第1章 概述 惯性导航

2020/1/19惯性导航原理中国民航大学电子信息工程学院崔铭电子信息工程学院21.2常见的导航系统1.1导航的基本概念1.3基础知识1.4惯导技术的发展电子信息工程学院31.1导航的基本概念导航（Navigation）：引导载体达到预定目的地的过程。载体包括车辆、舰船、飞机、导弹、宇宙飞行器等。制导（guidance）：根据导航系统提供的数据，由控制系统来自动引导载体到达目的地。第一章概述电子信息工程学院41.2常见的导航系统陆标导航：根据固定标志物（如灯塔、建筑物等）的位置坐标及其相对载体的距离方位关系确定载体位置。缺点：受地形气候条件限制。无线电导航：利用无线电技术测量导航参数的系统，如VOR、DME等。缺点：精度受电磁环境影响。卫星导航系统：利用专用于导航的人造地球卫星来实现，如GPS、北斗等。缺点同上。天文导航系统：最早由航海方面发展而来，利用光学仪器(如六分仪)人工观测星体高度角，进而确定航行体的位置。缺点：受气候条件影响，精度低。电子信息工程学院5惯性导航系统：利用惯性敏感元件(陀螺仪、加速度计)测量载体相对惯性空间的线运动和角运动参数，在给定的初始条件下，输出载体的姿态参数和导航定位参数。优点：（1）依靠自身测量的载体运动加速度信息来连续推算载体速度和位置，不需要接收外部信息，不受外界干扰，是一种自主式导航系统；工作时不向外辐射能量，隐蔽性好；确定载体位置同时还能测量载体姿态角。电子信息工程学院6不足：惯导系统确定载体位置是由加速度计测得的加速度经二次积分获得，本质上是一种推算定位法，误差随时间积累，长时间工作，误差会超出允许范围，需用其它信息进行重调和校正；要制造高精度的惯导系统，必须要求惯性元件有高精度，对制造工艺、装配工艺要求严格，系统成本高。电子信息工程学院7组合导航系统：上述几种类型的导航系统各有优缺点。为了提高导航系统的定位精度和性能，往往将上述两种以上的导航系统组合成为组合式导航系统。航空导航仪表：导航仪表单独测出飞机的一些参数，如磁航向、空速、高度等，供给飞行员操纵飞机完成导航任务。电子信息工程学院81.什么是惯性空间这些旋转的角速度都太小，以致于惯性器件无法敏感到，因此可以忽略。地球自转惯性空间是符合牛顿力学定律的空间，即是绝对静止或只做匀速直线运动的空间惯性空间相对空间1.3基础知识银河系旋转太阳系相对银河系旋转地球相对太阳旋转电子信息工程学院9在经典力学中，牛顿的三条定律是惯性导航的力学基础。它揭示了惯性空间中物体的运动和受力之间的基本关系：（1）若物体不受力或所受合力为零，则物体保持静止或匀速直线运动；（2）若物体受到的合力为F，则该物体将以加速度a相对惯性空间运动：，m为物体质量；（3）物体间的相互作用力，大小相等，方向相反。maF电子信息工程学院10（1）加速度计的可测量运动物体的加速度。（2）惯性导航是以测量运动体的加速度为基础的导航定位方法。测量的加速度，经过一次积分可以得到运动速度，经过二次积分可以得到运动距离，从而给出运动体的瞬时速度和位置数据。他们三者间的关系表示为：2.加速度、速度和航程之间的关系电子信息工程学院11式中：a表示运动体的加速度；V表示运动体的速度；S表示运动的移动距离。ttttadttVSVdtSSadtVVdtsddtdVa02000000022电子信息工程学院12从以上看出，沿直线运动的载体，只要借助加速度计测出它的加速度，载体任何时刻的速度和相对出发点的距离就可实时计算。这种不依赖外界信息，只靠对载体本身的惯性测量来完成导航任务的技术称作惯性导航，也称自主式导航。电子信息工程学院131.4惯性导航技术的发展1.惯性导航技术涉及多学科（机电、光学、数学、力学、控制及计算机等学科）的高新尖端技术，是现代武器系统中的一项基本支撑技术，是在先进科学理论和制造工艺支持条件下发展起来的。只有少数国家有能力研制惯性技术产品。我国惯性技术在自力更生基础上，发展至今已具有一定规模。电子信息工程学院14在我国的航空、航天、航海和陆地车辆的导航和定位中得到了广泛的应用。惯性技术还在以下国民经济领域里获得了成功的应用：大地测量、海洋勘探、石油钻井、航空测量、摄影等电子信息工程学院152.理论基础：1）1687年牛顿提出了力学三大定律和引力定律，为惯性导航奠定了理论基础；2）1765年俄国欧拉院士出版了著作《刚体绕定点运动的理论》，首次利用解析方法对定点转动刚体作了本质解释，创立了陀螺仪理论的基础1778年法国拉格朗日在《分析力学》中建立了在重力力矩作用下定点转动刚体的运动微分方程组；电子信息工程学院163）1852年法国科学家傅科根据上述理论发现了陀螺效应，观察到了地球自转，并首先使用“Gyro”(Gyroscope－转动＋观察)这个名词，开创了人们对工程实用陀螺的研究和开发；4）1923年，舒勒发表了论文《运载工具的加速度对于摆和陀螺仪的干扰》，提出了84.4分的无干扰理论，为惯性技术的发展起到了关键的理论指导作用，陀螺仪的设计开始完善；电子信息工程学院17电子信息工程学院18电子信息工程学院19法国国葬院电子信息工程学院20电子信息工程学院21电子信息工程学院22北京天文台的傅科摆电子信息工程学院235）1939年，苏联－布尔佳科夫通讯院士出版的：“陀螺仪实用理论”一书，认为是陀螺仪实用理论的奠基性的著作。6）1949年，J.H.Laning,Jr.发表名为“Thevectoranalysisoffiniterotationsandangles”的报告，建立了捷联式惯性导航的理论基础；电子信息工程学院243.现代发展7）1920年前后，出现了供飞机使用的转弯速率指示器、人工水平仪和方位陀螺；8）二战期间，德国的V2火箭用两个二自由度陀螺和一个加速度计构成惯性制导系统，这是惯性技术在导弹制导上的首次应用。但由于惯性器件精度低，设计粗糙，无法实现舒拉调谐要求，因此在轰炸伦敦的过程中，1/4的V2火箭提前掉入大海。电子信息工程学院25电子信息工程学院269）1949年，美国将纯惯性导航系统试验安装到一架B-29远程轰炸机上，首次实现了横贯美国大陆的全自动飞行，自主飞行时间长达10小时。10）1958年，美国海军“鹦鹉螺”号核潜艇，从珍珠港附近出发，穿越北极冰层，历时21天到达英国波特兰港。装备液浮陀螺平台惯性导航系统，定位误差仅为20海里，震惊了世界。电子信息工程学院27电子信息工程学院2811）20世纪70年代，美国利顿(Liton)公司的LTN系列惯导系统，当时几乎占据了世界民航飞机标准惯导的全部订单。12）随着新概念测量原理的出现，新型惯性器件在不断发展，传统的转子陀螺在被新型陀螺（光学陀螺、微机械陀螺）逐步替代。电子信息工程学院2953103103电子信息工程学院304.惯导系统的精度第一代：40年代前，只有惯性仪表，如地平仪、罗经等，谈不上精度；第二代：40年代至70年代，惯性仪表从Ｖ-2火箭开始出现，并广泛使用。定位精度0.3-2nm／h，陀螺精度为0.3度/ｈ；第三代：正在研制并开始投入使用，希望定位精度比第二代提高二个数量级，陀螺精度为度／ｈ；第四代：从80年代开始研制，应用最新现代科学技术，预计定位精度小于１米。53103103电子信息工程学院31531031035.发展惯导技术的意义随着科学技术的迅速发展，出现了多种定位与导航方式和系统，惯导系统所具有的自主、隐蔽、完备导航的独特优点是其他导航系统无法比拟的。定位与导航技术正朝着多系统、多功能、高精度、高可靠性方向发展。定位与导航技术已经发展为集现代传感技术、计算机技术和现代控制理论为一体的综合型应用技术。定位与导航技术已成为衡量一个国家科学技术水平发展的重要标志之一。电子信息工程学院32电子信息工程学院33电子信息工程学院34电子信息工程学院35电子信息工程学院36电子信息工程学院37作业：1.导航的基本概念及常见的导航系统。2.惯性导航系统概念，及优点和缺点。3.惯性空间的概念，与相对空间的区分。