测量与传感器6导航系统2课时.pptx

2024/8/8 周四周四13.导航系统：导航系统：导航是导航是引导载体到达目的地的过程引导载体到达目的地的过程，依据应用范围不同，它分为航空导航、，依据应用范围不同，它分为航空导航、航海导航和陆地导航。例如，确定飞机的位置并引导飞机按预定航线航行的航海导航和陆地导航。例如，确定飞机的位置并引导飞机按预定航线航行的整套设备便称为整套设备便称为飞机导航系统飞机导航系统。前面说过，连续的定位便是导航！其实也不然，这一定义还需要进一步补前面说过，连续的定位便是导航！其实也不然，这一定义还需要进一步补充两点：充两点：连续定位后还需引导或控制载体向预定目的地运动，才称为导航连续定位后还需引导或控制载体向预定目的地运动，才称为导航；导航不一定时时刻刻都要进行定位导航不一定时时刻刻都要进行定位。下面我们将对相关内容进行说明。下面我们将对相关内容进行说明。2024/8/8 周四周四23.导航系统：导航系统：导航系统的发展：导航系统的发展：年代年代导航系统导航系统说明说明20世纪20年代仪表导航系统仅把信息反馈给飞行员，由其决断20世纪30年代无线电导航系统可进一步反馈电信号20世纪40年代伏尔导航系统近程导航系统20世纪50年代初惯性导航系统自主式导航系统20世纪50年代末多普勒导航系统以无线电为基本方式20世纪60年代罗兰C导航系统可适用于远程导航塔康导航系统可适用于远程导航20世纪70年代全球定位导航系统GPS2024/8/8 周四周四33.导航系统：导航系统：导航系统的工作方式：导航系统的工作方式：a)一种是提供导航信息，飞行员根据提供的信息引导飞机沿规定航线到达目的一种是提供导航信息，飞行员根据提供的信息引导飞机沿规定航线到达目的地，这种工作状态称为地，这种工作状态称为指示导航状态指示导航状态；b)另一种是向飞控计算机提供导航信息，由飞控计算机完成航线的调整及飞行，另一种是向飞控计算机提供导航信息，由飞控计算机完成航线的调整及飞行，飞行员可不进行相关操作，这种状态称为飞行员可不进行相关操作，这种状态称为自动导航状态自动导航状态。按照飞机阶段的不同按照飞机阶段的不同，我们还可将导航系统细分为，我们还可将导航系统细分为导航系统导航系统和和着陆系统着陆系统两类。下面我们进行详细介绍。其中导航系统以典型的两类。下面我们进行详细介绍。其中导航系统以典型的惯性导航系统惯性导航系统来进行来进行介绍，着陆系统介绍介绍，着陆系统介绍仪表着陆系统仪表着陆系统。2024/8/8 周四周四43.导航系统：导航系统：惯性导航系统惯性导航系统：p定义定义：惯性导航系统是一个使用惯性导航系统是一个使用加速度计加速度计和和陀螺仪陀螺仪来测量物体的来测量物体的加速度加速度和和角度角度，并通过计算机来连续计算运动物体位置、姿态和速度的导航系统。它不需要并通过计算机来连续计算运动物体位置、姿态和速度的导航系统。它不需要一个外部参考系或不依赖外部信息，也不向外辐射能量，是一种一个外部参考系或不依赖外部信息，也不向外辐射能量，是一种自主式导航自主式导航系统系统及及推算式导航系统推算式导航系统。常常被用在飞机，潜艇，导弹和各种航天器上。常常被用在飞机，潜艇，导弹和各种航天器上。2024/8/8 周四周四53.导航系统：导航系统：惯性导航系统惯性导航系统：p发展历史发展历史：惯性系统最先应用于火箭制导，美国火箭先驱罗伯特惯性系统最先应用于火箭制导，美国火箭先驱罗伯特.戈达尔（戈达尔（ROBERT GODDARD）试验了早期的陀螺系统并将其安装在火箭上进行导航。）试验了早期的陀螺系统并将其安装在火箭上进行导航。二战期间经德国人冯二战期间经德国人冯.布劳恩改进应后，应用于布劳恩改进应后，应用于 V-2火箭火箭 制导。战后美国制导。战后美国麻省理工学院麻省理工学院等研究机构及人员对惯性制导进行深入研究，从而发展成应用等研究机构及人员对惯性制导进行深入研究，从而发展成应用飞机、火箭、航天飞机、潜艇的现代惯性导航系统。飞机、火箭、航天飞机、潜艇的现代惯性导航系统。2024/8/8 周四周四63.导航系统：导航系统：惯性导航系统惯性导航系统：p优点优点：a)a)由于它是不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，故隐由于它是不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，故隐蔽性好，不受外界电磁干扰的影响；蔽性好，不受外界电磁干扰的影响；b)b)可全天候、全时间地工作于空中地球表面乃至水下；可全天候、全时间地工作于空中地球表面乃至水下；c)c)能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低；声低；d)d)数据更新率高、短期精度和稳定性好。数据更新率高、短期精度和稳定性好。p缺点缺点：a)a)由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；b)b)每次使用之前需要较长的初始对准时间；每次使用之前需要较长的初始对准时间；c)c)设备的价格较昂贵；设备的价格较昂贵；d)d)不能给出时间信息。不能给出时间信息。2024/8/8 周四周四73.导航系统：导航系统：惯性导航系统惯性导航系统：p理论基础理论基础：牛顿第二定律。：牛顿第二定律。实际上，我们在前面介绍过线实际上，我们在前面介绍过线加速度传感器加速度传感器和和陀螺仪陀螺仪，惯性导航系统正是，惯性导航系统正是将这两种仪表结合在一起，组成了惯性导航系统。将这两种仪表结合在一起，组成了惯性导航系统。2024/8/8 周四周四83.导航系统：导航系统：惯性导航系统惯性导航系统：p理论基础理论基础：牛顿第二定律。：牛顿第二定律。当线加速度传感器测量到飞机的加速度后，我们可得：当线加速度传感器测量到飞机的加速度后，我们可得：2024/8/8 周四周四93.导航系统：导航系统：惯性导航系统惯性导航系统：p工作原理工作原理：2024/8/8 周四周四103.导航系统：导航系统：惯性导航系统惯性导航系统：p工作原理工作原理：如上图所示，惯性导航系统要引导飞机从第一个点飞抵第二个点。如上图所示，惯性导航系统要引导飞机从第一个点飞抵第二个点。假设假设不考虑地球的自转不考虑地球的自转，则两点之间的，则两点之间的 X X和和 Y Y是固定的。是固定的。我们在飞机上安装一个平台，我们在飞机上安装一个平台，平台始终水平于飞机所在水平面平台始终水平于飞机所在水平面，在平台，在平台的的X X向和向和Y Y向分别放置一个线加速度传感器，则可分别测量向分别放置一个线加速度传感器，则可分别测量X X向和向和Y Y向的加速度，向的加速度，根据前面所述，便可计算这两个方向的位移量。当分别与根据前面所述，便可计算这两个方向的位移量。当分别与 X X和和 Y Y相等时，一相等时，一定抵达第二个点了。定抵达第二个点了。其实，惯性导航计算机还不仅仅只局限与计算机位移量，它还做了以下其实，惯性导航计算机还不仅仅只局限与计算机位移量，它还做了以下工作：工作：a)a)计算两点之间的方位角，计算两点之间的方位角，然后与飞控计算机配合完成导航；然后与飞控计算机配合完成导航；b)b)或者根据坐标计算或者根据坐标计算X X速度矢量或速度矢量或Y Y速度矢量速度矢量，据此得到方位角的大小据此得到方位角的大小，然后与，然后与飞控计算机配合完成导航。飞控计算机配合完成导航。2024/8/8 周四周四113.导航系统：导航系统：惯性导航系统惯性导航系统：p工作原理工作原理：在这一过程中，平台的方位是不变的，因此在这一过程中，平台的方位是不变的，因此平台应相对于机体可旋转平台应相对于机体可旋转。2024/8/8 周四周四123.导航系统：导航系统：惯性导航系统惯性导航系统：p组成组成：2024/8/8 周四周四133.导航系统：导航系统：惯性导航系统惯性导航系统：p分类分类：a)a)平台式惯性导航系统；平台式惯性导航系统；b)b)捷联式惯性导航系统。捷联式惯性导航系统。2024/8/8 周四周四143.导航系统：导航系统：惯性导航系统惯性导航系统：p分类分类：a)a)平台式惯性导航系统：平台式惯性导航系统：平台式惯性导航系统将惯性元件安装在惯性平台的台体上，由平台建立平台式惯性导航系统将惯性元件安装在惯性平台的台体上，由平台建立导导航坐标系航坐标系，三个，三个正交安装正交安装的加速度计输入轴分别与导航坐标系的相应轴重合，的加速度计输入轴分别与导航坐标系的相应轴重合，且在飞机所在点的水平面内。所需的导航参数，如位置、速度等便由这些加且在飞机所在点的水平面内。所需的导航参数，如位置、速度等便由这些加速度积分计算得到。速度积分计算得到。飞机的自身姿态控制则由陀螺仪提供反馈实现。飞机的自身姿态控制则由陀螺仪提供反馈实现。因为惯导平台能隔离振动，加速度计和陀螺仪的工作条件好！其精度很高因为惯导平台能隔离振动，加速度计和陀螺仪的工作条件好！其精度很高！目前使用的飞机惯性导航系统精度在！目前使用的飞机惯性导航系统精度在1 12km/h2km/h，速度精度为，速度精度为0.80.81m/s1m/s，非常适用于需要高精度导航的场合。，非常适用于需要高精度导航的场合。但其存在结构复杂、体积大的不足。但其存在结构复杂、体积大的不足。2024/8/8 周四周四153.导航系统：导航系统：惯性导航系统惯性导航系统：p分类分类：b)b)捷联式惯性导航系统：捷联式惯性导航系统：捷联式惯性导航系统没加速度计和陀螺仪的捷联式惯性导航系统没加速度计和陀螺仪的安装平台安装平台，而是将它们，而是将它们直接安直接安装在飞机的机体上装在飞机的机体上，因此它们重合于机体坐标系轴。，因此它们重合于机体坐标系轴。因安装在机体坐标系上，因此它们测量到的自然是飞机的加速度和角速度，因安装在机体坐标系上，因此它们测量到的自然是飞机的加速度和角速度，这些参量也可这些参量也可处理、转换计算处理、转换计算成导航坐标系内的导航参数。成导航坐标系内的导航参数。因为它没有安装平台，所以结构简单、体积小、成本低！但工作条件不好，因为它没有安装平台，所以结构简单、体积小、成本低！但工作条件不好，实现高精度非常困难！实现高精度非常困难！2024/8/8 周四周四163.导航系统：导航系统：惯性导航系统惯性导航系统：p总结总结：惯性导航的优点在于惯性导航的优点在于自主性自主性！惯性导航系统传感器的小误差会随时间累！惯性导航系统传感器的小误差会随时间累积成大误差，其误差大体上与时间成正比，所以纯惯导系统积成大误差，其误差大体上与时间成正比，所以纯惯导系统不能用于远程、不能用于远程、长时间飞行的导航长时间飞行的导航。但是我们可对其进行修正。现代惯性导航系统使用各种信号（如但是我们可对其进行修正。现代惯性导航系统使用各种信号（如 GPS,GPS,磁磁罗盘等）对其进行修正，采取控制论原理对不同信号进行权级过滤，保证的罗盘等）对其进行修正，采取控制论原理对不同信号进行权级过滤，保证的 INSINS的精度及可靠性，的精度及可靠性，这类系统称为这类系统称为组合导航系统组合导航系统。2024/8/8 周四周四173.导航系统：导航系统：仪表着陆系统仪表着陆系统：着陆是飞机航行中的一个重要阶段。飞行中，有一句警言叫：着陆是飞机航行中的一个重要阶段。飞行中，有一句警言叫：“危险危险11分分钟，起飞钟，起飞3分钟和着陆分钟和着陆8分钟分钟！”，可见着陆对飞行安全的影响很大！尤其，可见着陆对飞行安全的影响很大！尤其，着陆阶段是飞行员（除战斗机空中格斗除外）着陆阶段是飞行员（除战斗机空中格斗除外）操作最为频繁的阶段操作最为频繁的阶段，包括进，包括进场准备、对跑道、控制下滑率、飘落操作、放减速板、反推控制和刹车等等。场准备、对跑道、控制下滑率、飘落操作、放减速板、反推控制和刹车等等。一般来说，天气条件不佳的时候，对飞行员操作影响最大，天气不佳包括一般来说，天气条件不佳的时候，对飞行员操作影响最大，天气不佳包括风切变、暴雨、大雾风切变、暴雨、大雾等。对前面两种情况来说，仪表着陆系统的作用不是很等。对前面两种情况来说，仪表着陆系统的作用不是很大，但对视线不佳的天气条件下，仪表着陆系统给予飞行员足够的支持。大，但对视线不佳的天气条件下，仪表着陆系统给予飞行员足够的支持。一般情况下，目视安全着陆的基本条件为一般情况下，目视安全着陆的基本条件为“33条件条件”，即在飞行高度，即在飞行高度不低于不低于300米时，水平能见度不小于米时，水平能见度不小于3英里！但是如果达不到此条件，强行着英里！但是如果达不到此条件，强行着陆会可能会酿成事故！这时，仪表着陆系统会给予支持，也可以说仪表着陆陆会可能会酿成事故！这时，仪表着陆系统会给予支持，也可以说仪表着陆系统放宽了上述条件。系统放宽了上述条件。仪表着陆系统仪表着陆系统是民航系统广泛采用的一种无线电导航系统，主要用于引是民航系统广泛采用的一种无线电导航系统，主要用于引导飞机进行进场、着陆等操作。导飞机进行进场、着陆等操作。2024/8/8 周四周四183.导航系统：导航系统：仪表着陆系统仪表着陆系统：p组成组成：a)航向信标（航向信标（Localizer）：提供与跑道中线相垂直的无线电航道信号；）：提供与跑道中线相垂直的无线电航道信号；b)下滑信标（下滑信标（Glideslope）：提供与跑道成）：提供与跑道成23度的无线电下滑道信号；度的无线电下滑道信号；c)指点信号（指点信号（Marker Beacon）：在距跑道端几个特定点上垂直向上发射锥形波）：在距跑道端几个特定点上垂直向上发射锥形波束，为飞机提供距离检验。束，为飞机提供距离检验。2024/8/8 周四周四193.导航系统：导航系统：仪表着陆系统仪表着陆系统：p工作原理工作原理：a)航向信标（航向信标（Localizer）：提供与跑道中线相垂直的无线电航道信号。）：提供与跑道中线相垂直的无线电航道信号。通信载波频率：通信载波频率：108.10110.95MHz；频率步长：频率步长：59kHz；信道数：信道数：40;波瓣频率：波瓣频率：90Hz/150Hz。2024/8/8 周四周四203.导航系统：导航系统：仪表着陆系统仪表着陆系统：p组成组成：b)下滑信标（下滑信标（Glideslope）：提供与跑道成）：提供与跑道成23度的无线电下滑道信号。度的无线电下滑道信号。通信载波频率：通信载波频率：329.15335.00MHz；频率步长：频率步长：150kHz;信道数：信道数：40;波瓣频率：波瓣频率：90Hz/150Hz。2024/8/8 周四周四213.导航系统：导航系统：仪表着陆系统仪表着陆系统：p组成组成：c)指点信号（指点信号（Marker Beacon）：在距跑道端几个特定点上垂直向上发射锥形波）：在距跑道端几个特定点上垂直向上发射锥形波束，为飞机提供距离检验。束，为飞机提供距离检验。通信载波频率：固定通信载波频率：固定75MHz；波束频率：波束频率：400Hz/1300Hz/3000Hz。