慣性測量與導航系統(tǒng)

《現(xiàn)代儀器概論》第十三講

慣性測量與導航系統(tǒng)儀器科學與工程系專業(yè)必修課主講：宋開臣教授kcsong@.c性測量與導航系統(tǒng)講座內(nèi)容慣性導航系統(tǒng)簡介慣性測量原理和慣性器件三.平臺慣性導航系統(tǒng)四.捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)五.組合導航系統(tǒng)一.慣性導航系統(tǒng)簡介1、慣性導航的發(fā)展歷程2、慣性導航的基本原理3、慣性導航的特點4、慣性導航的分類導航的概念：把航行的載體從起始點引導到目的地的技術(shù)基本類型：慣性導航（InertialNavigationSystem，INS）陸標導航（Landmark)推算定位導航（DeadReckoning）天文導航（CelestialNavigation）無線電導航（RadioNavigation）衛(wèi)星定位導航（GPS,

格洛納斯

GLONASS，伽利略，北斗）1、慣性導航的發(fā)展歷程1、二戰(zhàn)時期的V2導彈，被希特勒譽為“第三帝國的秘密武器”，是慣導的首次應用；2、所有能夠上天入地的運動載體都搭載慣導系統(tǒng)，包括飛機、火箭、車輛、艦船；3、在民用交通、娛樂、科考方面也有廣泛的應用1、慣性導航的發(fā)展歷程慣性導航系統(tǒng)是現(xiàn)代高科技的產(chǎn)物慣性導航系統(tǒng)涉及到控制技術(shù)、計算機技術(shù)、測試技術(shù)、精密機械等多門應用技術(shù)學科，是現(xiàn)代高精尖技術(shù)的產(chǎn)物，是一個國家科技實力的體現(xiàn)，在國防科技中占有非常重要的地位，是各軍事大國優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)。1、慣性導航的發(fā)展歷程1、慣性導航的發(fā)展歷程2、慣性導航的基本原理

物體在不受外力或所受外力平衡的條件下，維持原有運動狀態(tài)（靜止或勻速直線運動）不變的特性。

牛頓三大定律（慣性、加速度、作用力與反作用力）。慣性導航是以牛頓三大定律為基礎(chǔ)

任何運動體的運動狀態(tài)都可以用加速度（Acceleration）來表征,加速度可以由加速度計測量(accelerometer)。

慣性導航：利用慣性敏感元件在飛機、艦船、火箭等載體內(nèi)部測量載體相對慣性空間的線運動和角運動參數(shù)，在給定的運動初始條件下，根據(jù)牛頓運動定律，推算載體的瞬時速度和瞬時位置，以實現(xiàn)導航。2、慣性導航的基本原理2、慣性導航的基本原理基本原理：用三個正交加速度計感受運動由于加速度計同時感受了重力，必須消除重力加速度的影響，方法是用三個正交的陀螺儀測定重力方向，并減掉當?shù)氐闹亓?。又由于陀螺儀同時感受了地球自轉(zhuǎn)，必須消除地球自轉(zhuǎn)影響才能得到重力方向，方法是先找到北，再用精確時鐘計算地球的自轉(zhuǎn)角度，修正陀螺儀輸出。陀螺儀還可以輸出載體的姿態(tài)。慣性測量元件：陀螺儀（Gyroscope、Gyro）：

測量角速度（速率陀螺）、角度（積分陀螺）加速度計（Accelerometer）：

測量線加速度2、慣性導航的基本原理3、慣性導航的特點優(yōu)點：自主導航：無需外界信息，安全，可靠；輸出信息豐富：位置、線速度、角速度、線加速度、角加速度、姿態(tài)；應用領(lǐng)域廣泛：海、陸、空、天；缺點：成本高：成本與精度成指數(shù)級增長；長時精度低：因為有漂移，長時間單獨使用誤差大；平臺式慣性導航系統(tǒng)：具有物理平臺，能夠隔離載體角運動。捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)：沒有物理平臺，只有數(shù)學平臺，不能夠隔離載體角運動。4、慣性導航的分類二.慣性測量原理和慣性器件1、陀螺的基本原理2、陀螺的類型和特點3、陀螺儀的發(fā)展歷程4、加速度計的基本原理5、加速度計的類型和特點1、陀螺的基本原理是一種用來感知和維持方向的裝置，基于角動量不滅的理論設(shè)計出來的。陀螺儀主要是由一個位于軸心可以旋轉(zhuǎn)的輪子構(gòu)成。陀螺儀一旦開始旋轉(zhuǎn)，由于輪子的角動量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。陀螺儀基本原理陀螺儀自轉(zhuǎn)軸相對慣性空間指向不變。定軸性1、陀螺的基本原理2、陀螺的類型和特點機械陀螺儀液浮陀螺儀氣浮陀螺儀靜電陀螺儀撓性陀螺儀動力調(diào)諧陀螺儀諧振式陀螺儀激光陀螺儀光纖陀螺儀MEMS陀螺儀xyz

HOM機械陀螺儀最基本的陀螺原型，是精密機械制造技術(shù)的體現(xiàn)。單自由度機械陀螺雙自由度機械陀螺2、陀螺的類型和特點液浮陀螺儀陀螺馬達安裝在一個圓柱形的浮筒內(nèi)，浮筒再裝在一個圓柱形的殼體內(nèi)。在浮筒與殼體之間的間隙內(nèi)充滿了浮液。浮液的密度與浮筒的密度相等，浮筒的重力基本上被浮力平衡。摩擦力小導致漂移小帶寬低主要應用于艦船、衛(wèi)星2、陀螺的類型和特點動壓氣浮陀螺儀動壓軸承是靠陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，在軸徑和軸承之間的間隙內(nèi)產(chǎn)生具有一定剛度的氣膜，使軸頸和陀螺轉(zhuǎn)子懸浮起來。不轉(zhuǎn)動時軸與軸承之間接觸；2、陀螺的類型和特點靜電陀螺儀靜電陀螺儀靠強電場所產(chǎn)生的靜電吸力使球形轉(zhuǎn)子懸浮起來。0.0000001deg/h精度最高的陀螺儀2、陀螺的類型和特點撓性陀螺儀電動機的轉(zhuǎn)動通過驅(qū)動軸和很細的軸頸帶動陀螺轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動。由于軸頸很細，容易撓曲，所以陀螺轉(zhuǎn)子可繞水平軸線自由擺動。已逐漸淘汰2、陀螺的類型和特點動力調(diào)諧陀螺儀有兩對互相垂直的內(nèi)外扭桿與平衡環(huán)組成的撓性接頭。陀螺轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)定軸，控制平臺方向可以補償?shù)魪椥粤亍?、陀螺的類型和特點諧振式陀螺儀振動波形由于慣性作用比杯的旋轉(zhuǎn)滯后一個角度，通過測量滯后角，可以得到杯的旋轉(zhuǎn)角速度。2、陀螺的類型和特點激光陀螺儀基于薩格奈克效應，通過檢測激光的干涉條紋檢測角速度。方案比較成熟，工藝難度大2、陀螺的類型和特點光纖陀螺儀基于薩格奈克效應，利用光纖取代激光腔，通過閉環(huán)控制檢測角速率。2、陀螺的類型和特點MEMS陀螺儀質(zhì)量塊在激勵模態(tài)下振動，通過哥氏加速度檢測角速度。結(jié)構(gòu)種類繁多。成本低精度有待提高2、陀螺的類型和特點3、陀螺儀的發(fā)展歷程1852年，傅科世界上第一臺試驗用陀螺羅經(jīng)。1908年，安休斯德國1909年，斯佰利美國艦船陀螺羅經(jīng)、應用技術(shù)形成和發(fā)展的開端。1923年，舒勒德國提出舒勒調(diào)諧原理。1942年，德國V-2火箭，安裝了陀螺儀，用于水平和航向姿態(tài)穩(wěn)定，在縱軸方向安裝了陀螺積分加速度計，以測量火箭入軌的初始速度，這是慣性制導系統(tǒng)的雛形。定位精較低。50年代末到60年代初，主要使用液浮陀螺、氣浮陀螺和動力調(diào)諧陀螺，并構(gòu)成平臺式慣性系統(tǒng)，在飛機、艦船、導彈和航天器上裝備了大量的慣性系統(tǒng)。70年代，靜電陀螺儀達到實用階段，激光陀螺達到慣性級，光纖陀螺、半球諧振陀螺出現(xiàn)。80年代，激光陀螺捷聯(lián)系統(tǒng)工程應用，慣性技術(shù)發(fā)展又一重大進步。90年代后，微納米技術(shù)成功應用于大規(guī)模集成電路，微電子機械加工技術(shù)（MEMT）制造的微傳感器和微機電系統(tǒng)（MEMS）出現(xiàn)。這是新世紀傳感器領(lǐng)域中具有革命性意義的一項新技術(shù)。3、陀螺儀的發(fā)展歷程1）經(jīng)典陀螺儀（液浮、撓性、靜電等）2）光學陀螺儀3）微機械陀螺儀4）微型光學陀螺儀5）其他（核磁共振陀螺、原子陀螺、超導陀螺等）發(fā)展趨勢：高精度、低成本、小型化3、陀螺儀的發(fā)展歷程4、加速度計的基本原理根據(jù)牛頓第二定律，敏感載體的加速度。測量的是比力，不是運動加速度。5、加速度計的類型和特點擺式加速度計撓性加速度計振動加速度計MEMS加速度計擺式加速度計通過擺偏離平衡位置的程度檢測加速度大小。精度高，量程小。5、加速度計的類型和特點撓性加速度計通過撓性頭偏離平衡位置的程度檢測加速度大小?；蛘咂胶饪刂?，實現(xiàn)零位法測量。精度高，量程大。5、加速度計的類型和特點振動式加速度計通過振弦的振動特性測量載體加速度。精度中等，簡單。5、加速度計的類型和特點MEMS加速度計應變式、電容式、振梁式5、加速度計的類型和特點三.平臺慣性導航系統(tǒng)1、平臺慣性導航系統(tǒng)原理2、平臺慣性導航系統(tǒng)特點一種利用質(zhì)量作加速度的敏感元件，以陀螺平臺為支承的完全自主式導航系統(tǒng)。這種新興的導航系統(tǒng)是在20世紀初出現(xiàn)的。1、平臺慣性導航系統(tǒng)原理1、平臺慣性導航系統(tǒng)原理基本原理：用加速度積分得到位置。用陀螺測定重力加速度方向，去除重力加速度。用精確時鐘計算地球的自轉(zhuǎn)角度，消除地球自轉(zhuǎn)影響。陀螺平臺穩(wěn)定在慣性空間，而加速度計平臺則用精密的時鐘機構(gòu)（精確度高達幾百萬分之一秒的晶體振蕩器）跟隨地球轉(zhuǎn)動，使之跟上當?shù)氐闹亓Ψ较颉＿@種系統(tǒng)構(gòu)造復雜，體積和重量都較大。但由于加速度計的方位是受機械平臺控制的，精確度較高，因而能用于船艦、潛艇、飛機和飛航式導彈等的導航。2、平臺慣性導航系統(tǒng)特點三.捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)1、捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)原理2、捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)特點3、捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的發(fā)展4、捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的設(shè)計5、捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的工作流程1、捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)原理

“捷聯(lián)（Strapdown）”這一術(shù)語的英文原義就是“捆綁”的意思。因此，所謂捷聯(lián)慣性系統(tǒng)也就是將慣性敏感元件（陀螺和加速度計）直接“捆綁”在運載體的機體上，從而完成制導和導航任務的系統(tǒng)。

1）沒有機械式陀螺穩(wěn)定平臺2）陀螺和三個加速度計直接固連在載體上3）對陀螺敏感的角速度積分，得到載體相對參考坐標系的角位置（方向余弦矩陣）4)加速度計提供載體沿著橫滾、俯仰和偏航軸的加速度分量，在通過方向余弦矩陣變換到參考坐標系5）對變換后的加速度積分，得到南北地速分量及經(jīng)緯度參數(shù)1、捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)原理捷聯(lián)慣導的數(shù)學平臺便于安裝、維修和更換；可以直接給出艦船坐標系的所有導航參數(shù)；易于重復布置，在慣性敏感元件級別上實現(xiàn)冗余技術(shù)，提高可靠性；捷聯(lián)系統(tǒng)去掉了常平架平臺，消除了穩(wěn)定平臺穩(wěn)定過程的各種誤差同時減小系統(tǒng)體積。

優(yōu)點缺點敏感元件直接固定在載體上，工作環(huán)境惡化，降低了系統(tǒng)的精度。因此，必須采取誤差補償措施，或采用新型的光學陀螺。

2、捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)特點3、捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的發(fā)展捷聯(lián)慣導技術(shù)最早可以追溯到18世紀50年代，德國著名科學家博耐伯格（JohannGottlobFriedrichvonBohnenberger）發(fā)明了帶有穩(wěn)定平臺的陀螺儀（gyroscope）模型。

二戰(zhàn)時期，在V-2火箭上裝載的導航系統(tǒng)就是最原始的捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)，該火箭從當時納粹德國飛越過英吉利海峽準確命中倫敦，震驚世界。

隨著激光、光纖等新型固態(tài)陀螺儀的逐漸成熟，捷聯(lián)慣導的應用日趨廣泛。

在歐洲，軍用飛機中的所有新型以及改進型飛機大部分是用激光陀螺儀慣導裝置；在美國軍用慣導系統(tǒng)1984年全部為平臺式，到1989年已有一半改為捷聯(lián)式，1994年捷聯(lián)式已占有90%。

新的捷聯(lián)慣性系統(tǒng)產(chǎn)品普遍用于各種戰(zhàn)術(shù)武器和飛機航姿系統(tǒng)中，隨著固態(tài)儀表精度的不斷提高，誤差補償技術(shù)的逐漸完善，捷聯(lián)系統(tǒng)將逐步取代平臺系統(tǒng)。3、捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的發(fā)展捷聯(lián)慣導信息處理硬件框圖4、捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的設(shè)計算法：從慣性儀表輸出到導航與控制信息捷聯(lián)慣導算法的基本內(nèi)容：一、系統(tǒng)初始化二、慣性儀表的誤差補償三、姿態(tài)矩陣的計算四、導航計算五、導航控制信息的提取5、捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的工作流程系統(tǒng)初始化：1、慣性儀表的校準：對陀螺的刻度系數(shù)進行標定，對陀螺的漂移進行標定。對加速度計標定刻度系數(shù)。2、數(shù)學平臺的初始對準：確定姿態(tài)矩陣的初始值，是在計算機中用對準程序來完成的。在物理概念上就是把“數(shù)學平臺”的平臺坐標系和導航坐標系相重合，稱其為對準。3、給定飛行器的初始位置和初始速度等初始信息。5、捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的工作流程慣性儀表誤差補償：依據(jù)慣性儀表已建立的誤差模型和標定結(jié)果，通過計算機程序?qū)崿F(xiàn)儀表的校準和補償。5、捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的工作流程初始對準：慣性導航系統(tǒng)是根據(jù)測得的運載體的加速度，經(jīng)過積分運算求得速度與位置的，因此必須知道初始速度和初始位置。在慣性系統(tǒng)加電啟動后，捷聯(lián)慣導數(shù)學平臺的三軸指向是任意的，沒有確定的方位，因此在系統(tǒng)進入導航工作狀態(tài)前，必須將平臺的指向?qū)剩诉^程便稱為慣導系統(tǒng)的初始對準。5、捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的工作流程導航計算：

將加速度計的輸出，變換到導航坐標系，計算出飛行器的速度、位置等導航參數(shù)。導航和控制信息的提?。?/p>

提取包括飛行器的姿態(tài)信息、飛行器的角速度和線加速度等信息，實時進行導航狀態(tài)比較并根據(jù)誤差或航跡要求進行控制。姿態(tài)矩陣的計算：

姿態(tài)矩陣的計算式捷聯(lián)式慣導算法中最重要的一部分。不管捷聯(lián)式慣導應用和要求如何，姿態(tài)矩陣的計算都是不可少的，可以給出飛行器的姿態(tài)和為導航參數(shù)的計算提供必要的數(shù)據(jù)。5、捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的工作流程四.組合導航系統(tǒng)1、組合導航系統(tǒng)原理2、組合導航系統(tǒng)的功能3、幾種常見的組合導航系統(tǒng)1、組合導航系統(tǒng)原理

兩種或兩種以上導航技術(shù)的組合，組合后的系統(tǒng)稱為組合導航系統(tǒng)。根據(jù)不同的要求有各種不同的組合導航系統(tǒng)，多以慣性導航系統(tǒng)作為核心系統(tǒng)。1、組合導航系統(tǒng)原理卡爾曼濾波是組合導航的基本算法。它是一種線性最小方差估計的遞推算法，相對其它幾種最優(yōu)估計方法，卡爾曼濾波具有如下特點：算法是遞推的采用動力學方程描述被估計量的動態(tài)變化規(guī)律卡爾曼濾波具有連續(xù)型和離散型兩類算法2、組合導航系統(tǒng)的功能1）協(xié)合功能：利用各分系統(tǒng)的導航信息，形成分系統(tǒng)所不具備的導航功能。如用大氣數(shù)據(jù)計算機的空速信息和羅盤的航向信息工作的自動領(lǐng)航儀可以提供飛機的位置信息。它是一種早期的組合導航系統(tǒng)。2）互補功能：組合后的導航功能雖然與各分系統(tǒng)的導航功能相同，但它能夠綜合利用分系統(tǒng)的特點，從而擴大了使用范圍和提高了導航精度。3）余度功能:兩種以上導航系統(tǒng)的組合具有導航余度的功能,增加了導航系統(tǒng)的可靠性。3、幾種常見的組合導航系統(tǒng)

多普勒雷達輸出的地速信號精度較高,但瞬態(tài)噪聲較大。慣性導航系統(tǒng)能提供精確的航向信息,且速度信號的瞬態(tài)性能好,但精度不高。兩者結(jié)合可降低速度誤差，提高慣性平臺姿態(tài)精度，從而抑制位置誤差的增大。