机载电子设备-第六章-惯性导航系统1课件

1、第五章 惯性导航系统2012 . 112主要内容概论参考坐标系惯性导航基本原理加速度计平台式惯性导航系统捷联式惯性导航系统惯性导航系统的误差与初始对准惯性导航技术进展31. 概述(1)导航：指引飞机到达目的地的过程。导航系统两大分类自主式导航系统：不需要与地面导航设备配合而能独立工作，如惯性导航系统；非自主式导航系统：必须与地面导航设备配合工作，如无线电导航系统。惯性导航(Inertial Navigation)：一种自主式导航，通过测量飞机加速度（惯性），并自动积分运算，以获得飞机的即时速度和即时位置数据。51. 概述(3)惯性导航系统可提供多达35个导航参数，主要包括：即时经度和纬度，飞机

2、地速、航迹角，飞机的姿态角、航向角及角速度，沿给定坐标轴的三个线加速度，垂直（升降）速度，惯性高度等。61. 概述(4)惯性导航系统能够提供完整的导航参数和姿态参数（唯一可以直接测量飞机姿态参数的导航系统）。不依赖地面设施（不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量），不受地形和气候条件的限制，也不受无线电干扰的影响。在系统完成校准后，定位精度高，可以在全球范围内全天候工作。71. 概述(5)惯性导航系统必须给定运动的初始条件，使用前自校准的时间长，使用中随时间的增长产生累积误差，在一定时间后，需要进行修正。81. 概述(5)惯性导航的理论基础：牛顿第二定律（论述了物体的加速度、质量和所受作用力

3、三者之间的关系） 物体受外力作用时，会沿外力方向产生加速度，其大小与外力成正比，与物体的质量成反比；在这种情况下，如果已知物体的初始位置、初始速度和运动过程的加速度，即可推算出物体在任何时刻的速度及其位置。101. 概述(7) 其中，a ， v和S为飞机的加速度、速度和飞行距离； 为初始速度和初始位置。12纵轴：飞行方向及飞机推力和阻力作用方向横轴：飞机测滑或横向力作用方向垂直轴：飞机升力和重力作用方向 机体坐标系垂直轴Y纵轴X横轴Z上升下降侧滑向前偏航俯仰横滚142.1 机体坐标系机体坐标系 ：原点取在飞机的重心，三轴与飞机固连，随飞机一起运动，坐标系的方位代表飞机在空间的姿态。 轴位于飞机

4、的对称平面内，与机身纵轴线一致，指向前方； 轴也位于对称平面内且垂直于 轴，指向上方； 轴与 和 轴构成右手坐标系。15ECI坐标系地球质心春分点162.2 地心惯性(ECI)坐标系 (1)ECI坐标系 ：原点取在地球质心， 平面取为与地球的赤道面重合， 轴指向相对于天球永远固定的方向（如春分点）， 轴取与 平面垂直而指向北极的方向， 轴与 和 轴构成右手坐标系。 ECI坐标系不随地球转动，可近似看作固定于惯性空间，是惯性测量元件（陀螺、加速度计）的参考基准。 172.2 地心惯性(ECI)坐标系 (2)天球：假想的圆球，其半径视为无限大，而地球处于天球中央。把地球自转轴延伸到天球上的位置，即

5、为天球的北极和南极。把地球的赤道伸延到天球上的位置，即为天球赤道。 春分点：黄道（太阳在天球上的周年视运动轨迹）自西向东从赤道以南穿到赤道以北的交点。18天球20ECEF坐标系与ECI坐标系212.2 地球坐标系(2)ECEF坐标系 ：原点取在地球质心， 轴与地球自转轴重合， 轴指向本初子午面与赤道平面交线（即0经度方向）， 轴与 和 轴构成右手坐标系。 ECEF坐标系与地球固连，随地球一起转动。232.4 当地地理坐标系当地地理坐标系 ：原点取在飞机重心， 轴沿当地纬线切线指向东(E)， 轴沿当地经线切线指向北(N)， 和 轴在当地水平面内， 轴垂直于 平面，指向天（上） ，即地垂线方向。

6、(当地)地理坐标系随飞机一起运动，但无论飞机如何运动，地理坐标系坐标轴指向不变。 24当地地理坐标系(地平坐标系)263. 惯性导航基本原理(1)惯性导航的根本问题是确定飞机相对地球的即时位置。惯导系统的基本原理是基于对载体加速度的测量，将加速度进行一次积分得到载体的速度，再做一次积分得到载体相对地球的位置（即纬度/经度/高度）。惯导系统的平台坐标系模拟所选定的导航坐标系，然后根据导航坐标系与地球坐标系的关系，建立导航参数的计算方程，再由计算机按方程解算导航参数。273. 惯性导航基本原理(2)若选取当地地理坐标系为导航坐标系，即以惯导系统的平台坐标系模拟当地地理坐标系。假设飞机沿地球表面飞行

7、，假设地球为理想球体，且不考虑地球的转动运动（包括自转和公转）。平台内的两个轴始终保持与当地水平面平行，并使 轴指向东， 轴指向北。 28平台坐标系与地球坐标系303. 惯性导航基本原理(4)如果获知飞机地速的东向和北向分量 和 ，即可确定飞行引起的当地地理坐标系绕北向和东向相对地球坐标系的转动角速度，即经度和纬度的变化率： 其中，R为地球半径。313. 惯性导航基本原理(5)进一步可求出飞机相对地球坐标系的位置，即飞机所在的经度和纬度： 其中， 为飞机初始位置的经度和纬度。32惯导系统原理示意图333. 惯性导航基本原理(6)如果需要垂直导航参数，则垂直速度和飞行高度的计算方法类同，即 其中

8、， 为飞机沿当地地垂线方向的加速度（即垂直加速度）， 为飞机的初始垂直加速度， 为飞机初始飞行高度。343. 惯性导航基本原理(7)平台式惯导系统的基本组成： (1) 加速度计 (2) 陀螺稳定平台：包括陀螺仪、平台和稳定回路，用于模拟导航坐标系。 (3) 导航计算机 (4) 控制显示组件353. 惯性导航基本原理(8)惯导系统的基本组成363.1当地地理坐标系的绝对角速度(1)牵连角速度：是由地球相对惯性坐标系运动形成的。相对角速度：是由飞机相对于地球运动而形成的；373.1当地地理坐标系的绝对角速度(2)以飞机水平飞行为例讨论：设飞机所在地的纬度为，飞行高度为h，飞行速度为v，航向角为。把v分解为沿地理北向和地理东向两个分量：383.1当地地理坐标系的绝对角速度(3)飞行速度北向分量vN引起地理坐标系绕平行与地理东西方向的地心轴转动，其转动角速度为：飞行速度东向分量vE引起地理坐标系绕地轴转动，其转动角速度为：飞行速度引起地理坐标系转动将和 平移到地理坐标系的原点，并投影到地理坐标系，可得：上式表明，飞机飞行速度将引起地理坐标系绕地理东向、北向和垂线方向相对地球坐标系移动。3.1当地地理坐标系的绝对角速度(4)地球自传角速度在