導(dǎo)航原理：第16講-捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)

1、第16講慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU1、概述2、基本原理3、地面對(duì)準(zhǔn)4、空中對(duì)準(zhǔn)5、海上的對(duì)準(zhǔn)6、小結(jié)主要內(nèi)容中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU1、概述中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU依據(jù)系統(tǒng)中有無(wú)物理平臺(tái)，慣導(dǎo)系統(tǒng)可分為平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)。對(duì)于平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，初始對(duì)準(zhǔn)就是要將平臺(tái)坐標(biāo)系向?qū)Ш阶鴺?biāo)系對(duì)準(zhǔn)。對(duì)于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，初始對(duì)準(zhǔn)就是確

2、定初始時(shí)刻的姿態(tài)矩陣。1、概述中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU按慣性系統(tǒng)分類：平臺(tái)式和捷聯(lián)式對(duì)準(zhǔn)按對(duì)準(zhǔn)的階段：粗對(duì)準(zhǔn)和精對(duì)準(zhǔn);按基座的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：靜基座對(duì)準(zhǔn)和動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn);按對(duì)外部信息的依賴程度：自主式對(duì)準(zhǔn)和非自主式對(duì)準(zhǔn)；按應(yīng)用領(lǐng)域環(huán)境分類：地面、空中和海上。在對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中，一般先進(jìn)行粗調(diào)水平和方位后，再進(jìn)行精調(diào)水平和方位。在精調(diào)水平和方位之后，系統(tǒng)方可轉(zhuǎn)入正常工作1、概述中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU對(duì)準(zhǔn)精度和對(duì)準(zhǔn)的時(shí)間是慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)的兩項(xiàng)

3、重要技術(shù)指標(biāo)。初始對(duì)準(zhǔn)精度影響慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能，初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)志著快速反應(yīng)能力，因此要求初始對(duì)準(zhǔn)精度高、對(duì)準(zhǔn)時(shí)間短，即精而快。為了達(dá)到這一要求，陀螺和加速度計(jì)必須具有高的精度和穩(wěn)定性，系統(tǒng)的魯棒性要好，對(duì)外界的干擾不敏感。2、基本原理中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU2.1 基本方法坐標(biāo)系1坐標(biāo)系2投影測(cè)量值矢量投影測(cè)量值確定坐標(biāo)系間的關(guān)系利用測(cè)量參數(shù)利用計(jì)算參數(shù)綜合利用測(cè)量參數(shù)和計(jì)算參數(shù)2、基本原理中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU2.2 固定平臺(tái)上的

4、對(duì)準(zhǔn) 慣導(dǎo)平臺(tái)初始對(duì)準(zhǔn)調(diào)平：儀表組合旋轉(zhuǎn)到北向和東向加速度計(jì)的輸出為零時(shí)，平臺(tái)便被調(diào)平。方位對(duì)準(zhǔn)（尋北）：地球角速率的東向分量是零陀螺平臺(tái)指北法：使平臺(tái)坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系重合陀螺羅經(jīng)物理尋北法陀螺羅經(jīng)尋北：利用陀螺儀的定軸性和進(jìn)動(dòng)性，結(jié)合地球自轉(zhuǎn)矢量和重力矢量進(jìn)行尋北。包括物理尋北和解析尋北。物理尋北要求將尋北儀方位基準(zhǔn)準(zhǔn)確指向真北方向, 既將方位基準(zhǔn)調(diào)整到該點(diǎn)所在的子午面內(nèi)。而解析法尋北只需要通過(guò)解析計(jì)算求出基準(zhǔn)方向與子午面的夾角。2、基本原理中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU2.2 固定平臺(tái)上的對(duì)準(zhǔn) 捷聯(lián)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)

5、對(duì)準(zhǔn)的目的是確定方向余弦矩陣或者四元數(shù)，它們定義了慣性敏感器軸與導(dǎo)航坐標(biāo)系軸之間的關(guān)系。陀螺羅經(jīng)解析法二維空間調(diào)平和尋北一種是：把捷聯(lián)系統(tǒng)產(chǎn)生的速度和位置估值與一段時(shí)間內(nèi)外部源（或主參考系統(tǒng)）提供的速度和位置估值進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)。另外一種：2、基本原理中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU2.3 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的對(duì)準(zhǔn) 3、地面對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU3.1 引言 光學(xué)瞄準(zhǔn)： 棱鏡、經(jīng)緯儀 自對(duì)準(zhǔn)：陀螺羅經(jīng)3、地面對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院S

6、chool of Aeronautics and Astronautics, CSU3.2 自對(duì)準(zhǔn) 北東地坐標(biāo)系 3、地面對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU3.2 自對(duì)準(zhǔn) 實(shí)際上，和可以構(gòu)成一個(gè)新的矢量，即3、地面對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU3.2 自對(duì)準(zhǔn) 3、地面對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU3.2 自對(duì)準(zhǔn) 實(shí)際上，和可以構(gòu)成一個(gè)新的矢量，即3、地面對(duì)準(zhǔn)中南

7、大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU3.2 自對(duì)準(zhǔn) （對(duì)準(zhǔn)矩陣）3、地面對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU3.2 自對(duì)準(zhǔn) 實(shí)際上，這種對(duì)準(zhǔn)方法的精度在很大程度上取決于測(cè)量的精度和儀表的分辨率。由于儀表存在零偏，上述方法的方向余弦矩陣存在誤差。即或，則實(shí)際方向余弦矩陣與理論方向余弦矩陣的關(guān)系可以表示為3、地面對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU3.2 自對(duì)準(zhǔn) 在小角度情況下，可以表示

8、為記稱為角度誤差反對(duì)稱陣3、地面對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU3.2 自對(duì)準(zhǔn) 分別是關(guān)于地理坐標(biāo)系的北向、東向和垂直向的失準(zhǔn)角分別等效于加速度計(jì)和東向陀螺的零偏3、地面對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU3.2 自對(duì)準(zhǔn) 基本結(jié)論 1mg的加速度偏置將產(chǎn)生1mrad（3.4角分）的水平對(duì)準(zhǔn)誤差 0.01/h的陀螺漂移在北緯45，產(chǎn)生的尋北誤差為1密位（3.6角分）。顯然為了實(shí)現(xiàn)精確的方位對(duì)準(zhǔn)，需要有高精度的陀螺。4、空中對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院

9、School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.1 自對(duì)準(zhǔn) 空中（飛機(jī)平臺(tái)）發(fā)射導(dǎo)彈 傳遞對(duì)準(zhǔn)利用機(jī)載主慣導(dǎo)對(duì)導(dǎo)彈子慣導(dǎo)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)4、空中對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.2 誤差源 靜態(tài)誤差： 動(dòng)態(tài)誤差： 安裝誤差 彎曲變形振動(dòng) 彈體坐標(biāo)系和載機(jī)坐標(biāo)系不一致 4、空中對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.3 空中對(duì)準(zhǔn)方法 4.3.1 一次性的傳遞對(duì)準(zhǔn) 4.3.2 空中慣性測(cè)量匹配 4.3.3 速度匹

10、配對(duì)準(zhǔn) 4.3.4 位置更新對(duì)準(zhǔn) 4、空中對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.3 空中對(duì)準(zhǔn)方法 4.3.1 一次性的傳遞對(duì)準(zhǔn) 飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng) 導(dǎo)彈對(duì)準(zhǔn)（從）系統(tǒng) 復(fù)制 姿態(tài)速度位置 一次性傳遞對(duì)準(zhǔn)的精度受到很大限制 這種對(duì)準(zhǔn)方法能否成功取決于兩個(gè)系統(tǒng)物理位置的協(xié)調(diào)校準(zhǔn)精度，或者需要知道對(duì)準(zhǔn)那一時(shí)刻兩個(gè)系統(tǒng)之間準(zhǔn)確的相對(duì)指向4、空中對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.3 空中對(duì)準(zhǔn)方法 4.3.2 空中慣性測(cè)量匹配 比較來(lái)自兩個(gè)系統(tǒng)的外加運(yùn)動(dòng)測(cè)量

11、值 主參考系從參考系4、空中對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.3 空中對(duì)準(zhǔn)方法 4.3.2 空中慣性測(cè)量匹配 原理：比較兩個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)測(cè)量值來(lái)算出其參考坐標(biāo)軸的相對(duì)指向。測(cè)量值解算到一個(gè)公共坐標(biāo)系:比力加速度和角速率。如果不存在測(cè)量誤差，且兩個(gè)系統(tǒng)并排安裝在一個(gè)絕對(duì)剛性平臺(tái)上，那么，兩套系統(tǒng)測(cè)量值的差異就只來(lái)自對(duì)準(zhǔn)誤差。在這種條件下，就有可能精確地得到兩個(gè)系統(tǒng)的失準(zhǔn)角。4、空中對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.3 空中對(duì)準(zhǔn)方法 4.3.

12、2 空中慣性測(cè)量匹配 實(shí)際的困難：撓曲運(yùn)動(dòng)各自測(cè)出的轉(zhuǎn)動(dòng)角速率和線性加速度不同；桿臂效應(yīng)各自位置上檢測(cè)到的平移運(yùn)動(dòng)也是不同的；空中對(duì)準(zhǔn)不采用加速度、角速度匹配方法，而采用速度匹配方法，積分過(guò)程平滑噪聲 ，可以較容易地實(shí)現(xiàn)桿臂校正，這種在速度上的校正僅是轉(zhuǎn)動(dòng)角速率和相距距離的函數(shù)。兩個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量值差異也會(huì)被系統(tǒng)錯(cuò)誤地認(rèn)為是對(duì)準(zhǔn)誤差，因而妨礙了對(duì)準(zhǔn)過(guò)程的完成。4、空中對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.3 空中對(duì)準(zhǔn)方法 4.3.3 速度匹配對(duì)準(zhǔn) 4、空中對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics

13、and Astronautics, CSU4.3 空中對(duì)準(zhǔn)方法 4.3.3 速度匹配對(duì)準(zhǔn) 誤差狀態(tài)微分方程誤差狀態(tài)觀測(cè)方程 濾波算法4、空中對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.3 空中對(duì)準(zhǔn)方法 4.3.3 速度匹配對(duì)準(zhǔn) 4、空中對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.3 空中對(duì)準(zhǔn)方法 4.3.3 速度匹配對(duì)準(zhǔn) 4、空中對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.3 空中對(duì)準(zhǔn)方

14、法 4.3.3 速度匹配對(duì)準(zhǔn) 誤差狀態(tài)觀測(cè)方程主導(dǎo)航系統(tǒng)從導(dǎo)航系統(tǒng)誤差狀態(tài)觀測(cè)方程4、空中對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.3 空中對(duì)準(zhǔn)方法 4.3.3 速度匹配對(duì)準(zhǔn) 4、空中對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU4.3 空中對(duì)準(zhǔn)方法 4.3.3 速度匹配對(duì)準(zhǔn) 偏航對(duì)準(zhǔn)誤差只有在飛機(jī)開始機(jī)動(dòng)時(shí)才開始收斂，這是因?yàn)樵撜`差只作為速度誤差傳播，而只有當(dāng)飛機(jī)機(jī)動(dòng)時(shí)，速度誤差才能觀測(cè)到。5、海上對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronaut

15、ics and Astronautics, CSU5 .1 引言 5 .2 誤差源 5 .3 海上對(duì)準(zhǔn)方法 5、海上對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU5.1 引言 協(xié)調(diào)：一個(gè)位置上的傳感器信息 ，可指揮控制另一個(gè)較遠(yuǎn)位置上的武器系統(tǒng)5、海上對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU5.2 誤差源 甲板彎曲變形 測(cè)量基準(zhǔn)線變化 日曬夜露 海浪沖擊 戰(zhàn)斗毀傷 5、海上對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astrona

16、utics, CSU5.3 海上對(duì)準(zhǔn)方法 5.3.1 艦船傳遞對(duì)準(zhǔn)方法 確定基準(zhǔn)源 一次性基準(zhǔn)傳遞 自準(zhǔn)直儀、反射鏡光學(xué)瞄準(zhǔn) 誤差大 通視問(wèn)題 速度和角速度匹配 速度匹配艦船速度慢，難以機(jī)動(dòng)，方位角誤差 可觀性差速度匹配完成水平對(duì)準(zhǔn) 通過(guò)角速度測(cè)量值完成方位對(duì)準(zhǔn) 5、海上對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU5.3 海上對(duì)準(zhǔn)方法 5 .3.2 艦船慣性測(cè)量匹配技術(shù) 角速度匹配對(duì)準(zhǔn) 5、海上對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU5.3 海上對(duì)準(zhǔn)方法 5 .3.2 艦船慣性測(cè)量匹配技術(shù) 角速度匹配對(duì)準(zhǔn) 誤差狀態(tài)微分方程誤差狀態(tài)觀測(cè)方程 濾波算法5、海上對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aeronautics and Astronautics, CSU5.3 海上對(duì)準(zhǔn)方法 5 .3.2 艦船慣性測(cè)量匹配技術(shù) 角速度匹配對(duì)準(zhǔn) 角速率匹配誤差狀態(tài)觀測(cè)方程推導(dǎo)參考系統(tǒng)檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)角速率和任何船體撓曲角速率之和5、海上對(duì)準(zhǔn)中南大學(xué)航空航天學(xué)院School of Aer