第1章-概述-----惯性导航.ppt

惯性导航原理惯性导航原理 中国民航大学电子信息工程学院中国民航大学电子信息工程学院崔崔 铭铭2024/4/12 周五周五电子信息工程学院1.2 1.2 常见的导航系统常见的导航系统 1.1 1.1 导航的基本概念导航的基本概念 1.3 1.3 基础知识基础知识 1.4 1.4 惯导技术的发展惯导技术的发展 2电子信息工程学院1.1 1.1 导航的基本概念导航的基本概念 导航导航（NavigationNavigation）：引导载体达到预定：引导载体达到预定目的地的过程。载体包括车辆、舰船、飞机、导目的地的过程。载体包括车辆、舰船、飞机、导弹、宇宙飞行器等。弹、宇宙飞行器等。制导制导（guidanceguidance）：根据导航系统提供的：根据导航系统提供的数据，由数据，由控制控制系统来自动引导载体到达目的地。系统来自动引导载体到达目的地。第一章第一章 概概 述述3电子信息工程学院 1.2 常见的导航系统常见的导航系统陆标导航：根据固定标志物（如灯塔陆标导航：根据固定标志物（如灯塔、建筑物等）的建筑物等）的位位置置坐标及其相对载体的坐标及其相对载体的距离距离方位关系确定载体位置。方位关系确定载体位置。缺缺点：点：受地形气候条件限制。受地形气候条件限制。无线电导航：利用无线电导航：利用无线电无线电技术测量导航参数的系统，如技术测量导航参数的系统，如VORVOR、DMEDME等。等。缺点：缺点：精度受电磁环境影响。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，卫星导航系统：利用专用于导航的人造地球卫星来实现，如如GPSGPS、北斗等。、北斗等。缺点同上。缺点同上。天文导航系统：最早由航海方面发展而来，利用光学仪天文导航系统：最早由航海方面发展而来，利用光学仪器器(如六分仪如六分仪)人工观测星体高度角，进而确定航行体的人工观测星体高度角，进而确定航行体的位置。位置。缺点：缺点：受气候条件影响，精度低。受气候条件影响，精度低。4电子信息工程学院惯性导航系统：利用惯性敏感元件惯性导航系统：利用惯性敏感元件(陀螺仪陀螺仪、加加速度计速度计)测量载体相对惯性空间的测量载体相对惯性空间的线运动线运动和和角运角运动动参数，在给定的初始条件下，输出载体的姿态参数，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。参数和导航定位参数。优点优点：（1 1）依靠自身测量的载体运动）依靠自身测量的载体运动加速度加速度信信息来连续推算载体速度和位置，息来连续推算载体速度和位置，不不需要接收外部需要接收外部信息，信息，不不受外界干扰，是一种受外界干扰，是一种自主式自主式导航系统；导航系统；工作时工作时不向外辐射不向外辐射能量，隐蔽性好；确定载体位能量，隐蔽性好；确定载体位置同时还能测量载体姿态角。置同时还能测量载体姿态角。5电子信息工程学院不足不足：惯导系统确定载体位置是由加速度计：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测得的加速度经二次积分积分获得，本质上是一获得，本质上是一种推算定位法，种推算定位法，误差随时间积累误差随时间积累，长时间工，长时间工作，误差会超出允许范围，需用其它信息进作，误差会超出允许范围，需用其它信息进行行重调和校正重调和校正；要制造高精度的惯导系统，；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、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，装配工艺要求严格，系统成本高系统成本高。6电子信息工程学院组合导航系统：组合导航系统：上述几种类型的导航系统各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航空导航仪表：导航仪表单独测出飞机的一些参数，如些参数，如磁航向磁航向、空速空速、高度高度等，供给飞等，供给飞行员操纵飞机完成导航任务。行员操纵飞机完成导航任务。7电子信息工程学院1.1.什么是惯性空间什么是惯性空间这些旋转的这些旋转的角速度角速度都太都太小小，以致于惯性器件无，以致于惯性器件无法敏感到，因此可以忽略。法敏感到，因此可以忽略。地球地球自转自转 惯性空间惯性空间是符合牛顿力学定律的空间，即是绝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对静止或只做匀速直线运动的空间惯性空间惯性空间相对空间相对空间1.3 1.3 基础知识基础知识银河系银河系旋转旋转太阳系相对太阳系相对银河系旋转银河系旋转地球相对地球相对太阳旋转太阳旋转8电子信息工程学院 在经典力学中，牛顿的三条定律是惯性导航的在经典力学中，牛顿的三条定律是惯性导航的力学力学基础基础。它揭示了惯性空间中物体的运动和受力之间的基。它揭示了惯性空间中物体的运动和受力之间的基本关系：本关系：（1 1）若物体）若物体不不受力或所受合力为受力或所受合力为零零，则物体保持静止或，则物体保持静止或 匀速直线运动；匀速直线运动；（2 2）若物体受到的合力为）若物体受到的合力为F F，则该物体将以加速度，则该物体将以加速度a a相对相对 惯性空间运动：惯性空间运动：，m m为物体质量；为物体质量；（3 3）物体间的相互作用力，）物体间的相互作用力，大小相等，方向相反大小相等，方向相反。9电子信息工程学院（1 1）加速度计加速度计的可测量运动物体的加速度。的可测量运动物体的加速度。（2 2）惯性导航是以测量运动体的）惯性导航是以测量运动体的加速度加速度为基础的为基础的导航定位方法。测量的加速度，经过导航定位方法。测量的加速度，经过一次积分一次积分可可以得到运动以得到运动速度速度，经过，经过二次积分二次积分可以得到可以得到运动距运动距离离，从而给出运动体的，从而给出运动体的瞬时速度瞬时速度和和位置数据位置数据。他。他们三者间的关系表示为：们三者间的关系表示为：2.2.加速度、速度和航程之间的关系加速度、速度和航程之间的关系10电子信息工程学院 式中：式中：a a表示运动体的表示运动体的加速度加速度；V V表示运动体的表示运动体的速度速度；S S表示运动的表示运动的移动距离移动距离。11电子信息工程学院 从以上看出，沿直线运动的载体，只要从以上看出，沿直线运动的载体，只要借助借助加速度计加速度计测出它的加速度，载体任何时刻的测出它的加速度，载体任何时刻的速度速度和相对出发点的和相对出发点的距离距离就可实时计算。这种不就可实时计算。这种不依赖外界信息，只靠对载体本身的依赖外界信息，只靠对载体本身的惯性测量惯性测量来完来完成导航任务的技术称作成导航任务的技术称作惯性惯性导航，也称导航，也称自主自主式导式导航。航。12电子信息工程学院1.41.4惯性导航技术的发展惯性导航技术的发展1.1.惯性导航技术惯性导航技术 涉及多学科（机电、光学、数学、力学、控涉及多学科（机电、光学、数学、力学、控制及计算机等学科）的制及计算机等学科）的高新尖端高新尖端技术，是现代武技术，是现代武器系统中的一项基本器系统中的一项基本支撑支撑技术，是在先进科学理技术，是在先进科学理论和制造工艺支持条件下发展起来的。论和制造工艺支持条件下发展起来的。只有只有少数少数国家有能力研制惯性技术产品。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。已具有一定规模。13电子信息工程学院 在我国的航空、航天、航海和陆地车辆的导在我国的航空、航天、航海和陆地车辆的导航和定位中得到了广泛的应用。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、航功的应用：大地测量、海洋勘探、石油钻井、航空测量、摄影等空测量、摄影等14电子信息工程学院2.2.理论基础：理论基础：1 1）16871687年牛顿提出了年牛顿提出了力学三大定律力学三大定律和和引力定律引力定律，为惯性导航奠定了理论基础；为惯性导航奠定了理论基础；2 2）17651765年俄国欧拉院士出版了著作年俄国欧拉院士出版了著作刚体绕定点刚体绕定点运动的理论运动的理论，首次利用解析方法对定点转动刚，首次利用解析方法对定点转动刚体作了本质解释，创立了体作了本质解释，创立了陀螺仪理论陀螺仪理论的基础的基础17781778年法国拉格朗日在年法国拉格朗日在分析力学分析力学中建立了在重力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；力矩作用下定点转动刚体的运动微分方程组；15电子信息工程学院3 3）18521852年法国科学家年法国科学家傅科傅科根据上述理论发现了根据上述理论发现了陀螺效应陀螺效应，观察到了地球自转，并首先使用，观察到了地球自转，并首先使用“GyroGyro”(Gyroscope(Gyroscope转动观察转动观察)这个名词，这个名词，开开创了人们对工程实用陀螺的研究和开发；创了人们对工程实用陀螺的研究和开发；4 4）19231923年，舒勒发表了论文年，舒勒发表了论文运载工具的加速运载工具的加速度对于摆和陀螺仪的干扰度对于摆和陀螺仪的干扰，提出了，提出了84.484.4分的分的无干扰理论无干扰理论，为惯性技术的发展起到了关键的，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；理论指导作用，陀螺仪的设计开始完善；16电子信息工程学院17电子信息工程学院18电子信息工程学院法国国葬院法国国葬院19电子信息工程学院20电子信息工程学院21电子信息工程学院北京天文台的傅科摆北京天文台的傅科摆22电子信息工程学院5 5）19391939年，苏联布尔佳科夫通讯院士出版年，苏联布尔佳科夫通讯院士出版的：的：“陀螺仪实用理论陀螺仪实用理论”一书，认为是陀螺仪一书，认为是陀螺仪实用理论的奠基性的著作。实用理论的奠基性的著作。6 6）19491949年，年，J.H.J.H.LaningLaning,Jr.,Jr.发表名为发表名为“The vector analysis of finite rotations The vector analysis of finite rotations and anglesand angles”的报告，建立了捷联式惯性导航的的报告，建立了捷联式惯性导航的理论基础；理论基础；23电子信息工程学院3.3.现代发展现代发展7 7）19201920年前后，出现了供飞机使用的转弯速率年前后，出现了供飞机使用的转弯速率指示器、人工指示器、人工水平仪水平仪和方位陀螺；和方位陀螺；8 8）二战期间，德国的）二战期间，德国的V2V2火箭火箭用两个用两个二自由度二自由度陀陀螺和一个螺和一个加速度计加速度计构成惯性制导系统，这是惯性构成惯性制导系统，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，此在轰炸伦敦的过程中，1/41/4的的V2 V2 火箭提前掉入火箭提前掉入大海。大海。24电子信息工程学院25电子信息工程学院9 9）19491949年，美国将纯惯性导航系统试验安装到年，美国将纯惯性导航系统试验安装到一架一架B-29B-29远程轰炸机远程轰炸机上，首次实现了横贯美国大上，首次实现了横贯美国大陆的陆的全自动飞行全自动飞行，自主飞行时间长达，自主飞行时间长达1010小时。小时。1010）19581958年，美国海军年，美国海军“鹦鹉螺鹦鹉螺”号核潜艇，从号核潜艇，从珍珍珠港附近出发，穿越北极冰层，历时珠港附近出发，穿越北极冰层，历时2121天到达英天到达英国波特兰港。装备国波特兰港。装备液浮陀螺平台惯性导航系统液浮陀螺平台惯性导航系统，定位误差仅为定位误差仅为2020海里，震惊了世界。海里，震惊了世界。26电子信息工程学院27电子信息工程学院1111）2020世纪世纪7070年代，美国利顿年代，美国利顿(LitonLiton)公司的公司的LTNLTN系列惯导系统，当时几乎占据了世界系列惯导系统，当时几乎占据了世界民航民航飞机飞机标准惯导的全部订单。标准惯导的全部订单。1212）随着新概念测量原理的出现，新型惯性）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。陀螺（光学陀螺、微机械陀螺）逐步替代。28电子信息工程学院29电子信息工程学院4.4.惯导系统的精度惯导系统的精度第一代：第一代：4040年代前，只有惯性仪表，如地平仪、罗经等年代前，只有惯性仪表，如地平仪、罗经等 ，谈不上精度；，谈不上精度；第二代：第二代：4040年代至年代至7070年代，惯性仪表从年代，惯性仪表从-2-2火箭开始出火箭开始出 现，并广泛使用。定位精度现，并广泛使用。定位精度0.3-2nm0.3-2nmh h，陀螺，陀螺 精度为精度为0.30.3度度/；第三代：正在研制并开始投入使用，希望定位精度比第第三代：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，陀螺精度为二代提高二个数量级，陀螺精度为 度；度；第四代：从第四代：从80 80 年代开始研制，应用最新现代科学技年代开始研制，应用最新现代科学技 术，预计定位精度小于米。术，预计定位精度小于米。30电子信息工程学院5.5.发展惯导技术的意义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、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完备导航的独特优点是其他导航系统无法比拟无法比拟的。的。定位与导航技术正朝着定位与导航技术正朝着多系统多系统、多功能多功能、高精度高精度、高可靠性高可靠性方向发展。方向发展。定位与导航技术已经发展为集现代定位与导航技术已经发展为集现代传感技术传感技术、计计算机技术算机技术和和现代控制理论现代控制理论为一体的综合型应用技术。为一体的综合型应用技术。定位与导航技术已成为定位与导航技术已成为衡量衡量一个国家科学技术水一个国家科学技术水平发展的重要标志之一。平发展的重要标志之一。31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电子信息工程学院作业：作业：1.1.导航的基本概念及常见的导航系统。导航的基本概念及常见的导航系统。2.2.惯性导航系统概念，及优点和缺点。惯性导航系统概念，及优点和缺点。3.3.惯性空间的概念，与相对空间的区分。惯性空间的概念，与相对空间的区分。37