机载电子设备课件-5第五章1new

第五章惯性导航系统2010.11.012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(InertialNavigation)：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。41.概论(2)惯性导航的意义惯性导航可以在一个完全与外界条件以及电磁环境隔绝的假想“封闭”空间内实现精确导航。这在军事上很有价值，因为惯性导航可以不受气候和电子干扰。重要军事应用：导弹、军用飞机的制导或导航。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。91.概述(6)对于飞机，加速度是空间向量，为此需要在飞机上建立三维空间正交坐标系，然后按飞机沿三个坐标轴方向给出初始条件，测出运动加速度，以便进一步推出飞机在任何时刻的速度向量以及空间位置。计算速度的方法是用加速度对时间进行积分，加上初始速度值求得；计算位置的方法是用速度对时间进行积分，加上初始位置值求得。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。112.参考坐标系机体坐标系地心惯性坐标系地球坐标系当地地理坐标系陀螺稳定平台坐标系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13飞机运动自由度的六参数（线位移和角运动）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192.2地球坐标系(1)地心地球固连（ECEF）坐标系——直角坐标系测地（大地）坐标系——球面坐标系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。222.2地球坐标系(3)测地坐标系：基于标准(椭球)地球模型，将ECEF坐标转换为以经度、纬度和高度（高程）的测地参数

表示。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。

(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)252.5陀螺稳定平台坐标系陀螺稳定平台坐标系：原点取在平台上，平面在平台内，轴垂直于平台，指向上方。坐标系与台体固连。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，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293.惯性导航基本原理(3)沿和轴方向安装两个加速度计，测得的加速度分别为飞机加速度的（地理）东向分量和北向分量和，由此可算出飞机的两个地速分量和，即

其中，和为飞机沿东向和北向的初始速度分量。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，为飞机沿当地地垂线方向的加速度（即垂直加速度），