无人机结构与系统课件：惯性导航系统

1获得必要的导航要素：高度、速度、姿态、航向；（目标）给出满足精度要求的定位信息：经度、纬度；引导飞机按规定计划飞行；（路径指导）接收预定任务航线计划的装定、并对任务航线的执行进行动态管理；（路径计算）接收控制站的导航模式控制指令并执行；并具有指令导航模式与预定航线飞行模式相互切换的功能；具有接收并融合无人机其它设备的辅助导航定位信息的能力；配合其它系统完成各种任务。

导航系统（沿3轴，位置回路、外回路）

导航子系统功能：向无人机提供相对于所选定的参考坐标系的位置、速度、飞行姿态，引导无人机沿指定航线安全、准时、准确的飞行。因此导航子系统之于无人机相当于领航员之于有人机。早期采用导航仪；1954年，无人机上才采用惯性导航系统；1956年，中国开始研制惯性导航系统；60年代，开始采用惯性导航、多普勒导航、无线电导航等；70年代发展起来的全球卫星导航系统，具有全球性、高精度及实时三维导航测速能力，是导航技术的新突破，它和惯性组合的导航系统是最理想的导航系统。因此，本文重点介绍惯性导航系统、全球卫星导航系统及常用的组合导航系统。3

惯性导航系统（INS—InertialNavigationSystem，以下简称惯导）是一种不依赖于外部信息，只依据运动载体本身的惯性测量（加速度）来完成导航任务的技术，也称为自主式导航系统。

惯性导航系统惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，测量运动载体的加速度后，经过一次积分可以得到运动速度，经过二次积分得到运动距离，从而给出运动载体的瞬时速度和位置参数。位移x：振动物体离开平衡位置的位移。速度v：振动物体位移的变化率。加速度a：物体振动速度的变化率。这三者之间数学关系是：（1）优点：这种完全依靠机载设备自主地完成导航任务，与外界不发生任何光、电联系。因此，隐蔽性好、工作不受气象条件的限制（可全天候、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下）、导航信息连续性好而且噪声低、数据更新率高、短期精度和稳定性好等优点，使其成为航空、航天和航海领城中的一种广泛使用的主要导航方法。②缺点：由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；每次使用之前需要较长的初始对准时间；设备的价格较昂贵；不能给出时间信息。1.特点72.结构

（1）加速度计（2）惯导平台：模拟一个导航坐标系，把加速度计的测量轴稳定在导航坐标系上，并用模拟的方法给载体的姿态和方位信息。

（3）导航计算机

（4）控制显示器8从结构上来说，惯性导航系统可分为平台式和捷联式。（1）平台式惯性导航系统（GimbaledInertialNavigationSystem，简写GINS）：将陀螺仪和加速度等惯性元件通过万向支架角运动隔离系统与运动载物固连的惯性导航系统，其工作原理如下图。3.分类9结构组成：三轴陀螺稳定平台（包含陀螺仪）、加速度计、导航计算机、控制显示器等部分组成。优点：因为直接模拟导航坐标系，所以计算比较简单；因为能隔离载体的角运动，所以系统精度高。缺点：结构复杂、体积大和制作成本高。（1）平台式惯性导航系统10平台式惯导又分为半解析式、几何式和解析式。a.半解析式：又称当地水平惯导系统，系统有一个三轴稳定平台，台面始终平行当地水平面，方向指地理北（或其它方位）。指北方位惯导系统自由方位惯导系统游动方位惯导系统（1）平台式惯性导航系统11b.几何式：有两个平台，一个装有陀螺相对惯性空间稳定；另一个装有加速度计，跟踪地理坐标系。陀螺平台和加速度计平台间的几何关系可确定载体的经纬度，故称几何式惯导系统。主要用于船舶和潜艇的导航定位。精度较高，可长时间工作，计算量小，但平台结构复杂。c.解析式：陀螺和加速度计装于同一平台，平台相对惯性空间稳定。加速度计测量值包含重力分量，必须先消除重力加速度影响。求出的参数是相对惯性空间，需进一步计算转换为相对地球的参数。平台结构较简单，计算量较大，主要用于宇宙航行及弹道式导弹。（1）平台式惯性导航系统12Strap-downInertialNavigationSystem，简写为SINS：无稳定平台，加速度计和陀螺仪与载体直接相连。载体转动时，加速度计和陀螺仪的敏感轴指向也跟随转动；陀螺仪测量载体角运动，计算载体姿态角，从而确定加速度计敏感轴指向；再通过坐标变换，将加速度计输出的信号变换到导航坐标系上，进行导航计算，如图4-28所示。（2）捷联式惯导系统13优点：结构简单、体积小、重量轻、成本低、可靠性高、功能强、精度高以及使用灵活，使得SINS已经成为当今惯性导航系统发展的主流。缺点：惯性元件直接装在载体上，环境恶劣，对元件要求较高；另外，坐标变换中计算量大。（2）捷联式惯导系统这是哪种惯性导航系统？这又是哪种惯性导航系统？4.捷联式与平台式两个主要的区别（1）无惯性平台：陀螺仪和加速度计直接安装在飞行器上，使系统体积小、重量轻、成本低、维护方便。但陀螺仪和加速度计直接承受飞行器的振动、冲击和角运动，因而会产生附加的动态误差。这对陀螺仪和加速度计就有更高的要求。（2）坐标变换：这种系统需要进行坐标变换，而且必须进行实时计算，因而要求计算机具有很高的运算速度和较大的容量。5.导航用坐标系（1）地球坐标系（简称e系）：原点为地球中心，z轴指向地球极轴，x轴通过零子午线。（2）载体坐际系（简称b系）：原点为载体重心，y轴指向载体纵轴方向，z轴指向载体竖轴方向。5.导航用坐标系（3）平台标标系（简称p系）：描述平台式惯导系统中平台指向的坐标系，它与平台固连。如果平台无误差，指向正确，则这样的平台坐标系称为理想平台坐标系。（4）导航坐标系（简称n系）：惯性系统在求解导航参数时所采用