第8章 平台式惯性导航系统原理及应用

2020/9/19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28.3自由方位惯导系统8.1概述8.5平台式惯导系统初始对准原理第8章平台式惯性导航系统原理及应用8.2指北方位惯导系统8.4游动方位惯导系统电子信息工程学院3一惯性导航的分类1.平台式惯导：三轴陀螺稳定平台，加速度计固定在平台上，其敏感轴与平台轴平行，平台的三根稳定轴模拟一种导航坐标系。优点：直接模拟导航坐标系，计算比较简单；能隔离载体的角运动，系统精度高。缺点：结构复杂，体积大，制造成本高。8.1概述电子信息工程学院42.捷联式惯导：无稳定平台，加速度计和陀螺仪与载体直接固连。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。优点：无平台，结构简单，体积小，维护方便。缺点：惯性元件直接装在载体上，环境恶劣，对元件要求较高；坐标变换中计算量大。电子信息工程学院53.平台式惯导分类（1）半解析式：又称当地水平惯导系统，系统有一三轴稳定平台，台面始终平行当地水平面，方向指地理北（或其它方位）。陀螺和加速度计放置平台上，测量值为载体相对惯性空间沿水平面的分量，需消除地球自转、飞行速度等引起的有害加速度后，计算载体相对地球的速度和位置。主要用于飞机和飞航式导弹，可省略垂直通道加速度计，简化系统。电子信息工程学院6（2）几何式：该系统有两个平台，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。电子信息工程学院7（3）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，在导航计算前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。电子信息工程学院8导弹依在空中飞行的弹道可分两类：飞航式导弹和弹道式导弹，也可称有翼导弹和无翼导弹。(巡航导弹在弹道特征和弹体外形都有飞航式的特性，应作为飞航式的一种，而不能单独分类。)飞航式:在大气层中飞行，有弹翼、尾翼和舵面。弹翼用于在大气层中飞行时产生流体升力，平衡导弹的重量。尾翼用于保持导弹飞行姿态的稳定性。舵面是用来控制导弹飞行姿态和弹道的调整。特点：飞行距离较近，多是战术导弹。长度、弹径和重量较小，飞机、舰艇、潜艇和车辆均可作为发射平台。电子信息工程学院9弹道式：起飞阶段必须在大气层内，平飞前进阶段主要在空气稀少的高空或外层空间，下降阶段再入大气层。弹道式导弹不在大气层中长时间平行飞行，不需要飞航式导弹那样的弹翼和操纵面，有的则连尾翼都没有。特点：空气阻力小，飞行速度快，飞行距离远，能进行洲际攻击。电子信息工程学院104.半解析式平台惯导系统分类飞机中应用多为半解析式惯导系统，根据平台两个水平轴指向不同可分为（1）指北方位惯导系统：工作时，平台的三个稳定轴分别指向地理东、地理北、当地地平面的法线方向，即平台模拟当地地理坐标系。（2）自由方位惯导系统：工作时，平台的方位可以和北向成任意夹角，始终指向惯性空间的某一个方向，台面仍要保持在当地的水平面内。由于地球的旋转和飞机的运动，平台的横轴、纵轴不指向地理东、北，而是有一定自由夹角，故称它为自由方位惯导系统，其平台称为自由方位平台。（3）游动方位惯导系统：与自由方位类似，平台的台面处于当地水平面，方位轴只跟踪地球自转的分量。电子信息工程学院11二平台式惯导的基本组成平台式惯导系统由三轴陀螺稳定平台（包含陀螺仪）、加速度计、导航计算机、控制显示器等部分组成。三三种平台式惯导的特点(p299)电子信息工程学院12电子信息工程学院138.2指北方位惯导系统指北方位惯导系统是平台惯导中最基本的类型。陀螺平台建立的理想坐标系与地理坐标系完全重合。这样的平台需用一个三轴稳定平台，并对两个水平轴进行舒勒调谐和积分修正控制其在水平面内，对方位轴系统施以控制信号使其指向北方。本章解决的主要问题：平台各轴的指令角速度、加速度测量、导航参数解算一系统组成（P300）电子信息工程学院141.外横滚环2.俯仰输出同步器3.倾斜输出同步器4.内横滚环力矩器5.俯仰环6.平台航向同步器7.方位环力矩器8.方位环9.俯仰力矩器10.内横滚环同步器11.外横滚环力矩器12.外横滚伺服放大器13.内横滚环14.内横滚伺服放大器15.方位环伺服放大器16.稳定信号分配器．17.俯仰伺服放大器18.锁定放大器19.方式选择器20.控制显示组件21.计算机电子信息工程学院15二跟踪地理坐标系1.地理坐标系相对惯性系的运动规律：coscossinNxtEyteEzteVVRRVRVtgRe式中：为地球半径，为地球自转速度，为当地纬度，为飞行速度VR电子信息工程学院162.控制平台跟踪地理坐标系在平台上建立地理坐标系，包括：初始对准——初始状态时将平台坐标调整到与起始点的地理系坐标一致；修正控制——在对准基础上控制平台跟踪地理系变化。假设初始对准已完成（该内容后面章节讲解），修正控制步骤：首先使平台相对惯性空间稳定；其次对平台进行水平修正和方位修正，使平台保持在水平面内而方位始终指北。电子信息工程学院17（1）稳定系统①方位轴稳定系统：方位轴上有干扰力矩，上陀螺的z传感器感受角偏移。②内横滚环稳定系统：内横滚轴上有干扰力矩，两种情况：当内横滚轴与平台y轴平行，下陀螺外环上的x传感器感受角偏移；当内横滚轴与平台y轴不平行，即夹角为航向角时，内横滚轴的干扰力矩上、下陀螺都感受，此时两个陀螺信号要经信号分配器，再送到稳定电机处理。电子信息工程学院18③俯仰环稳定系统：俯仰轴有干扰力矩，当俯仰轴与水平轴一致，上陀螺外环轴上y传感器感受角偏移；不一致，上、下陀螺都感受，需送入方位信号分解器处理。④外横滚环稳定系统：外横滚环的稳定基准是内横滚环。外横滚轴上有干扰力矩，外横滚环偏离原位置，并带动俯仰环绕外横滚轴偏离，此时内横滚轴与俯仰环间信号器感受此偏离，输出信号驱动恢复原位。⑤上、下陀螺自转轴垂直锁定电路：为保持上、下陀螺自转轴相互垂直。电子信息工程学院19（2）水平和方位修正四套稳定系统使平台相对惯性空间保持稳定，为使平台跟踪地理坐标系，须对平台实施水平和方位修正。即利用地理坐标系运动规律给平台各轴施加指令角速率（施加到相应的陀螺力矩器上）。coscossinNxtEyteEzteVVRRVRVtgR电子信息工程学院2022(123sin)(1sin)/NeMeepeepRReeRReeRRRRR其中:为长半径，为短半径MR上述公式中地球半径是以地球为圆球计算的，实际地球非正圆球体，接近椭球。惯导中使用椭球参数，为当地子午面内的曲率半径;为当地和子午面垂直的法线平面内的曲率半径；为地球的椭圆度称为扁率。故指令角速率方程变为：eNRtgRVRVRVRVMEeztMEeytNNxtsincoscos电子信息工程学院21控制修正过程：平台上东、北向加速度计，测得的加速度送给导航计算机，求出东、北向速度，再求出指令角速度送到上、下陀螺相应的力矩器产生力矩使陀螺进动，输出信号经过稳定回路，驱动平台按规律转动。（具体过程见p304）注意：稳定系统和修正系统的执行部分相同，由状态开关控制时间。而稳定系统是快速反应系统，修正系统为慢速具有84.4分钟周期的舒勒调谐系统。故此，稳定和修正不会相互干扰。电子信息工程学院22三加速度的测量问题加速度计输出的为相对惯性空间的加速度，惯导计算中需知相对地球水平面的加速度。1.平台支点的绝对加速度（1）平台支点绝对加速度2ipepkeepeepepeeaVaaVVReepVRep式中：为地球自转角速度矢量；为平台相对地球的速度矢量；为平台支点到地心的矢量；为平台相对地球的转动角速度矢量。电子信息工程学院23（2）加速度计测量绝对加速度mipmipmipmFFFmgagmFfafgmfag弹惯弹弹令ipa称为比力，为加速度计的输出值。表示加速度计的单位摆所受的弹簧力，为平台支点的绝对加速度与引力加速度之差。不完全代表绝对加速度值。fmg电子信息工程学院24gVfVRggRVVgfepepeepeemeeepepeepm22则令2.导航方程要得到平台支点相对地球的加速度，从比力信号中去掉最后两项有害加速度，包括由于地球自转和飞行速度引起的哥式加速度和重力加速度。不仅适用于指北方位惯导，也适用与其它惯导，称为惯性导航基本方程。电子信息工程学院2522sin2sinttxytttxxeyMtxtttyyexMVVVfVtgRVVfVtgR,ttxyVV在指北方位惯导系统中，经分解到地理系上，沿东向、北向的加速度标量计算为：式中：为地理系沿东向和北向轴的加速度；为东向和北向加速度计测出的比力信号。,ttxyff电子信息工程学院26四导航参数解算1.飞机东向、北向速度及地速2.飞机的位置参数tytytyttxtxtxtVdtVVVdtVV000022ytxtVVVtMxttNytdtRVdtRV0000sec电子信息工程学院273.平台轴的指令角速率tgRVRVRVRVMtxetipzMtxepipyNtypipxsincoscos4.其它导航参数计算电子信息工程学院28电子信息工程学院29指北方位惯导系统特点：（1）平台模拟地理坐标系，可从平台环架轴上直接测出飞机俯仰、倾斜、航向角。（2）加速度计测出的是地理系各轴的比力，计算简单，对计算机要求低。（3）不能在高纬度工作（方位变化快，高纬度经线收敛较大，平台方位施距太大，陀螺力矩器和稳定回路设计困难；计算方位指令角速率时，公式中出现，当计算机产生溢出）。tg90电子信息工程学院308.3自由方位惯导系统自由方位惯导系统是指其方位轴指向惯性空间的某一个方向，可以和北向成任意夹角。平台的台面仍要保持在当地的水平面内。这样，平台上的方位陀螺将不施加控制信号，只给使控制平台保持在当地水平面内的陀螺施加控制指令。它克服了指北平台实现方位施距及方位稳定回路设计困难的缺点。自由方位惯导系统的导航参数计算要比指北方位惯导系统麻烦一些。原因是平台坐标系的方位与地理坐标系方位存在一个自由角度，所以导航计算中增加了坐标转换计算的工作量。电子信息工程学院31因为自由方位平台不施加方位指令dttgRVKtKtgRVtKtMtxeMtxepipz0sin0sin0tKKKKKtipztipytipxpipzpipypipx001000cossin0sincos一平台指令角速率XtYtXpYpKK电子信息工程学院32cossinsincosptxxptyyffKKffKK二比力方程tipytipxpipypipxKKKKcossinsincos为保持平台水平，相应的控制指令角速率为电子信息工程学院33三自由方位惯导系统原理电子信