第1章 概述 慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航原理

中國民航大學(xué)電子信息工程學(xué)院崔銘2023/9/161.2常見的導(dǎo)航系統(tǒng)

概述1.1導(dǎo)航的基本概念

1.3基礎(chǔ)知識

1.4慣導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展

21.1導(dǎo)航的基本概念

導(dǎo)航（Navigation）

：引導(dǎo)載體達(dá)到預(yù)定目的地的過程。載體包括車輛、艦船、飛機(jī)、導(dǎo)彈、宇宙飛行器等。

制導(dǎo)（guidance）

：根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，由控制系統(tǒng)來自動引導(dǎo)載體到達(dá)目的地。第一章概述31.2常見的導(dǎo)航系統(tǒng)陸標(biāo)導(dǎo)航：根據(jù)固定標(biāo)志物（如燈塔、建筑物等）的位置坐標(biāo)及其相對載體的距離方位關(guān)系確定載體位置。缺點(diǎn)：受地形氣候條件限制。無線電導(dǎo)航：利用無線電技術(shù)測量導(dǎo)航參數(shù)的系統(tǒng)，如VOR、DME等。缺點(diǎn)：精度受電磁環(huán)境影響。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：利用專用于導(dǎo)航的人造地球衛(wèi)星來實現(xiàn)，如GPS、北斗等。缺點(diǎn)同上。天文導(dǎo)航系統(tǒng)：最早由航海方面發(fā)展而來，利用光學(xué)儀器(如六分儀)人工觀測星體高度角，進(jìn)而確定航行體的位置。缺點(diǎn)：受氣候條件影響，精度低。4慣性導(dǎo)航系統(tǒng)：利用慣性敏感元件(陀螺儀、加速度計)測量載體相對慣性空間的線運(yùn)動和角運(yùn)動參數(shù)，在給定的初始條件下，輸出載體的姿態(tài)參數(shù)和導(dǎo)航定位參數(shù)。

優(yōu)點(diǎn)：（1）依靠自身測量的載體運(yùn)動加速度信息來連續(xù)推算載體速度和位置，不需要接收外部信息，不受外界干擾，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)；工作時不向外輻射能量，隱蔽性好；確定載體位置同時還能測量載體姿態(tài)角。5不足：慣導(dǎo)系統(tǒng)確定載體位置是由加速度計測得的加速度經(jīng)二次積分獲得，本質(zhì)上是一種推算定位法，誤差隨時間積累，長時間工作，誤差會超出允許范圍，需用其它信息進(jìn)行重調(diào)和校正；要制造高精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)，必須要求慣性元件有高精度，對制造工藝、裝配工藝要求嚴(yán)格，系統(tǒng)成本高。6組合導(dǎo)航系統(tǒng)：上述幾種類型的導(dǎo)航系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)。為了提高導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度和性能，往往將上述兩種以上的導(dǎo)航系統(tǒng)組合成為組合式導(dǎo)航系統(tǒng)。航空導(dǎo)航儀表：導(dǎo)航儀表單獨(dú)測出飛機(jī)的一些參數(shù)，如磁航向、空速、高度等，供給飛行員操縱飛機(jī)完成導(dǎo)航任務(wù)。71.什么是慣性空間這些旋轉(zhuǎn)的角速度都太小，以致于慣性器件無法敏感到，因此可以忽略。地球自轉(zhuǎn)

慣性空間是符合牛頓力學(xué)定律的空間，即是絕對靜止或只做勻速直線運(yùn)動的空間慣性空間相對空間1.3基礎(chǔ)知識銀河系旋轉(zhuǎn)太陽系相對銀河系旋轉(zhuǎn)地球相對太陽旋轉(zhuǎn)8

在經(jīng)典力學(xué)中，牛頓的三條定律是慣性導(dǎo)航的力學(xué)基礎(chǔ)。它揭示了慣性空間中物體的運(yùn)動和受力之間的基本關(guān)系：（1）若物體不受力或所受合力為零，則物體保持靜止或勻速直線運(yùn)動；（2）若物體受到的合力為F，則該物體將以加速度a相對慣性空間運(yùn)動：，m為物體質(zhì)量；（3）物體間的相互作用力，大小相等，方向相反。9（1）加速度計的可測量運(yùn)動物體的加速度。（2）慣性導(dǎo)航是以測量運(yùn)動體的加速度為基礎(chǔ)的導(dǎo)航定位方法。測量的加速度，經(jīng)過一次積分可以得到運(yùn)動速度，經(jīng)過二次積分可以得到運(yùn)動距離，從而給出運(yùn)動體的瞬時速度和位置數(shù)據(jù)。他們?nèi)唛g的關(guān)系表示為：2.加速度、速度和航程之間的關(guān)系10

式中：a表示運(yùn)動體的加速度；V表示運(yùn)動體的速度；S表示運(yùn)動的移動距離。

11從以上看出，沿直線運(yùn)動的載體，只要借助加速度計測出它的加速度，載體任何時刻的速度和相對出發(fā)點(diǎn)的距離就可實時計算。這種不依賴外界信息，只靠對載體本身的慣性測量來完成導(dǎo)航任務(wù)的技術(shù)稱作慣性導(dǎo)航，也稱自主式導(dǎo)航。121.4慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展1.慣性導(dǎo)航技術(shù)涉及多學(xué)科（機(jī)電、光學(xué)、數(shù)學(xué)、力學(xué)、控制及計算機(jī)等學(xué)科）的高新尖端技術(shù)，是現(xiàn)代武器系統(tǒng)中的一項基本支撐技術(shù)，是在先進(jìn)科學(xué)理論和制造工藝支持條件下發(fā)展起來的。只有少數(shù)國家有能力研制慣性技術(shù)產(chǎn)品。我國慣性技術(shù)在自力更生基礎(chǔ)上，發(fā)展至今已具有一定規(guī)模。13

在我國的航空、航天、航海和陸地車輛的導(dǎo)航和定位中得到了廣泛的應(yīng)用。慣性技術(shù)還在以下國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域里獲得了成功的應(yīng)用：大地測量、海洋勘探、石油鉆井、航空測量、攝影等142.理論基礎(chǔ)：1）1687年牛頓提出了力學(xué)三大定律和引力定律，為慣性導(dǎo)航奠定了理論基礎(chǔ)；2）1765年俄國歐拉院士出版了著作《剛體繞定點(diǎn)運(yùn)動的理論》，首次利用解析方法對定點(diǎn)轉(zhuǎn)動剛體作了本質(zhì)解釋，創(chuàng)立了陀螺儀理論的基礎(chǔ)1778年法國拉格朗日在《分析力學(xué)》中建立了在重力力矩作用下定點(diǎn)轉(zhuǎn)動剛體的運(yùn)動微分方程組；153）1852年法國科學(xué)家傅科根據(jù)上述理論發(fā)現(xiàn)了陀螺效應(yīng)，觀察到了地球自轉(zhuǎn)，并首先使用“Gyro”(Gyroscope－轉(zhuǎn)動＋觀察)這個名詞，開創(chuàng)了人們對工程實用陀螺的研究和開發(fā)；4）1923年，舒勒發(fā)表了論文《運(yùn)載工具的加速度對于擺和陀螺儀的干擾》，提出了84.4分的無干擾理論，為慣性技術(shù)的發(fā)展起到了關(guān)鍵的理論指導(dǎo)作用，陀螺儀的設(shè)計開始完善；161718法國國葬院192021北京天文臺的傅科擺225）1939年，蘇聯(lián)－布爾佳科夫通訊院士出版的：“陀螺儀實用理論”一書，認(rèn)為是陀螺儀實用理論的奠基性的著作。6）1949年，J.H.Laning,Jr.發(fā)表名為“Thevectoranalysisoffiniterotationsandangles”的報告，建立了捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航的理論基礎(chǔ)；233.現(xiàn)代發(fā)展7）1920年前后，出現(xiàn)了供飛機(jī)使用的轉(zhuǎn)彎速率指示器、人工水平儀和方位陀螺；8）二戰(zhàn)期間，德國的V2火箭用兩個二自由度陀螺和一個加速度計構(gòu)成慣性制導(dǎo)系統(tǒng)，這是慣性技術(shù)在導(dǎo)彈制導(dǎo)上的首次應(yīng)用。但由于慣性器件精度低，設(shè)計粗糙，無法實現(xiàn)舒拉調(diào)諧要求，因此在轟炸倫敦的過程中，1/4的V2火箭提前掉入大海。24259）1949年，美國將純慣性導(dǎo)航系統(tǒng)試驗安裝到一架B-29遠(yuǎn)