北航自动化学院导航专业导航系统实验指导书课件

1、导航系统实验指导书王玲玲 编自动化与电气教学实验中心2015年4月目录概述/前言/课程介绍1基本要求与注意事项2一、安全操作守则2二、预习要求2三、出勤要求2第一部分 实验系统操作指导41 仪器设备介绍41.1 YH5000AHRS41.2 YH7000AHRS41.3 TZS-74IIA型转台41.4 LT-51惯导系统41.5直流稳压电源41.6计算机41.7卫星导航系统41.8万用表42 仪器设备使用方法42.1 YH5000AHRS42.2 YH7000IMU42.3 TZS-74IIA型转台42.4 LT-51惯导系统42.5直流稳压电源42.6计算机42.7卫星导航系统43 实验系

2、统软件介绍53.1 ImuMonitorTM软件53.2 Gpsolution（CDU）软件5第二部分 导航系统实验指导6实验一 平台惯性导航系统实验6一、实验目的6二、实验内容6三、实验设备6四、预习要求6五、实验原理6六、实验步骤6七、注意事项7八、实验报告要求7九、课后思考题7十、参考资料7实验二 捷联航姿系统实验8一、实验目的8二、实验内容8三、实验设备8四、预习要求8五、实验原理8六、实验步骤8七、注意事项9八、实验报告要求9九、课后思考题9十、参考资料9实验三 初始对准实验8一、实验目的8二、实验内容8三、实验设备8四、预习要求8五、实验原理8六、实验步骤8七、注意事项9八、实验报

3、告要求9九、课后思考题9十、参考资料9实验四 卫星导航系统实验8一、实验目的8二、实验内容8三、实验设备8四、预习要求8五、实验原理8六、实验步骤8七、注意事项9八、实验报告要求9九、课后思考题9十、参考资料9附件1 实验报告模板1041概述/前言/课程介绍北京航空航天大学自动化与电气教学实验中心主要承担高年级本科生专业实验及综合实践环节的系列教学工作。其中，中心所属的导航技术与控制实验室主要承担的本科实验课程包括实验技术与建模实验、导航系统实验、惯性技术实验、飞行控制系统实验、课程设计与综合实验等教学实验，同时为学生毕业设计、各类竞赛等提供条件。本实验说明书所述实验内容是与导航系统专业必修理

4、论课程紧密相关的。所涉及的所有实验属于验证设计型实验，主要通过半实物仿真的形式实现。实验内容主要包括：平台惯性导航系统实验、捷联航姿导航系统实验、捷联初始对准实验和卫星导航系统实验四部分。实验过程中需将真实的导航部件或系统与数据采集系统、供电系统、测试系统正确联系在一起，组成半实物型的在线仿真系统，或利用采集的实际导航传感器数据进行算法的离线仿真，从而分析各类导航算法的有效性。实验过程中采用的系统硬件部分主要包括：LTN-51平台导航系统、YH-7000光纤航姿系统（或YH5000微机械航姿系统）、卫星导航接收机、计算机、直流稳压电源、三轴手动转台（或74单轴电动转台）。其中，LTN-51平台

5、导航系统、YH-7000光纤航姿系统、卫星导航接收机用来产生（或接收）实际的数据，电源系统对实验过程中的仪器设备供电，采用计算机及其数据采集设备完成惯性信息的实时采集，然后利用采集的惯性信息进行相关处理并实现算法的分析与设计。 实验过程的软件部分主要包括：YH-7000光纤航姿系统（或YH5000微机械航姿系统）数据采集软件、卫星导航接收机采集软件。仿真过程的编译过程重要是在MATLAB或C语言环境下实现，鼓励学生采用Simulink和Labview环境设计导航算法。 在导航系统理论课程学习的基础上，作为实践环节的实验过程以学生自主实验为主，教师指导为辅，因此要求学生实验前需完成相关部分的理论

6、知识点温习，同时要求学生具备一定的导航理论基础和编程能力，以便实验过程中带着问题更加深入地学习。通过导航系统系列综合设计型实验项目的开设，使得学生能够将数学、自然科学、工程基础和导航专业知识的基本概念运用到航空航天工程问题之中；能够针对实际导航系统，理解工程实现中设计的重要经济与管理因素；体现学生运用导航系统原理深入分析实际工程问题；全面提高学生的专业实验设计、实验操作，实验结果合理分析的能力。基本要求与注意事项一、安全操作守则1. 首次进入实验室参加实验的学生应认真听取实验指导教师对于安全内容的介绍；2. 实验室总电源由指导教师负责，学生不得擅自接触；3. 实验过程中需妥善保管好水杯、饮料瓶

7、等容器，不许放置在实验操作台上；4. 学生进行实验时，在断电状态下独立完成的实验线路连接或改接；5. 要对电源系统及各种连接线路进行细致检查，经指导教师检查无误并提醒注意事项后，方可接通电源；6. 严禁带电接线、拆线、接触带电裸露部位及惯性导航部件；7. 各种仪表、设备在使用前应选择合理的量程。若认为仪表、设备存在问题或发生故障，应报告指导教师，不得自行排除故障；8. 实验中发生故障时，必须立即切断电源并保护现场，同时报告指导教师。待查明原因并排除故障后，才可继续进行实验；9. 实验过程中要轻拿轻放各类惯性导航部件和GPS实验系统；10. 不要擅自接触与本实验无关的其他一切非实验设备；11.

8、利用软件采集相关信息时，要按照软件操作说明进行；12. 实验过程，实时观察供电状态是否稳定，若电压突然变化立即断电，待查明原因后方可继续实验；13. 禁止短时间内对惯性导航部件进行多次上电、断电行为；14. 实验室内禁止打闹、大声喧哗、吃东西、乱扔废物以及其它不文明行为；15. 实验开始后，学生不得远离实验装置或做与实验无关的事；16. 实验完毕后应首先切断电源，再经指导教师检查实验数据后方可拆除实验线路，并将实验仪表、用线摆放整齐。二、预习要求为了避免学生盲目实验，需做好预习工作：（1） 每次实验课，利用课时后5分钟，实验教师将说明下次实验的内容和要求； （2） 学生实验前应复习好有关的课本

9、内容，熟悉相关知识点，预习实验报告，明确实验内容，熟悉实验步骤，精心准备实验方案，要求学生写预习报告，报告应包括实验目的、实验方案、实验的疑点分析和改进的方法等；（3） 每次实验开始时，查看学生的预习情况，方案可行的可进行实验。需要修改的老师进行指点，直到方案可行方可进行实验。三、出勤要求（1）出勤情况按照20%的比例计入实验成绩；（2）如有正当理由需要请假，需履行好请假程序，并于实验前一天向教师请假。未能履行请假程序或者伪造请假条均认定为旷课。所有请假条均保留待查；（3）不允许其他人代假，必须本人亲自请假，电话或邮件均可（附有效请假证明）；（4）严禁实验过程中迟到、早退。迟到、早退10分钟以

10、上按照旷课处理。第一部分 实验系统操作指导1 仪器设备介绍导航系统实验过程用到电源、计算机、测试设备、各种导航设备等，所用实验设备性能介绍如下。1.1 YH5000AHRS图1.1 YH5000AHRS设备图YH5000AHRS是由YH公司推出的一款体积小、重量轻、功耗低的航向姿态参考系统。其内部包含了三个正交的微机械陀螺、三个正交的微机械加速度计、三个正交的磁强计，通过对采集的角速度信息和加速度信息的处理，利用内部的航姿计算机得到载体的航姿角（航向角、横滚角、俯仰角）。此外，该航向姿态参考系统内部内置了温度传感器，可实时监控系统内的温度变化情况。系统所示载体坐标系及惯性测量信息的正向定义已在

11、标牌上显示（载体坐标系为前右下，各传感器输出逆时针为正）。YH5000AHRS的功耗较低，需要8-24V的直流稳压电源供电。供电值太低系统则不能工作，供电值太高则对系统产生破坏性。一般实验过程中12V供电即可。该航向姿态参考系统的采样率是112-113Hz，波特率为38400kbs，通过串口RS232的方式传输惯性测量信息。其中串口RS232的定义与电缆接头的定义如下表所示：图1.2 YH5000AHRS的232串口定义图1.3 YH5000AHRS的电缆接头串口定义图1.4 YH5000AHRS的电源接线定义通过下图可以进一步了解该惯性航姿参考系统的系列信息：图1.5 YH产品序列号由图1.

12、1的5205-30318可知，该惯性姿态参考系统内部的陀螺为MEMS，陀螺的量程为200deg/s，加速度计的量程为5g，这为实验过程提供了运动的限制性条件。1.2 YH7000IMU图1.6 YH7000IMUYH7000IMU惯性测量系统是由YH公司推出的中高精度惯性测量仪器。它能够对角速度和比力进行动态测量。YH7000系列包括一个三轴 2， 5或 10g固态加速度（100Hz带宽）和三轴100，200，或300度/秒光纤陀螺（100赫兹带宽），具体根据标牌说明及图1.5对应选择（7205-30401）。YH7000IMU执行抗混叠滤波器，A / D转换,具有初对准和轴偏差更正，并输出6

13、通道信号测量大约160Hz的串行端口数据。 YH7000IMU中三个正交的加速度计使用了综合的微机电系统技术，可以同时测量动加速度（典型振动）和静态加速度（如惯性力，重力和倾斜）。该IMEMS加速计在这里是一种高性能，高精度子系统， 它提供的带宽大大增加 并减少噪音。加速度计测量加速度在满量程范围（ 10g）内的噪声小于3mg/Hz，它能够检测到小于2mg的信号。YH7000IMU的功耗较低，需要8-24V的直流稳压电源供电。供电值太低系统则不能工作，供电值太高则对系统产生破坏性。一般实验过程中12V供电即可。该航向姿态参考系统的采样率是164Hz左右，波特率为115200kbs，通过串口RS

14、232的方式传输惯性测量信息。其中串口RS232的定义与电缆接头的定义如下表所示：图1.7 YH7000IMU的232串口定义图1.8 YH7000IMU的电源线定义图1.9 YH7000IMU的线缆接头定义1.3 TZS-74IIA型转台（三轴手动转台）图1.10 TZS-74IIA型转台 TZS-74IIA型转台是由北京青云航空仪表有限公司生产的检验惯性传感器和导航系统必需的测试设备。TZS-74IIA型转台具由转台台体和转台控制箱两部分组成。其中通过转台控制箱上的不同档位设置，可以以一定的角速度控制转台台体做单轴的旋转运动。台体面上的安装插头与台体下侧的安装插头通过内部的滑环连接，因此可

15、以避免连续旋转时的绕线问题。台面上有安装孔，可用于固定各种夹具。TZS-74IIA型转台的性能如下：l 台体所需供电电压为220V；l 台面在水平面内具有0.01度/秒400度/秒的旋转角速度；l 台面可实现2.5、5、7.5、10倾斜角的左右摆动;l 摇摆周期可任意选择，旋转和摇摆均可自动换向，换向时间为2.5分钟；三轴手动转台通过手动方式可实现三个自由度的任意转动，台体下侧并标出了旋转角度，可以用于惯性传感器和系统的性能测试和评估。1.4 LT-51平台惯导系统图1.11 平台惯性导航系统LT-51平台惯性导航系统是美国利登公司生产的用于飞机导航的惯性导航系统。该系统主要分为：主惯导模块，

16、控制显示模块，状态选择模块，电源模块。其中电源模块为惯性导航系统供电装置；状态选择模块可以选择惯性导航系统的当前状态（准备、对准、导航）；控制显示模块可以显示惯性导航系统的工作状态及导航参数；惯导主部件内部有平台框架、陀螺、加速度计、信号采集卡、信号处理卡及散热单元等。（1）在打开电源之前，必须检查状态选择器（MSU）的开关在“OFF” 档上，CDU在“POS”档上；（2）确保（MSU）的开关在“OFF” 档后，再打开电源，首先启动直流电源（26V），再启动交流电源（115V，400Hz）；（3）检查风扇工作是否正常；（4）将状态选择器（MSU）旋转至“STBY”状态；（5）输入参考纬度（N3

17、958.5），按下INERST按键，再输入参考经度（E11620.7），按下INERST按键；（6）将状态选择器（MSU）旋转至“ALIGN”，进入校准状态；（7） 将CDU旋转到HDG DA查看初始对准前航向，然后旋转至DSR TK/STS位置；（8）当校准的状态信号显示大于40时，不要接触晃动系统所在的操作台，以免影响系统的校准精度和校准的时间；（9）大约1520分钟后，当MSU指示灯READY NAV亮时，表示初始对准结束，将状态选择器（MSU）选择到“NAV”档，进入导航状态，此时旋转CDU的开关旋转到HDG DA可以查看航向，选择“POS”可看经纬度；（10）将状态选择器（MSU）旋

18、转至“OFF”档（拔出后旋转至OFF档），实验结束，先关闭交流电源，再关闭直流电源。1.5 直流稳压电源直流稳压电源可以提供单路输出直流032V电压，且具有输出电压、电流值数字显示功能；允许长期在040温度下满负荷工作。其主要技术指标如下:l 电源输出： 032V / 02A l 源效应：CV 110-4 + 2mV CC 110-4 + 5mA l 负载效应： CV 110-4 + 2mV CC 20mA l 纹波与噪声：CV 0.5mV(rms) CC 1mA(rms) 图1.12 直流稳压电源l 体积与重量：325205170 10Kg1.6 计算机计算机主要用来采集数据，并对相关数据进

19、行处理。基本配置指标如下：l 硬盘容量400Gl 19寸液晶显示屏l 内存容量2G 图1.13 计算机 1.7 卫星导航系统NovAtel FlexPak接收机是一款抗恶劣环境、防水的GPS接收机。FlexPak结构紧凑，规格为45mm147mm123mm,可内置OEMV-1、OEMV-2或SUPERSTAR II板卡，是目前世界上体积最小、功耗最低的双频RTK接收机，可以进行 图1.14 卫星导航系统厘米级或米级精度的定位解算。具有以下特性： l 体积小，功耗低； l 防震、防尘、防水性能达到IEC 60529标准IP x4和IP x7 ；l nPPS输出，两个RS-232串行接口 ；l 定

20、位、通信状态和电源指示灯 ；l USB接口电缆（仅FlexPak- OEMV-2） 。部分参数指标如表1所示： 表1 卫星导航接收机参数2 仪器设备使用方法2.1 YH5000AHRS航向姿态参考系统是导航实验教学专用设备。使用过程中，首先一定要轻拿轻放，否则容易损坏其内部传感器。具体使用方法如下：（1） 首先利用万用表按照图1.2-1.4测量航向姿态参考系统电缆的通断情况； 图1.15 航姿系统部件说明（2） 航向姿态参考系统电缆正常的情况下，将电缆圆形“针式”航空插头一侧插入航向姿态参考系统下侧的“孔式”插头；（3） 调整直流稳压电源的电压至12V，并用万用表测量确认；（4） 航向姿态参考

21、系统电缆的电源线红端接电源“+”，蓝端接电源“地”；（5） 将航向姿态参考系统电缆扁平数据接口与计算机相连；（6） 启动软件程序即可采集相关传感器信息。注：禁止带电插拔航向姿态参考系统；实验过程实施监测电压和电流情况；断电5分钟后方可下一次上电；禁止应用于高于100deg/s的运动情况。2.2 YH7000IMU具体使用方法如下：（1） 首先利用万用表按照图1.7-1.9测量航向姿态参考系统电缆的通断情况；（2） 航向姿态参考系统电缆正常的情况下，将电缆圆形“针式”航空插头一侧插入航向姿态参考系统下侧的“孔式”插头；（3） 调整直流稳压电源的电压至12V，并用万用表测量确认；（4） 航向姿态参

22、考系统电缆的红端接电源“+”，蓝端接电源“地”；（5） 将航向姿态参考系统电缆扁平数据接口与计算机相连；（6） 启动软件程序即可采集相关传感器信息。注：禁止带电插拔航向姿态参考系统；实验过程实施监测电压和电流情况；断电5分钟后方可下一次上电；禁止应用于高于100deg/s的运动情况。2.3 TZS-74IIA型转台（三轴手动转台）TZS-74IIA型转台操作如下：（1） 给转台台体供电220V；（2） 是由北京青云航空仪表有限公司生产的检验惯性传感器和导航系统必需的测试设备。TZS-74IIA型转台具由转台台体和转台控制箱两部分组成。其中通过转台控制箱上的不同档位设置，可以以一定的角速度控制转

23、台台体做单轴的旋转运动。 图1.16 转台台体面上的安装插头与台体下侧的安装插头通过内部的滑环连接，因此可以避免连续旋转时的绕线问题。台面上有安装孔，可用于固定各种夹具。TZS-74IIA型转台的性能如下：l 台体所需供电电压为220V；l 台面在水平面内具有0.01度/秒400度/秒的旋转角速度；l 台面可实现2.5、5、7.5、10倾斜角的左右摆动;l 摇摆周期可任意选择，旋转和摇摆均可自动换向，换向时间为2.5分钟；三轴手动转台通过手动方式可实现三个自由度的任意转动，台体下侧并标出了旋转角度，可以用于惯性传感器和系统的性能测试和评估。2.4 平台惯性导航系统在打开电源之前，必须检查状态选

24、择器（MSU）的开关在“OFF” 档上，CDU在“POS”档上；确保（MSU）的开关在“OFF” 档后，再打开电源，首先启动直流电源（26V），再启动交流电源（115V，400Hz）；检查风扇工作是否正常；将状态选择器（MSU）旋转至“STBY”状态；输入参考纬度（N3958.5），按下INERST按键，再输入参考经度（E11620.7），按下INERST按键；将状态选择器（MSU）旋转至“ALIGN”，进入校准状态；将CDU旋转到HDG DA查看初始对准前航向，然后旋转至DSR TK/STS位置；当校准的状态信号显示大于40时，不要接触晃动系统所在的操作台，以免影响系统的校准精度和校准的时间

25、；大约1520分钟后，当MSU指示灯READY NAV亮时，表示初始对准结束，将状态选择器（MSU）选择到“NAV”档，进入导航状态，此时旋转CDU的开关旋转到HDG DA可以查看航向，选择“POS”可看经纬度；将状态选择器（MSU）旋转至“OFF”档（拔出后旋转至OFF档），实验结束，先关闭交流电源，再关闭直流电源。2.5 部分常见问题及排故方法l （导线损坏）检查系统电缆是否损坏的方法是用万用表测量每根导线，查看导线是否连通。l （使用不当）为避免对LTN-51惯导系统造成损害，应当在断电五分钟后才可以移动LTN-51；l （使用不当）当系统校准时，不要接触系统及晃动平台惯性导航系统所在的

26、操作台，以免影响系统的校准精度和校准时间；l （使用不当）由于串口线接触不好，采集过程中，数据不能够被连续采值。解决办法紧固接触接口；l （使用不当）由于串口与计算机接触不好，使软件不能够正常采集数据；l （使用不当）出现软件不能正常工作，解决办法重新打开软件采集数据；l （使用不当） 出现内存不足，解决办法清理内存，重新打开软件。3 实验系统软件介绍3.1 ImuMonitorTM 软件介绍ImuMonitorTM软件是用于采集YH5000AHRS和YH7000IMU的惯性元件测量信息的一款开发好的软件。当惯性航姿系统或组件通过RS232串口与计算机相连且上电后，启动ImuMonitorTM

27、软件，如果串口设置正确则界面如图1所示。图1.17 ImuMonitorTM软件界面软件界面介绍如下：l 从菜单IMU-Select port下，选择与IMU相连的适当端口（可以通过资源设备管理器的端口设置查看COM端口的使用情况）。当按下PLAY键后，ImuMonitorTM会自动搜索IMU的序号和版本。如果在工具栏上选择PLAY键后，在ImuMonitorTM窗口底部的状态栏没有显示通讯端口、波特率、序号，或没有输出数据，请检查是否连接了RS232 端口及是否选择了正确的波特率（115200kbs）。l 从窗口左侧的较大按钮选择显示方式，通过菜单View也可以查看。GRAPH显示实时的惯性

28、测量和姿态角的曲线；FFT显示惯性测量和姿态角的快速傅立叶变换曲线；NAV显示加工过的姿态角演示图；MEAS 显示IMU 测量信息的的即时曲线。l 按下工具栏上的PLAY（绿色三角形按钮） 或STOP（红色方形按钮）可以启动或停止数据采集功能。l 从菜单的Log项可载入数据。用户可以根据需要灵活选择New File、Start Log、Pause Log、Resume Log和Stop Log。窗口的状态栏会显示载入状态。通过该菜单项可以实时保存采集的数据信息。l 在Sensor菜单下，可以控制速率传感器的零点、角度零点、和传感器的重新启动（注意：请不要点击reset）。3.2 Gpsolut

29、ion4软件介绍GPSolution是windows应用程序。它提供了一个图形界面接口，用户可以通过一系列窗口控制和监视接收机的工作，该软件提供了一个帮助文件，可进行在线或离线问题的解答。在GPS实验中，确认GPS连线正确开通电源后，在计算机中找到Gpsolution4安装位置，启动Gpsolution4软件。可视化界面如图所示：图1.18 卫星导航系统软件可视化界面constellation window:星座窗口这个窗口显示所跟踪的卫星位置，在每颗卫星符号的中心显示PRN号，双击卫星符号可以得到一个弹出式窗口显示方位角、高度角、残差、多普勒、载波/噪声、锁定时间、伪距、跟踪状态等信息；同心

30、圆的最外圈代表0度的水平面，中心顶点表示90度的正上方，窗口四个角给出了定位的DOP值。tracking status window：跟踪状态窗口；这个窗口提供了可视的微型跟踪状态，包括跟踪到的卫星通道、PRN、通道状态、多普勒、信噪比、锁定时间等信息。position window：显示定位结果窗口，可以通过Options选项设置单位；这个窗口显示接收机当前经度、纬度和高度的信息，以及它们的标准差，接收机解算出的日期和时间等相关信息。plan winsow：运动轨迹窗口；窗口实施的显示由接收机解算出的GPS天线当前位置的点位轨迹。窗口的左图显示的是运动的水平方向，右图显示的是垂直方向，窗口四

31、周给出了速度的相关信息。console window：输入命令窗口；通过这个窗口计算机可以直接与接收机进行通讯，它实际上是为接收机增加了一个终端接口的功能。Ascii message window：显示Ascii信息窗口；这个窗口显示的是Ascii码格式的记录。logging control window：记录数据窗口。第二部分 导航系统实验指导实验一 平台惯性导航系统实验一、实验目的 1. 了解平台惯性导航系统的组成；2掌握平台惯性导航系统工作原理；3掌握平台惯性导航系统工作流程；4能够对平台惯性导航系统的工作进行清晰分析。二、实验内容 1剖析LTN-51平台惯性导航系统结构框架；2正确实现

32、系统间的物理连接；3完成LTN-51的初始对准；4记录状态字的变化情况；5记录位置和姿态输出情况；6综合分析记录的实时数据；7总结平台惯导系统工作过程及注意事项。8独立完成实验报告。三、实验设备1LIT-51平台惯性导航系统2万用表1个；3交流电源2个；4电源电缆4根；四、预习要求1. 预习平台惯性导航系统的框架结构知识点；2. 预习平台惯性导航系统的初始对准知识点；五、实验原理1. 平台惯性导航系统作用平台导航系统是目前精度较高的惯性导航系统，被广泛应用在高精度导航场合。平台导航系统的核心部件是惯性平台，采用惯性平台的目的是：无论载体是否有角运动，加速度计的敏感方向在参考坐标系中保持不变；载

33、体的姿态角可由信号器测量并输出；避免加速度计和陀螺仪受大角速度运动影响；避免受震动、温度和磁场等因素的影响。2. 舒拉摆原理静止的载体上的单摆是指向地心的，但当载体受加速度的作用时，单摆通常不再会指向地心。但是，已经证实无论载体是否有加速运动，舒拉摆总是指向地心。即不论载体是否有加速度，单摆永远指向地心。如果，单摆将围绕地垂线做周期性摆动，当取时，摆动周期为分钟。 图1.19 舒拉摆原理3.三轴惯性平台工作原理分析图1.20 三轴惯性平台原理框图三轴惯性平台上图所示，为了避免加速度计和陀螺仪受大角速度运动的影响，平台由方位环，俯仰环和横滚环组成。平台的方位稳定回路由陀螺上的信号器、放大器、平台

34、方位轴上的稳定电机等组成。方位环的稳定轴为轴（即平台轴），陀螺上的信号器用于测量平台的方位角。平台的水平稳定回路由陀螺上的信号器、方位轴上的坐标分解器ACR、平台俯仰轴和横滚轴上的放大器和稳定电机组成。俯仰环的稳定轴为轴 ( 坐标系中的轴),陀螺上的信号器用于测量平台的俯仰角。横滚环的稳定轴沿(指向载体纵轴方向)，陀螺上的信号器用于测量平台的横滚角。方位稳定轴可以直接由陀螺仪来稳定，但是为了使平台的两个水平稳定回路能够正常工作，必须有方位坐标分解器和正割分解器。六、实验步骤1. 剖析四环三轴惯性平台的结构及平台惯性导航系统的布局分配；2. 观察平台惯性导航系统的外形并明确其含义；3. 按照使用

35、说明操作平台惯性导航系统并完成信息记录。4. 安要求完成实验报告；七、注意事项1. 上电过程中不要随便移动惯性导航系统；2. 初始对准过程中不要随便移动惯性导航系统；3. 不要动与本实验无关的其它实验设备；八、实验报告要求实验报告中应包括以下内容：1. 本实验所涉及工程问题描述2. 实验工作原理与理论分析3. 预习思考题的实验验证分析4. 实验过程描述和实验结果分析5. 实验结论6. 个人体会和建议九、课后思考题1. 四环三轴惯性平台的优点是什么？2. 初始对准过程若移动了惯导本体会产生怎样的后果？3.影响平台惯性导航系统精度的主要因素有哪些？十、参考资料1.富立，导航系统讲义，2010.实验

36、二 捷联航姿系统实验一、实验目的 1. 分析欧拉角法、方向余弦法和四元数法更新姿态矩阵的原理；2实现基于低成本不等间隔惯性测量信息的捷联航姿计算；3能够对捷联航姿结果进行清晰分析；二、实验内容 1分析捷联航姿系统的硬件组成；2正确实现系统间的物理连接；3采集微惯性测量信息并正确保存；4对采集的微惯性测量信息进行预处理；5仿真设计基于低成本不等间隔惯性测量信息的捷联航姿算法；6独立完成实验报告。三、实验设备1. YH5000AHRS2万用表1个；3直流稳压电源2个；4计算机1台；四、预习要求1. 姿态变换矩阵的含义；2. 不同坐标系的变换关系；3. 捷联航姿计算的流程；五、实验原理1. 捷联航向

37、姿态参考系统（Attitude Heading Reference System-AHRS）捷联惯性导航系统主要由航向姿态参考系统、导航解算单元、显示装置等组成，结构如图1.20所示。其中捷联航向姿态参考系统由惯性测量单元（IMU）及相关的信号处理电路组成。一般而言，通过信息采集单元采集陀螺和加速度的测量信息，通过嵌入在单片机或其它处理器中的航姿计算过程获得航向角、俯仰角和横滚角信息，从而可为飞行员提供可参考的导航参数。 图1.20 捷联惯性导航系统示意图捷联航姿系统的陀螺和加速度计等惯性器件直接安装在载体上，因此，陀螺测得的是载体坐标系相对惯性坐标系的角速度，加速度计测得的是载体所受的比力。

38、为了获得载体运动过程中的航姿信息，需要实时更新姿态变换矩阵。姿态变换矩阵描述的是载体系与导航系之间的动态变换关系。因此首先定义导航坐标系为北东地（如图1.21所示），载体坐标系为前右下（如图1.22所示），那么，载体坐标系与导航坐标系之间的矩阵即为载体的姿态矩阵。姿态矩阵中的元素信息即为载体航姿角的正余弦信息. 图1.21导航坐标系示意图 图1.22 载体坐标系示意图 设分别表示载体的航向角，俯仰角，横滚角。其正方向定义均符合右手定则，即拇指指向相应陀螺测量轴的正方向，四指弯曲的方向为相应角的正值。导航坐标系按照以下旋转顺序可得载体坐标系。即姿态矩阵为： (2.1)为正交矩阵： 当IMU固连的

39、载体姿态发生变化时，捷联航子系统中的陀螺仪就能敏感出相应的角速率，姿态矩阵亦随之发生了变化，其微分方程为： 式中：为角速度构成的斜对称矩阵。借助于力学中的刚体定点转动理论，可确定两个坐标系之间的方位关系，计算出姿态矩阵。常用的求解姿态矩阵方法有欧拉角法、方向余弦法、四元数法。其中，四元数法只需要求解一个微分方程，计算量最小并且可以全姿态工作，因而被广泛地应用在捷联惯性系统的姿态矩阵更新当中，本文采用四元数法进行相应的姿态解算。若用分别表示四元数的四个元素，则载体坐标系相对于导航坐标系的转动可以用转动四元数来表示，即： （2.2）式中四元数的基取为与载体坐标系的基相一致。四元数微分方程的矩阵形式

40、为： （*） （2.3）式中，元素为载体相对导航坐标系的相对角速率在载体坐标系对应轴上的投影。可由如下计算公式得到： （2.4）式中，即为陀螺仪的输出；为地球坐标系相对于惯性坐标系的自转角速率在导航坐标系中的投影；为导航坐标系相对地球坐标系的角速率在导航坐标系上的投影： （2.5）设为角速率陀螺直接测得的载体相对惯性空间的绝对角速率，则 式表示的四元数微分方程可通过毕卡逼近法求解： （2.6）式中：若设则有 当为小量时，利用规范化后的四元数，可以求得姿态矩阵： 载体姿态角可从更新计算后的姿态矩阵中提取： （2.7）式中俯仰角定义在90区间，和反正弦函数的主值一致，不存在多值问题。横滚角定义在1

41、80区间，航向角定义在0360区间，故、都存在多值问题，在计算出主值之后，可由中的其它元素判断是在哪个象限。捷联航姿实现流程如下图所示图1.23 姿态更新流程图六、实验步骤图1.24 连线图1. 检查所需设备是否齐全；2. 按照管脚说明检查电缆通断情况,检查所需电压是否正确，把电源线和通讯电缆与计算机按照图1.24连接；3. 接通陀螺仪电源，预热且建立数据采集文件*.text。4. 打开软件ImuMonitor，选择通讯端口，同时设置采样波特率。5. 点击“play”键（即绿色三角按钮）后，点击MEAS查看陀螺和加表输出数据是否稳定。6. 当陀螺输出稳定后，从Log项中选择New File，打

42、开数据文件*.text，然后点击Start Log开始采集数据并开始计时(30分钟)。采集时间到时，点击Stop Log停止采样。采集的数据包括三轴陀螺、三轴加表、航姿角信息；7. 利用采集的陀螺和加表数据进行航姿解算，结果与采集的航姿角信息相比较，从而验证自编航姿算法的有效性；七、注意事项1. 严禁上电情况下插拔电缆；2. 勿动其他与实验无关的设备；3. 航姿参考系统要轻拿请放。八、实验报告要求实验报告中应包括以下内容：1. 本实验所涉及工程问题描述2. 实验工作原理与理论分析在上述原理的基础上进行深入的分析，严禁直接抄袭。3. 预习思考题的实验验证分析4. 实验过程描述和实验结果分析5.

43、实验结论6. 个人体会和建议实验报告模板可参照附件1。九、课后思考题1. 为什么捷联航姿的结果与预期的有较大差别？2. 如何才能较好地对误差进行抑制？十、参考资料1. 富立，导航系统讲义.2011.2. YH5000AHRS参考资料。实验三 捷联初始对准实验一、实验目的 1. 了解捷联初始对准的目的；2. 掌握捷联初始对准的过程；3. 掌握捷联初始对准方法。 二、实验内容 1. 正确连接实验过程中的仪器设备 2. 采集惯性测量组件不同初始静态位置下的数据；3. 设计初始对准流程图；4. 根据采集的数据对初始对准结果进行分析。三、实验设备1. 数字万用表1块；2. 直流稳压电源1台；3. 惯性测

44、量组件1台；4. 工业控制计算机1台；5. 导线若干。 6. 测试转台四、预习要求1. 初始对准的含义及实现方式知识点。2. 初始对准精度的评价方法。五、实验原理初始对准的任务就是把“数学平台”对准参考坐标系，即确定初始时刻的姿态矩阵。初始对准按其对准精度可分为粗对准和精对准两种。粗对准方法的特点是对准速度快，对准精度较低，它通常使用解析对准和传递对准方法迅速获得“数学平台”的初始状态信息。由于惯性仪表的测量误差以及传递误差的影响，对准结果中常含有较大的误差。精对准方法的特点是精度高，但对准时间较长，它是在粗对准的基础上，利用惯性仪表的输出以及外界参考信息进一步进行对准。由于系统所用的惯性器件

45、均为微机械惯性测量组件，精度不高，无法敏感地球自转角速度，因此无法进行精对准。故本实验只完成粗对准，采用解析粗对准。具体的计算方法为利用加速度计和磁阻传感器数据计算磁航向角和姿态角，计算出磁航向角后将其转换成真航向角。鉴于采用的是低精度的惯性传感器，其中的陀螺是不能测量出地球自转角速度的，因此，初始对准采用粗对准的方式。即通过加表信息确定载体的初始姿态，通过得到的姿态和磁传感器的测量信息确定载体初始的磁航向。具体实现如下：因为 （3.1） 并且所以则 ， ， （3.2）由此可得俯仰角和滚转角分别为 （3.3）航向角，要求磁强计测得的值在水平面内，如果不在水平面内，应当进行坐标变换 （3.4）其

46、中，为正交矩阵，因为=则可得磁航向角为 （3.5） 真航向角为：其中为当地磁偏角。 注：采集的数据文件包括航姿参数，直接可利用采集到的一秒内数据的均值作为初始的姿态信息即可。也可根据采集的传感器数据按照上述方法计算初始的姿态信息。六、实验步骤1. 检查所需设备是否齐全；2. 按照管脚说明检查电缆通断情况,检查所需电压是否正确，把电源线和通讯电缆与计算机连接；3. 使速率转台转轴与地垂线平行，对准精度在若干角分之内；4. 用夹具把惯性传感器安装在转台上；5. 接通陀螺仪电源，预热且建立数据采集文件*.text。6. 打开软件ImuMonitor，选择通讯端口com1，同时设置采样频率。7. 点击

47、“play”键（即绿色三角按钮）后，点击MEAS查看陀螺和加表输出数据是否稳定。8. 当陀螺输出稳定后，从Log项中选择New File，打开数据文件*.text，然后点击Start Log开始采集数据并开始计时(30分钟)。采集时间到时，点击Stop Log停止采样。采集的数据包括三轴陀螺、三轴加表、航姿角信息；9. 利用采集的陀螺和加表数据进行航姿解算，结果与采集的航姿角信息相比较，从而验证自编航姿算法的有效性；图1.25 连线图七、注意事项1. 初始对准过程中不要动惯性测量组件；2. 通电过程中切勿插拔惯性组件电缆；3. 勿动与实验无关的其他设备；八、实验报告要求实验报告中应包括以下内容

48、：1. 本实验所涉及工程问题描述2. 实验工作原理与理论分析虽未做精对准实验。但是需要对精对准原理进行深入分析，严禁抄袭指导书中内容。3. 预习思考题的实验验证分析4. 实验过程描述和实验结果分析5. 实验结论6. 个人体会和建议实验报告模板可参照附件1。九、课后思考题1. 初始对准精度对捷联航姿系统及导航系统的影响？2. 如何进一步提高初始对准精度？十、参考资料1. 富立，导航系统讲义.2011.2. YH5000AHRS参考资料。实验四 GPS实验一、实验目的 1. 了解GPS接收机的组成及工作原理。2. 掌握GPS全球定位系统用户设备的功能，操作与使用。3. 熟悉GPS用户软件，利用所采

49、集的卫星数据和定位数据，对该设备的静态定位精度进行分析。4. 熟悉GPS信号串口传输技术；二、实验内容 1. 正确连接实验过程中的仪器设备 2. 理解伪码定位测量原理。3. 熟练操作和使用GPS接收机及其配套软件。4. 采集定位数据，进行处理分析。三、实验设备1. 数字万用表1块；2. 12V直流稳压电源1台；3. 卫星导航接收机1台；4. 接收机天线1个；5. 计算机1台。 6. 卫星信号转发系统1套；四、预习要求1. 卫星导航接收机定位实现知识点；2. 卫星各个环节信号处理知识点；3. 卫星精度评价知识点；五、实验原理全球定位系统GPS是20世纪70年代中期美国国防部开始发展的第二代卫星导

50、航系统，是目前应用最广泛的一种卫星定位导航系统。用户实时接收卫星发出的行李，可以解算出用户当前的位置、速度和时间等定位信息。具有全球性、连续提供三维定位导航信息、定位精度较高、误差有界、成本较低等优点，可以满足各种不同用户的需求，因此其应用范围非常广泛。GPS可以分为三个部分：空间部分（导航卫星）；用户部分（GPS接收机）；地面监控部分（管理控制中心）。1、伪距定位原理当卫星时钟和用户时钟同步时，用户测量卫星和接收机之间的信号传播时间延时，则卫星和用户之间的距离为：，其中为光速。考虑卫星和时钟有误差，则测得的距离称为伪距，对第i颗卫星，用户测得的伪距为：，式中，和分别是用户和卫星i在地球坐标系中的位置坐标，为钟差。因为有四个未知量，需要至少测量到四颗卫星的伪距，从而可以精确求得用户在地球上的位置。2伪距单点定位的精度估算位置几何误差系数PDOP：；时间几何误差系数TDOP：；垂直位置几何误差系数VDOP：；水平位置几何误差系数HDOP：；几何误差系数GDOP：；3. GPS定位原理GPS伪距定位原理是当卫星时钟和用户时钟同步时，用户测量卫星和接收机之间的信号传播时间延迟，则卫星和用户之间的距离r为：r=c其中c为光速。若考虑卫星和时钟有种差，则测得的距离称为