AV全程-第十七章惯性导航系统

第十七章惯性导航系统2003年3月17.1惯性导航系统—概述功用——测量飞机的位置、地速、航迹、风、姿态、航向等导航参数。人工引导/或利用A/P控制飞机的运动轨迹。分类——1导航仪表——2无线电导航系统——受气候及环境干扰3天文导航系统——利用光学仪器，跟踪测量星体高度角及方位，以计算出航星体在地球上的位置和航向，但也受云层及气象条件的限制。4卫星导航系统——导航为向严格地控制在预定轨道上运行。利用装载飞机上的无线电设备测出飞机与卫星之间的相对速度和位置，从而计算出飞机在地球上的位置等参数。IRS概述（续）5惯性导航——利用牛顿力学定律测出飞机运动加速度，经积分运算得出运动速度和位移量，进而计算出地速，位置等导航参数。因为加速度计需安装在陀螺稳定平台上，因此平台可以输出飞机的姿态和航向。加速度计和陀螺都是测量相对惯性空间的运动参数，它们都是惯性元件，都是利用惯性效应去敏感相对惯性空间的运动参数。所以叫“惯性导航系统”。IRS概述（续）惯导不依赖任何外界信息来测量导航参数，因此不受天气或人为的干扰，具有很好的隐蔽性，是一种完全自由式导航系统。IRS概述（续）主要缺点是定位误差随时间而积累，长时间工作会产生超出允许范围的积累误差。此外，陀螺、加速度计、计算机的精度要求高。6综合导航系统——为了提高定位精度和性能，将两种以上的导航系统组合为“组合导航系统”利用各自的优点，尽量避开各自的缺点，起到优势互补的作用。IRS概述（续）惯性导航系统的功用和分类：根据牛顿定律，利用一组加速度计连续地测量，从中取出飞机相对某一导航坐标系（人工建立的陀螺平台或计算机的“数学平台”）的加速度信息，通过计算输出飞机相对导航坐标系的导航参数。平台是惯性导航系统必须解决以下几个问题：•1必须采用一组高精度的加速度计；•2必须利用一组高性能的陀螺仪来模拟一个稳定的导航坐标系；•3必须有效地将飞机的运动加速度和重力加速度分开，并消除其他有害加速度；•4必须建立精密的计算和补偿网络。•捷联式惯导将惯性元件直接安装在飞机上，省去了平台，有计算机的“数学平台”所代替。需要机体坐标系到导航坐标系的转换计算。坐标系1惯性坐标系——地球中心为原点，即地球中心惯性坐标系。一轴沿地球自转轴方向，另两轴在赤道平面内。坐标不随地球转动，坐标系•2地球坐标系——地球中心为原点，相对地球不旋转（oxyz），ox为赤道平面与本初子午线（指向格林威治经线），ox沿地轴指向北极（与地轴重合）。y与其构成右手坐标系，指向东经90º方向。固联于地球，与地球一起转动。•3地理坐标系――原点在地球重心或地球表面上某点，ox指东oy指北，oz垂直当地平面指向天。坐标系•4机体坐标系――原点在飞机重心，ox沿飞机横轴指向右，oy沿飞机纵轴指向前，oz沿飞机立轴指向上，固联于飞机。•平台坐标系――oxyz，原点在飞机重心，ox、oy两轴总在水平面内且互相垂直，oz垂直水平面，指向天。平台坐标系可以与地理坐标系重合，也可以在水平面内与地理坐标系成一定夹角，成为流动方位坐标系。陀螺稳定平台•陀螺稳定平台定义――利用陀螺特性，直接或间接地使某一物体（平台――稳定器）相对地球或惯性空间保持给定位置，或按给定规律改变起始位置的一种陀螺装置。•陀螺稳定平台的特点――能承受较大干扰负荷力矩，而又能较精确的输出测量角。陀螺稳定平台（稳定器）的分类――1按稳定轴数分：单轴，双轴，三轴，2按稳定原理分：直接陀螺稳定器、动力陀螺稳定器、间接陀螺稳定器。单轴陀螺稳定器基本工作原理—直接陀螺稳定器•1、外框轴有干扰力矩作用时，陀螺绕内框轴进动，同时产生陀螺力矩，与干扰力矩方向相反，抵搞干扰力矩，起到平衡干扰力矩的作用，保持被稳定对象在惯性空间内角位置不变。直接陀螺稳定器•缺点：1长时间受到方向不变的干扰力矩时，陀螺将失去稳定性。•2干扰力矩M全靠陀螺力矩L去抵消（L＝Hω=M），所以要求H大，即J大，大，即增大转子半径和质量（有一定限度），故体积大，重量大。单轴陀螺稳定器基本工作原理—动力陀螺稳定器2.动力陀螺稳定器-利用陀螺力矩L和稳定系统的电机M共同抵消干扰力矩.右图中,陀螺有两个自由度,把平台看作外框,则平台轴就是外框轴,即三自由度。设干扰力矩作用在平台轴上，陀螺绕内框轴进动动力陀螺稳定器（续）①产生陀螺力矩②内框轴进动③角信号放大稳定电机，产生电机力矩M，而且M与L方向相同，与M方向相反，共同抵消干扰力矩M，故有很高的抗干扰能力。但，陀螺内框轴有干扰力矩时，整个陀螺和平台一起绕平台轴进动（视为三自由度陀螺），平台轴的漂移误差ω=M/H。故提高动力陀螺稳定器的稳定精度，必须尽量减少陀螺内框轴上的干扰力矩（液浮陀螺……）。当需要稳定轴（平台轴）按某一规律相对惯性空间运动时，则在内框轴上加“修正力矩”来实现。动力陀螺稳定器（续）右图为三自由度陀螺组成的动力陀螺稳定器，稳定陀螺的外框轴，也就稳定了“稳定对象”。积分陀螺仪单轴陀螺稳定器基本工作原理—间接陀螺稳定器间接陀螺稳定器-只由稳定系统的稳定力矩（电机力矩）平衡干扰力矩。与动力陀螺稳定器的区别是，陀螺只是感受干扰力矩的敏感元件，不起稳定作用，只由稳定电机抵消干扰力矩。当平台稳定轴有干扰力矩时，平台周6转动，而三自由度陀螺稳定不动，则平台轴相对陀螺外框轴偏转一个角度，产生电信号放大电机产生稳定力矩平衡干扰力矩。但，陀螺内框轴上有干扰力矩时，会引起平台轴（稳定轴）漂移（转动）误差。故需要高精度陀螺仪（抗干扰陀螺仪，液浮陀螺等）。二．双轴陀螺稳定平台（中心垂直陀螺仪）中心垂直陀螺仪•⑴．平台轴横向安装（平台的横向稳定轴），也是真实俯仰角的测量轴。•平台的外框轴纵向安装（平台的纵向稳定轴），也是真实倾斜角的测量角。•⑵．两个二自由度陀螺，上陀螺内框轴与平台外框轴相垂直；下陀螺内框轴与平台轴（横轴）相垂直。两陀螺H大小相等，方向相反。陀螺内框轴相对平台转角范围限制在±5º内。•⑶．两套动力稳定系统，两套液体摆水平修正系统，两套起动系统（加快平台的起动过程）•稳定系统工作原理-上陀螺进动角传感器Ⅰ和纵向稳定电机组成纵向稳定系统。•下陀螺进动角传感器Ⅱ和横向稳定电机组成横向稳定系统。中心垂直陀螺仪中心垂直陀螺仪稳定电机是两相感应电机，有两个控制绕组①起动绕组②稳定绕组稳定绕组接收进动角传感器的信号，产生稳定力矩；起动绕组受起动系统控制，产生起动力矩（±2º）修正系统-由于地球自转，飞机进动，平台横轴偏离当地水平面，液体摆电路控制下陀螺的纵向修正电机产生修正力矩下陀螺进动传感器Ⅱ信号加到横向稳定电机，使平台恢复水平；平台外框轴相对水平面偏离时，纵向液体摆电路控制上陀螺的横向修正电机，从而控制纵向稳定电机。共同作用下，保持平台与当地水平面一致。起动工作原理：起动工作原理：•注意：当一个稳定轴有干扰力矩时，另一个稳定轴也转动（交叉影响）。设M作用在平台纵轴上外框轴（纵轴）有一较小的角运动，由于下陀螺保持稳定不动，故传感器Ⅱ相对平台转动，输出角信号横向稳定电机产生力矩平台轴转动。同理，M作用在平台横轴上，其纵轴也会转动，形成平台的章动，是两轴交叉影响的结果。三．三轴陀螺稳定平台•具有三个稳定轴，三套稳定系统，两套水平修正系统，一套方位修正系统（即在双轴陀螺稳定平台基础上，增加了一套方位稳定系统和方位修正系统）•基本组成：三个二自由度陀螺，陀螺Ⅰ和陀螺Ⅱ的内框轴垂直与平台台面，两个自转轴互相垂直，陀螺Ⅲ的内框轴平行与台面，三个自转轴都平行与平台台面。三轴陀螺稳定平台（续）•纵向稳定轴（平台外框轴）；•横向稳定轴（平台内框轴）；•方位稳定轴（平台转轴）•陀螺Ⅰ-进动角传感器、稳定信号分配器、放大器、纵向稳定电动机，组成纵向稳定系统；•陀螺Ⅱ-进动角传感器、稳定信号分配器、放大器、横向稳定电机组成横向稳定系统；•陀螺Ⅲ-进动角传感器、放大器、方位稳定电机组成方位稳定系统。•平台上的液体电门、陀螺Ⅰ和Ⅱ上的修正电机组成水平袖珍系统，使平台保持水平。•三个稳定轴分别装有倾斜、俯仰、方位角传感器，输出姿态和航向信号。•平台水平稳定和修正原理与双轴陀螺稳定平台相同。当方位稳定轴受到干扰力矩M时，陀螺Ⅲ进动进动角传感器输出信号放大方位稳定电机产生稳定力矩M平衡干扰力矩M。为什么Ⅰ、Ⅱ稳定信号需要分配？怎么样分配？•①分配原因-平台方位保持不变（稳定），但飞机（平台基座）航向变化，两者产生相对角位移使得陀螺Ⅰ、陀螺Ⅱ与纵向稳定电机和横向稳定电机对应关系发生了变化，必须对稳定信号随航向变化而重新分配。设航向0°时，陀螺Ⅰ感受纵向轴的干扰力矩，产生纵向稳定电机力矩；陀螺Ⅱ感受横向轴的干扰力矩，产生横向稳定电机力矩。•航向90°时，平台方位不变，陀螺Ⅰ、陀螺Ⅱ的自转轴方向也不变；而纵/横向稳定电机随飞机转过90°，陀螺与稳定电机不再相对应。变成了陀螺Ⅰ感受横向轴的干扰力矩，但信号控制纵向稳定电机：理，陀螺Ⅱ也交错了。失去了稳定能力。•航向为45°时，设横向轴有干扰力矩M，陀螺Ⅰ感受的干扰力矩按Msin45°规律变化，陀螺Ⅱ感受的干扰力矩按Mcos45°规律变化。但，干扰力矩只在横轴上，即只能横向稳定电机产生稳定力矩，需要把Mcosψ和Msinψ信号综合，加到横向稳定电机上，（这是分配原则）2怎样分配？纵向稳定电机接收陀螺Ⅰ的Mcosψ和陀螺Ⅱ的Msinψ信号。横向稳定电机接收陀螺Ⅰ的Msinψ和陀螺Ⅱ的Mcosψ信号。信号分配器是一个旋转变压器，即正弦余弦解算器。旋转变压器的两个转子（cosψ和sinψ转子）装在方位轴上，保持方位不变，绕组Ⅰ接收陀螺Ⅰ的信号，绕组Ⅱ接收陀螺Ⅱ的信号，两绕组互相垂直。旋转变压器的两个定子绕组相互垂直，固定在平台的内框上，随飞机航向而转动，故定子绕组Ⅲ接收陀螺Ⅰ的Mcosψ和陀螺Ⅱ的Msinψ信号，加到纵向稳定电机。定子绕组Ⅳ接收陀螺Ⅱ的Msinψ信号，加到横向稳定电机。符合分配原则。四．舒拉摆原理和积分修正法：•惯导系统中，要求平台精度在几角秒数量级之内，必须采取有效措施，保证在有害加速度干扰时，平台不产生倾斜误差，即使平台的法线始终跟踪地垂线。使平台摆动周期满足舒拉摆周期。•舒拉摆-设地球不动，飞机沿子午面运动，在飞机上悬挂一个物理摆，飞机以加速度a沿大园飞行。由于加速度a原因，摆会偏离地垂线α角。积分修正法•上图中，A点时，平台在当地水平面内，经t至B点，为使平台在B点也处在水平面内，平台必须作两种运动：平动和转动。需要两种运动回路组成的单轴稳定器。•由A至B，地垂线变化角为α，相应的角加速度•==a/R•a-加速度计测得的飞机纵向加速度。•经二次积分，α=∫∫dtdt•加速度信号为u=ka,设向北飞行，一次积分得V成正比的电信号，计算V/R转动角速度，加给陀螺力矩器二自由度积分陀螺强迫进动，角传感器输出信号控制稳定电机，使平台转动α，使平台稳定在当地水平面上积分修正法积分修正法•设单轴稳定器，包括二自由度陀螺仪、信号器、力矩器、稳定电机、平台及稳定轴等，并在平台上沿平台轴置一个线加速度计A、积分器、除法器等。测量轴向加速度（纵向加速度）。积分修正法17.3惯导元件—挠性陀螺仪•弹性支承的三自由度转子陀螺。它由磁滞马达、驱动轴、挠性接头、陀螺转子、信号器、力矩器和壳体等组成。•磁滞马达带动驱动轴经过挠性接头使转子高速旋转。挠性陀螺仪•挠性接头沿转子轴线方向具有高刚度和高强度；而转子轴线相垂直的两正交进动轴，则轴子的弹性约束力矩极低，所以高速旋转的转子就成了相对惯性空间具有高度定轴性的自由转子。两对信号器分别测量转子绕两个正交进动轴的角位移，并有两对力矩器沿两个测量轴十佳必要的修正力矩，便是用于惯导的三自由度转子陀螺。①磁力补偿挠性陀螺；②动力调谐式挠性陀螺；都是消除挠性接头的弹性力矩对陀螺的影响。液浮陀螺仪•液浮陀螺仪主要有二自由度浮子积分陀螺仪和三自由度液浮陀螺仪液浮陀螺仪•二自由度积分陀螺仪为保证内框轴转角β很小，采取①减小H，Ω；②KD很大；③陀螺封装在一个圆柱形浮桶内，浮桶用宝石轴承支撑在壳体上，浮子与壳体之间充有比重较大的氟化物液体。•浮子内充有密度较小，传