现代导航技术第一章(引言)

1现代导航测试技术MeasuringandTestingTechniqueforModernNavigationSystem主讲：赖际舟副教授南京航空航天大学导航研究中心办公电话：办公电话：025025--8489230484892304--807807手机：手机：1385147542913851475429导航研究中心网页：导航研究中心网页：：：[e-mail]@nuaa.edu.cn2第一章引言§1.1课程内容及计划安排§1.2导航与惯性导航§1.3惯性技术近代发展简史3本课程主要内容：1、惯性导航系统及惯性器件2、导航性能测试与分析方法思想、概念、原理、理论、方法、技术§1.1课程内容及计划安排4现代导航测试技术第一章引言第二章惯性导航技术基础第三章惯性器件及测试第四章惯性器件的测试及设备环境要求第五章动力调谐陀螺第六章光学陀螺仪第七章硅微机械陀螺仪第八章陀螺仪的测试、标定与补偿第九章陀螺仪随机漂移的分析及建模第十章加速度计的测试与标定第十一章惯导系统的误差测试和性能标定方法5惯性导航技术惯性器件及测试技术基本概念和背景（1~4章）动力调谐陀螺光学陀螺主流惯性器件（5~7章）MEMS陀螺陀螺与加速度计的测试、标定随机误差分析及建模测试与分析处理方法（8~11章）惯性导航系统的测试与分析§1.1课程内容及计划安排6本课程的基本要求：掌握导航系统的基本概念和原理；对惯性导航、组合导航等系统具有基本的分析能力；对惯性系统、元件的测试具有基本的处理和分析能力。通过本课程的学习，提高分析问题、研究问题、解决问题的能力，为专业学习打好基础。§1.1课程内容及计划安排7课程参考书目：1.刘建业，赵伟等.导航系统理论及应用，南航，2005年7月2.DavidH.Titterton,JohnL.Weston.捷联惯性导航技术，国防工业出版社，2007年12月3.秦永元，惯性导航，科学出版社，2006年5月4.刘俊，石云波，李杰，微惯性技术，2005年11月§1.1课程内容及计划安排8上课时间（1－12周）：周二下午5.6节，地点：10-219教室周四下午5.6节，地点：717教室上课方式：课堂教学40学时，实验10学时；考试方式－－平时考勤+课堂讨论＋大作业＋……现代导航测试技术§1.1课程内容及计划安排9第一章引言§1.2导航与惯性导航一、导航二、惯性导航三、导航与制导的关系10一、导航是一门古老的艺术，现在成为一门复杂的科学。是现代科学技术中一门重要的技术学科，在航空、航天、航海和许多民用领域都得到广泛的应用。发展的昀初：是关于两地之间旅行和找路的学问。引导载体到达目的地的过程（广义）是确定运载体（飞机、导弹、卫星、火箭、舰船和车辆等）的运动状态和位置等参数的综合技术。（狭义）§1.2导航与惯性导航11一、导航发展历程：用不同的手段来实现导航①指路：昀简单的导航方式，其特点是依赖于我们周围环境已知特征或固定物体的观察和识别，并在他们之间运动。通常这些特征物的位置称为“航路点”②地图：通过观察地图上的地理特征（如道路、山谷、河流等）来确定自己的位置。这些特征可根据网格系统（即坐标系）标志在地图上。有了坐标系，导航员就能确定自己在坐标系的位置（因此，坐标系对于导航过程来说是昀基本的）。§1.2导航与惯性导航12一、导航发展历程：用不同的手段来实现导航③观星：即天体观测，观测自己相对于固定天体的位置。固定天体有效地确定了一个在空间固定的坐标系，通常被称为“惯性”坐标系，天体观测可使观测者确定自己相对于该坐标系的位置。海上导航使用较多。④推算：根据初始位置和速度、方位的测量来计算当前位置。⑤惯性导航：利用惯性敏感器（陀螺仪和加速度计）测量相对于惯性坐标系的转动和平移运动来完成。§1.2导航与惯性导航13导航系统的发展过程：古代：指南针、天文、时钟、地形标识早期飞行依靠磁罗盘，速度表等导航仪表30年代各种无线电导航的问世60-70年代惯性导航系统、多普勒导航系统80年代末全球定位导航系统问世90年代惯性/卫星组合导航系统大量推广21世纪新型导航系统和容错组合导航系统§1.2导航与惯性导航14指南针的始祖——司南中国古代罗盘针§1.2导航与惯性导航15六分仪天文经纬仪§1.2导航与惯性导航16具有GPS定位的手机车辆导航系统§1.2导航与惯性导航17二、惯性导航空间6自由度（6D）的导航参数：3个正交的位置自由度可能为位置、速度或加速度3个正交的角自由度可能为角速度、角加速度6自由度决定了一个物体的位置和状况!§1.2导航与惯性导航18二、惯性导航建立在牛顿经典力学定律的基础之上。（①惯性定律②F=ma）惯性导航的主要器件是陀螺仪和加速度计。物体运动的加速度可以通过“加速度计”来确定。物体相对于惯性坐标系的转动可以通过“陀螺”来检测；这样可以确定加速度计在每一时刻的方位。有了上述信息，就可以把加速度计分解到惯性坐标系下，然后开始积分过程。§1.2导航与惯性导航19二、惯性导航因此，惯性导航就是用陀螺仪和加速度计提供的测量数据确定载体位置的过程。与其他类型的导航系统不同（如卫星导航系统、无线电导航系统），惯性导航系统的导航过程是完全自主隐蔽的，也就是说，不需要从外部接收任何信息（声、光、电、磁），同时不受自然天气因素的干扰。§1.2导航与惯性导航20三、导航与制导导航（导航（NavigationNavigation））━━━━提供航行体的导提供航行体的导航参数，如位置、速度、姿态等；航参数，如位置、速度、姿态等；制导制导(Guidance)(Guidance)━━━━根据预定的航程根据预定的航程（目的地和路线），自动引导载体到达终（目的地和路线），自动引导载体到达终点的过程点的过程§1.2导航与惯性导航21导航制导闭环控制系统原理框图导航系统飞行控制计算机预定航迹参数设置飞行操作控制部件飞机运动信息指令§1.2导航与惯性导航22三、导航与制导制导系统的功能：••建立航迹参数（如位置、速度、航向、航路点、航线建立航迹参数（如位置、速度、航向、航路点、航线等）；等）；••根据测量载体的实际运动运动参数，自动产生控制根据测量载体的实际运动运动参数，自动产生控制（制导）信息，传输给运动载体的相应控制部件。（制导）信息，传输给运动载体的相应控制部件。§1.2导航与惯性导航23导航参数制导参数§1.2导航与惯性导航24第一章引言§1.3惯性技术近代发展简史25惯性导航技术是一项涉及到多学科（机电、光学、数学、力学、控制及计算机等学科）的高新尖端技术，又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。世界上只有为数不多的国家有能力研制惯性技术产品。我国惯性技术在自力更生为主的基础上，发展至今已具有一定规模。§1.3惯性技术近代发展简史26惯性导航技术•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§1.3惯性技术近代发展简史27理论和基础：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》，首次利用解析的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。3.1852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。§1.3惯性技术近代发展简史28理论和基础：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；5.1939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；§1.3惯性技术近代发展简史29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。9.1949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。§1.3惯性技术近代发展简史30现代发展：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。11.20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。§1.3惯性技术近代发展简史31第一套惯性系统使用时间比较国家导弹军用飞机导弹核潜艇美国1954年1963年1960年苏联1955年1970年1968年英国1964年1965年1967年法国1967年1972年1971年§1.3惯性技术近代发展简史32第一代：第一代：4040年代前，只有惯性仪表，如地平仪、罗经等，谈不年代前，只有惯性仪表，如地平仪、罗经等，谈不上精度；上精度；第二代：第二代：4040年代至年代至7070年代，惯性仪表从Ｖ年代，惯性仪表从Ｖ--22火箭开始出现，并火箭开始出现，并广泛使用。定位精度广泛使用。定位精度0.30.3--2nm2nm／／hh，，陀螺精度为陀螺精度为0.30.3度／ｈ；度／ｈ；第三代：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，陀螺精度为高二个数量级，陀螺精度为33××1010--33——33××1010--55度／ｈ；度／ｈ；第四代：第四代：从从8080年代开始研制，应用昀新现代科学技术，预计定年代开始研制，应用昀新现代科学技术，预计定位精度小于１米。位精度小于１米。§1.3惯性技术近代发展简史惯性导航系统的精度发展和变化33大力发展惯性导航技术的意义随着近年来科学技术的迅速发展，出现了多种定位与导航方式和系统，惯性导航系统所具有的自主、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。§1.3导航技术近代发展简史34导航技术在航天宇航领域的应用运载火箭航天飞机卫星及空间站外星探测器§1.3导航技术近代发展简史35作战飞机精确制导武器战略导弹无人侦察与攻击§1.3导航技术近代发展简史导航技术在航空领域的应用36舰船单兵定位装甲车辆潜艇§1.3导航技术近代发展简史导航技术在航海、陆地领域的应用37个人定位导航机器人定位与控制抢险与救援§1.3导航技术近代发展简史导航技术在民用领域的应用382002年开始进入市场的Segway两轮车导航技术在民用领域的应用§1.3导航技术近代发展简史39南航是全国7所国防科技重点大学之一；自动化学院有四系一所，三个博士后流动站和三个一级博士学