惯性导航第一章

1、惯性导航系统 张晓瑜 中国民航大学航空自动化学院电子系 2021-6-25 2021年6月25日2 讲述内容 导航与惯性导航概述与坐标系 陀螺仪及应用 加速度计 惯性平台 舒勒摆原理及其在平台惯导系统中实现 惯性导航系统的系统误差 捷联式惯导系统 惯导系统的初始对准 组合导航 2021年6月25日3 第一章 导航和惯性导航系统以及坐标系 1. 导航和惯性导航 2. 惯性和非惯性坐标系 2021年6月25日4 第一节 导航和惯性导航 导航及其种类 导航：是指将载体从一个位置引导到另一个位置的过程。 导航基本要素：位置、速度、航向 种类：导航仪表、无线电导航、天文导航、多普勒雷达导航、 卫星导航、

2、惯性导航和组合导航。 2021年6月25日5 无线电导航 利用无线电波直线传播及恒速特性 机上接收系统 精度较高，电波易受干扰 多普勒雷达导航 利用多普勒效应测量速度 无需地面台，定位精度与反射面形状有密切关系 当接收不到反射波时无法工作 导航方法简介 2021年6月25日6 卫星导航 无线电波传输，依赖卫星 导航卫星、地面站和用户设备三大部分 导航精度高，适于全球导航，价格低廉 需要庞大地面站支持，电波易受干扰，卫星受人控制 天文导航 借助星体跟踪器自动跟踪两个星体 云雾天气飞行或中低空无法看到其它星体 导航方法简介 2021年6月25日7 惯性导航 基本原理惯性测量元件测量载体相对于惯性空

3、间的运 动参数，并经计算后实施导航任务。 加速度计加速度速度与位置 陀螺仪角运动姿态和航向 导航方法简介 2021年6月25日8 2021年6月25日9 用经、纬度表示的简化惯导系统方框图 2021年6月25日10 惯导系统基本组成 惯性元件加速度计、陀螺仪 测量飞机运动的加速度、角速度 稳定平台 为加速度计提供准确的安装基准和测量基准 导航计算机 进行积分、相加、乘除和三角函数等数学计算，同时计算修正指令 控制显示组件 导航参数显示、初始数据的引入、系统实验、故障显示和告警 方式选择组件 控制系统的工作状态 备用电池组件 交流电源失效时，作为备用电源 2021年6月25日11 惯导系统特点

4、工作自主性强 提供导航参数多 抗干扰力强，适用条件宽 导航精度随飞行时间增加而不断下降 平台式惯导与捷联式惯导 是否存在实体平台 平台式惯导存在实际的陀螺稳定平台，承载惯性元件 捷联式惯导采用“数学平台”，加速度计和陀螺仪直接安装 在载体上 2021年6月25日12 组合导航 提高导航系统的余度和容错能力 GPS+INS；无线电导航+惯性导航；三者组合 导航方法简介 2021年6月25日13 坐标系定义（一） q陀螺坐标系 q地理坐标系 q惯性坐标系 q地球坐标系 q机体坐标系 q平台坐标系 2021年6月25日14 陀螺坐标系 陀螺坐标系 ox轴：与陀螺内环轴一致，固连于内环上 oz轴：与陀

5、螺转子轴一致，固连于内环上，但不随转子转动 oy轴：与oxy平面平行，大方向与外环一致，但一般不与外环 轴一致 2021年6月25日15 地理坐标系 E轴：指东，即坐标轴：指东，即坐标 原点纬线向东的方向原点纬线向东的方向 N轴：指北，即坐标轴：指北，即坐标 原点经线向北的方向原点经线向北的方向 V 轴：沿地垂线方向轴：沿地垂线方向 XTYT ZT E N V G L 返回 2021年6月25日16 惯性坐标系 取地球中心为原点取地球中心为原点 Z轴：指向地球自转轴：指向地球自转 轴方向轴方向 另外两轴在赤道平面另外两轴在赤道平面 内，不随地球转动内，不随地球转动 XY Z equator 返

6、回 2021年6月25日17 地球坐标系 WGS-84 (XT,YT,ZT) XT 赤道平面和与本赤道平面和与本 初子午线的交线初子午线的交线 ZT 地球自转轴重合地球自转轴重合 YT与 与XT、 ZT 组成的 组成的 平面垂直平面垂直 固连于地球上并与地固连于地球上并与地 球一起转动球一起转动 XT YT ZT equator Greenwich meridian X *t 返回 2021年6月25日18 机体坐标系 - roll - pitch - heading ZB 返回 2021年6月25日19 平台坐标系 2021年6月25日20 坐标系转换关系（二） q 在飞机上模拟惯性坐标系或

7、地理坐标系 利用三自由度自由陀螺或定位陀螺来模拟惯性系或地理系 q 坐标系转换关系 地理坐标系与机体坐标系的关系（姿态角） 地理坐标系与惯性坐标系的关系 2021年6月25日21 地理坐标系与机体坐标系的关系 q 设起始时地理坐标系与机体坐标系重合。 飞机绕其竖轴转动角，相当于飞机方位发生了变化，即航向 发生了变化 飞机绕其纵轴转动角，相当于飞机有倾斜角。 飞机绕其横轴转动角，相当于飞机有俯仰角。 q 姿态角定义 航向角：飞机纵轴在水平面内的投影相对地理系指北线夹角 俯仰角：飞机纵轴与地平面间的夹角或飞机绕其横轴的转角 倾斜角：飞机横轴与地平面间的夹角或飞机绕其纵轴的转角 2021年6月25日22 ZB ZB YB 返回 2021年6月25日23 地理坐标系与惯性坐标系的关系 地理坐标系相对惯性坐标系的运动组成： 地球自转 飞机运动 2021年6月25日24 2021年6月25日25 cos eN sin ez e z N e 返回 2021年6月25日26 2021年6月25日27 hR V hR V N cos hR V N sin cos cosVVN sinVVE V E N VE VN cos sin coshR V hR V E hR V hR V N E cos tg hR