面轉(zhuǎn)動(dòng)。（p321）電子信息工程學(xué)院482.2.水平精對準(zhǔn)水