三种平台式惯性惯导系统介绍

导航技术基础（8）教师：李胜E-mail：[e-mail]上节课主要内容平台式惯导系统*组成结构工作原理三种平台式惯导系统*位置解算速度解算指令角速度解算惯导系统的初始对准过程平台控制回路的性能指标惯导平台陀螺仪加速度计稳定回路导航计算机控制显示控制平台信息陀螺施矩信息加速度信息位置速度信息初始参数信息角速度信息指北方位惯导系统导航方程及其求解定义列矢量：将导航方程记为：可以采用四阶龙格-库塔算法或者四阶Adams预报-校正算法求解，可以得到运载体三维位置和三维速度的离散递推形式解；其中：Adams预报校正算法解算精度高，并且得到的解稳定，能够有效抑制计算误差发散；适合于长时间工作；3指北方位惯导系统平台指令角速率RM和RN分别代表运载体所处位置的子午曲率半径和卯酉曲率半径；H为运载体离开椭球体表面的高度；L为运载体的大地纬度；ωie为地球自转角速率；4指北方位惯导系统的优点由于稳定平台模拟当地地理坐标系，所以航向角、俯仰角、以及横滚角可以从平台环架轴上直接读取；各导航参数间的关系简单；导航方程解算简单计算量较小，对计算机系统要求低；系统在惯导系统发展初期计算机水平不高的年代是十分适合的选择方案；5指北方位惯导系统的主要问题不适合于高纬度区域飞行，当载体在纬度70~90度之间高纬度区域内飞行时，使平台在方位上跟踪地球被的指令角速度随纬度增大而急剧增大，这时要求陀螺力矩器接受很大的指令电流，这对陀螺力矩器和平台的工作都会造成很大的困难，因此指北方位系统不适合作全球导航用；6自由方位惯导系统这种系统在工作过程中，只是使平台OXp轴和OYp轴处于地平面内，而在方位上相对惯性空间稳定。平台模拟这样的坐标系，在载体航行过程中，方位陀螺的力矩器不加指令信号，即平台绕OZp轴没有控制指令。7自由方位惯导系统在初始时，平台对准在地理坐标系，在航行过程中由于地球自转和载体运动，自由方位平台的OYp轴将偏离正北轴OYt轴；偏离的角速度取决于纬度的高低和东西向速度的大小，与真北所形成的夹角为自由方位角。8自由方位惯导系统位置方程333231232221131211CCCCCCCCCCC—方向余弦矩阵910自由方位惯导系统速度方程的计算11自由方位惯导系统平台指令角速率ωie为地球自转角速率；12自由方位惯导系统的特点避免了高纬度地区对方位陀螺施矩的困难；计算量大，可能存在导航计算溢出的问题；可以通过格网坐标算法克服；13游动方位惯导系统这种系统是在自由方位惯导系统的基础上，只对方位陀螺Gz的力矩器施加与地球自转角速率有关的指令角速度；14游动方位惯导系统位置方程333231232221131211CCCCCCCCCCC—方向余弦矩阵15游动方位惯导系统方向余弦矩阵的计算16游动方位惯导系统速度方程的计算17游动方位惯导系统平台指令角速率ωie为地球自转角速率；18游动方位惯导系统程序编排19游动方位惯导系统的特点避免了高纬度地区对方位陀螺施矩的困难；相对于自由方位系统，计算量较小；目前水平式平台惯导系统的首选方案；LTN-72和国产平台式惯导系统都属于游动方位惯导系统20指北方位惯导系统的初始对准定义：惯导系统在进入导航工作状态之前，使惯导平台坐标系和理想平台坐标系重合的过程。目的：为加速度计提供测量基准；原因：初始实际平台坐标系与理想平台坐标系之间会存在很大偏差角，导致惯导系统无法进入正常工作；21平台式惯导系统的初始对准精度和时间由于存在元件误差和系统误差，初始对准只能做到实际平台坐标系和理想平台坐标系尽可能的重合。通常水平初始对准精度在10角秒左右；方位对准精度在2~5角分。对准时间应该尽可能的短，通常对准时间要求为几分钟和十几分钟。对准精度和对准时间之间往往是相互矛盾的，要根据实际情况进行调整。22平台式惯导系统的初始对准过程初始对准过程分为粗对准和精对准；粗对准要求尽快将平台调整到某一精度范围内，这时缩短调整时间是主要指标。精对准要求尽可能的提高系统的对准精度对准精度是精对准的主要指标；对准时先进行水平精对准，使平台精确处于当地水平面内，水平精对准完成后再进行方位精对准，使平台方位对准地理北向，以便使系统有较好的动态特性，23平台式惯导系统的粗对准粗对准包括平台锁定和模拟调平两部分；平台锁定是一种用机械方法快速拉平和定向过程。它利用平台各环架上的角度同步器进行平台锁定，使平台快速转到与载体坐标轴近似重合的位置。模拟调平是利用平台上的两个水平加速度计来敏感平台的水平偏离，通过稳定回路的帮助，使平台平面接近当地水平面。24平台式惯导系统平台的模拟调平平台的模拟调平工作由两个水平稳定回路完成。导航计算机不参加此工作；由北向加速度计和东向陀螺仪组成的水平稳定回路，用来进行俯仰环的调平；由东向加速度计和北向陀螺仪组成的水平稳定回路，用来进行内横滚环的调平；25模拟调平原理—俯仰环调平当俯仰环偏离水平面时，平台上的北向加速度计Ay将敏感到重力加速度g在OYp轴的投影：26模拟调平原理—俯仰环调平经前置放大后，以电流信号形式送至东向陀螺仪控制轴的力矩器T，使陀螺产生进动。陀螺进动使框架上的陀螺角信号器S有转角信号输出，转角信号经放大送到俯仰稳定电机，稳定力矩带动俯仰环向水平面运动，减小偏离角，直至俯仰环与水平面平行，北向加速度计无信号输出为止。27平台式惯导系统的精对准平台式惯导系统的精对准包括水平精对准和方位精对准；模拟调平后系统直接进入水平精对准，这时将方位陀螺锁定，水平精对准完成后再进行方位对准；水平精对准是通过水平对准回路将平台系的水平面调整到当地地理水平面；方位精对准是通过方位对准回路将平台系的OYp轴调整到地理正北方向；28平台控制回路的性能指标（一）闭环力矩刚度：干扰力矩与其所引起的平台偏角之比。它表示平台系统抵抗干扰力矩的能力。用S表示力矩刚度，则式中：Md为干扰力矩；为平台偏角。S(0)表示平台抵抗常值干扰力矩的能力，通常称为静态力矩刚度，静态力矩刚度一般在108gcm/rad数量级；29平台控制回路的性能指标（二）振荡度定义：平台系统的闭环幅频特性用表示，为谐振频率；为谐振峰值，也称为振荡度；振荡度是表示系统动态性能的指标，与时域设计中的超调量指标相对应；为了得到更好的系统动态性能，振荡度通常取1.1~1.5之间。30平台控制回路的性能指标（三）闭环通频带表示系统闭环通频带，即系统频带范围的宽窄，也反映系统对输入响应速度的快慢；31平台控制回路的性能指标的选取对一些低频干扰力矩，如载体姿态的变化弹性变形等因素引起的干扰力矩应有足够大的力矩刚度(108gcm/rad数量级)，使平台在上述干扰力矩作用下，有足够小的动态误差；对于一些高频干扰力矩，如发动机振动、电子系统的干扰，系统应具有很好的抑制作用。平台系统的通频带一般选在50~200Hz范围内，振荡度一般选择在1.1~1.5。32捷联惯性导航系统StrapdownInertialNavigationSystem把惯性仪表直接固联在载体上，用计算机来完成导航平台的功能的惯性导航系统。陀螺仪加速度计姿态矩阵计算导航计算机控制显示姿态矩阵姿态角计算加速度信息角速度信息位置速度信息初始参数信息数学平台姿态信息捷联导航系统的组成捷联惯性导航系统大体上由一组惯性仪表、一台计算机和一些辅助单元组成：1.仪表组件2.仪表的电子部件3.计算机（姿态计算、导航计算）4.输入/输出接口5.电源模块捷联惯性导航系统的优点1.整个系统的体积、重量和成本上大大降低，通常陀螺仪和加速度计只占导航平台重量的1/7；2.惯性仪表便于安装维护，也便于更换；3.惯性仪表可以给出载体轴向的线加速度和角速度，这些信息是控制系统所需要的。和平台式导航系统相比，捷联式系统可以提供更多的导航和制导信息。4.惯性仪表便于采用余度配置，提高系统的可靠性及各项性能；AN/WSN-5和FIN3110对比FIN3110功耗:40W设备尺寸(cm):19.5×21.6×29重量(kg):12AN/WSN-5功耗:440W设备尺寸(cm):43.9×53.3×117.6重量(kg):172.7捷联惯性导航系统的不足1.惯性仪表直接固联在载体上，直接承受载体的振动和冲击，工作环境恶劣；2.惯性仪表特别是陀螺仪直接测量载体的角运动，要求捷联陀螺有较大的施矩速度和高性能的再平衡回路；3.装机标定比较困难，从而要求捷联陀螺有更高的性能；4.计算量较大，要求高性能计算机支持；简单的二维导航系统一台陀螺仪两个加速度计一台计算机简单的二维捷联导航系统简单的二维捷联导航参考坐标系二维系统在旋转坐标系中的导航旋转坐标系和固定坐标系下导航方程的比较三维捷联导航系统的基本分析1.相对于固定坐标系的导航考虑相对于一个固定的，既没有加速度、没有转动的轴系的导航情况。P点相对于空间固联坐标系的加速度：P点比力大小为：导航方程：三维捷联导航系统的基本分析2.相对于旋转坐标系的导航考虑相对于一个非固定的，绕惯性坐标系转动的轴系下运载体的导航情况。由于参考坐标系的转动会产生附加的外部力，由此导致对导航方程的修改矢量叉乘333zyxVVV21312213xz-xzy12213zy-zyx12213yx-yxz0102V0011V？3V2222zyxV1111Vzyx加速度计测量值的分解加速度计bfrfrbC：3x3阶的方向余弦矩阵Tbrbrqp000pqprqrbrb：表示由陀螺仪测得的载体相对于参考坐标系的转动角速度惯性空间中捷联导航系统方框图参考坐标系惯性坐标系（i系）：原点位于地球中心，坐标轴相对于恒星无转动。地球坐标系（e系）：原点位于地球中心，坐标轴与地球固联。参考坐标系导航坐标系（n系）：是一种当地地理坐标系，原点位于导航系统所在的P点，坐标轴指向东北天，导航坐标系相对于地球固联坐标系的旋转角速度，通常称为转移速率。载体坐标系（b系）：原点在载体导航系统中心，轴向分别沿运载体的翻滚轴、俯仰轴和偏航轴。惯性坐标系下导航方程的形式根据哥氏方程，运载体相对于惯性坐标系的方程可表示为：rdtdrdtdrieei求导后：][rvdtdvdtrdieieeieiei22整理后：gf][rvdtdvieieeieie惯性坐标系下导航方程的形式由质量引力和向心引力引起的加速度总和构成了当地重力矢量，即固定于地球上方的铅锤所对准的矢量，将其用符号表示。lg][rggieiel惯性坐标系下的导航方程可表示为：iliieiiegfvievbibifCfiliiebibiegfCviev则：惯性坐标系下捷联导航方框图地球坐标系下导航方程的形式（1）根据哥氏方程载体在地球坐标系下速度变化率与惯性系下速度的变化率之间存在如下关系：eieieeevdtdvdtdv整理后：leieievdtdvgfeleeeieeeev2dtdvgfbebefCfbebebebCC地球坐标系下导航方程的形式（2）bebebebCCeiebebibbebC对于时间非常短的导航，可以对这种导航系统的导航方程进一步简化，可以忽略地球自转对姿态过程的影响，在这种情况下，原导航方程被简化为：eleeedtdvgf需要注意的是：只有简化方程误差小于允许误差时，才可以使用简化方程进行简化。地球坐标系下捷联导航方框图当地地理坐标系下导航方程的形式在这种坐标系中，运载体相对于导航坐标系的速度变化率与其在惯性坐标系下的变化率之间的关系为：eenieienevdtdvdtdv][leieievdtdvgf整理后：nln