第5章惯性导航系统概论惯性导航

1、2022-4-29惯性导航原理惯性导航原理 中国民航大学电子信息工程学院中国民航大学电子信息工程学院崔崔 铭铭电子信息工程学院25.2 5.2 惯性导航系统基本功能惯性导航系统基本功能 5.1 5.1 导航及其分类导航及其分类5.3 5.3 惯性导航系统基本组成惯性导航系统基本组成 和简要原理和简要原理 第第 五五 章章 惯惯 导导 系系 统统 概概 论论电子信息工程学院3一一 民航导航技术现状民航导航技术现状1 1 航路导航航路导航1.1 1.1 惯性导航系统惯性导航系统 （INSInertial Navigation SystemINSInertial Navigation System）

2、 上世纪，陆基无线电导航逐渐成为航空的主要导航手段，但需地面设施的支持，无法实现自主定位和导航，限制了航空发展。民用飞机采用INS的主要由于其提供的导航信息连续性好，导航参数短期精度高，更新速率高。尤其是可以产生包括飞机三维位置、三维速度与航向姿态等大量信息，在民航中得到应用，是民航飞机的基本导航系统。但垂直定位功能不好，误差是发散的，不能单独使用，在现代民用飞机上通常与气压高度表组合使用，确定垂直高度信息。5.1 5.1 导导 航航 及及 其其 分分 类类电子信息工程学院41.2 1.2 陆基无线电导航系统陆基无线电导航系统 陆基无线电导航尽可能把整个导航系统的复杂性集中到了地面导航台,使机

3、载导航设备比较简单，因此价格低廉且可靠性较高，迅速得到了推广使用。目前支持民航航路空中交通管理的主要地面设备包括：NDB、VOR和DME。1.3 1.3 星基导航系统星基导航系统 目前，民航在GNSS应用方面的工作也主要集中于GPS及相关技术的研究，试图解决其在民航应用中的特殊性问题，主要是解决完好性监测等问题所开展的增强技术。电子信息工程学院52 2 终端区进近引导终端区进近引导2.1 2.1 大规模应用中的大规模应用中的ILSILS系统系统 ILS的作用是向处于着陆过程中的飞机提供着陆引导信息，包括航向道信息，下滑道信息和距离信息，目前ILS在民航中广泛应用。根据性能ILS可以分为I类、I

4、I类和III类。我国装备绝大多数系统只能达到I类标准，少数系统性能可以达到II类。主要原因除设备性能外，很大因素取决于场地，场地达不到标准，障碍物较多场地不平整，造成航道， 下滑道弯曲，超出类别标准。同时周边地区的电磁干扰也会导致引导信号超过使用标准。电子信息工程学院62.2 2.2 重要的辅助设施助航灯光系统重要的辅助设施助航灯光系统 助航灯对飞机的安全起降有着至关重要的作用，曾经对飞机的安全降落起到关键作用。随着ILS等着陆引导系统的应用，现在的助航灯光系统更多地承担辅助引导或备份的功能。2.3 2.3 局域卫星增强系统局域卫星增强系统 为将GPS用于飞机精密进近和着陆，FAA在1994年

5、以前主要着力发展LAAS。它属于GBAS，由地面设施和机载设备组成。以提高机载GPS设备的精度、完好性、连续性和可用性等性能，用以满足I类、II类和III类精密进近与着陆的要求。一套LAAS地面设施不仅可以覆盖一个机场的所有跑道，而且可以覆盖相距不远的几个机场。电子信息工程学院7二二 惯性导航的发展历程及发展趋势惯性导航的发展历程及发展趋势1 1 世界范围内惯性导航的发展历程以及现状世界范围内惯性导航的发展历程以及现状 2.1 2.1 第一代惯性技术第一代惯性技术 1930年以前的惯性技术,自1687年牛顿三大定律的建立，并成为惯性导航的理论基础；到1852年，傅科提出陀螺的定义、原理及应用设

6、想；再到1908年由安修茨研制出世界上第一台摆式陀螺罗经。以及1910年的舒勒调谐原理；第一代惯性技术奠定了整个惯性导航发展的基础。 电子信息工程学院82.1 2.1 第二代惯性技术第二代惯性技术 开始于上世纪4O年代火箭发展的初期。其研究内容从惯性仪表技术发展扩大到惯性导航系统的应用。首先是惯性技术在德国VII火箭上的第一次成功应用。到50年代中后期，单自由度液浮陀螺平台惯导系统研制并应用成功。2.3 2.3 第三代惯性技术第三代惯性技术 7O年代初期，出现了一些新型陀螺、加速度计和相应的惯性导航系统。研究目标是进一步提高INS的性能、并通过多种技术途径来推广和应用惯性技术这一阶段的主要陀螺

7、包括：静电陀螺、动力调谐陀螺、环形激光陀螺、干涉式光纤陀螺等。 电子信息工程学院92.4 2.4 第四代发展阶段第四代发展阶段 当前，惯性技术目标是实现高精度、高可靠性、低成本、小型化、数字化、应用领域更加广泛的导航系统一方面，陀螺的精度不断提高；另一方面，随着新型固态陀螺仪的逐渐成熟，以及高速大容量的数字计算机技术的进步。 电子信息工程学院10电子信息工程学院112 2 我国惯导的发展历程我国惯导的发展历程 我国从“六五”开始，原国防科工委就把惯性技术纳人预先研究和应用发展中。经过多年的建设，已经形成一定规模的研发与生产能力。建成了比较现代化的中心实验室。拥有一批惯性技术研究与生产队伍，已经

8、研制出了种类丰富的有自主知识产权的惯性导航系统。在人造地球卫星、运载火箭、飞机、舰艇上都采用了我国自主研制的惯性导航系统。虽然我们进步不小，但像惯 导这样的高技术产品，我们与国外的差距有十年左右。美国九十年代就开始淘汰挠性陀螺惯导系统，我们现在还在大量使用。国外的激光陀螺技术已经实用，尤其是美国，现役的飞机几乎全部装备或者正在换装激光陀螺惯导系统，而我们到这一步还得几年时间。电子信息工程学院123 3 惯性导航系统的发展方向惯性导航系统的发展方向 惯性导航系统的设计和发展须要考虑权衡的主要因素： 1)必须针对并满足应用的需求。其中导航性能和价格成本是首要的两个特性指标。价格成本包含系统自身成本

9、、维护成本和使用寿命。因此对于很多导航应用，合理的价格仍然被置于应用要求的最前面。导航性能包括：导航的精确性、连续性、完整性、易用性。易用性是指系统易于使用和维护、系统的自主性等。 2)实际的应用环境是最大的挑战。系统的体积、功耗、可靠性和可用性会关系到惯性导航系统能否在具体的应用环境中被采用。电子信息工程学院133)提高惯性导航系统的通用性，拓展应用领域。惯性导航系统发展和技术进步呈现以下特点： (1)在无法接收GNSS信号或需要高度导航可靠性的应用场合。高性能的自主INS仍具有不可替代的作用。(2)GNSS技术的快速发展和进步将取代部分传统的INS应用领域。 (3)INS与其他多种导航手段

10、组合。尤其是GNSSINS组合导航系统。受到普遍关注 (4)地面车辆导航等民用市场发展迅速，价格低廉的一体化、小型化、多模式组合导航设备成为市场发展的三个重要方向，这既是惯性导航系统发展的机遇，也是挑战。电子信息工程学院141.1.惯性导航系统功能惯性导航系统功能 自动测量飞机各种导航参数及飞机控制参数，供自动测量飞机各种导航参数及飞机控制参数，供飞行员使用与飞机其他控制系统相配合完成对飞机的飞行员使用与飞机其他控制系统相配合完成对飞机的控制。控制。2.2.基本导航参数基本导航参数 即时位置，地速，航向角，航迹角，航迹误差，即时位置，地速，航向角，航迹角，航迹误差，偏流角，风速、风向，待飞时间

11、、待飞距离，飞机姿偏流角，风速、风向，待飞时间、待飞距离，飞机姿态角、角速率态角、角速率5.2 5.2 惯性导航系统基本功能惯性导航系统基本功能电子信息工程学院15基本导航参数基本导航参数电子信息工程学院16惯导系统与飞机其它系统的连接电子信息工程学院175.3 5.3 惯性导航系统基本组成和简要原理惯性导航系统基本组成和简要原理 1.1.基本组成基本组成1 1）惯导组件（）惯导组件（INUINU）包括传感器、平台、导航计算机进行导航数据计算）包括传感器、平台、导航计算机进行导航数据计算2 2）控制显示组件（）控制显示组件（CDUCDU）包括导航参数显示、初始数据的引入、系统实验、）包括导航参

12、数显示、初始数据的引入、系统实验、故障显示和告警故障显示和告警3 3）方式选择组件（）方式选择组件（MSUMSU）主要用来控制系统的工作状态。）主要用来控制系统的工作状态。4 4）备用电池组件（）备用电池组件（BUBU）包括交流电源失效时，作为备用电源）包括交流电源失效时，作为备用电源电子信息工程学院182.2.惯性导航系统简要原理惯性导航系统简要原理0000ytyyxtxxVdtaVVdtaV 假设飞机在一个平面上飞假设飞机在一个平面上飞行，建立平台使行，建立平台使y y轴始终指北，轴始终指北，x x轴始终指东。沿轴始终指东。沿x yx y轴分别放轴分别放置加速度计，测出两个轴的加置加速度计，测出两个轴的加速度，则可得到飞机的速度和速度，则可得到飞机的速度和位置，即位置，即0000ytyyxtxxVdtaVVdtaV0000ydtVyxdtVxtytx电子信息工程学院190000ytyyxtxxVdtaVVdtaV0000ydtVyxdtVxtytx电子信息工程学院20用经、纬度表示的简化惯导系统方框图用经、纬度表示的简化惯导系统方框图电子信息工程学院213.3.实现惯导要解决的几个问题实现惯导要解决的几个问题1)1)平台跟踪的坐标系平台跟踪的坐标系平