INS捷聯(lián)慣導(dǎo)解析課件

1、慣性導(dǎo)航技術(shù)第1頁(yè)，共41頁(yè)。1主要內(nèi)容一、牛頓力學(xué)和慣性導(dǎo)航二、陀螺和加速度計(jì)三、現(xiàn)代慣性導(dǎo)航技術(shù)第2頁(yè)，共41頁(yè)。2一、牛頓力學(xué)和慣性導(dǎo)航1牛頓定律相對(duì)慣性空間成立第二定律：F=maYZXF=ma第3頁(yè)，共41頁(yè)。3 公式對(duì)比：F=ma M=H 廣義的牛頓第二定律：對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的質(zhì)量有 M=H F=ma 對(duì)應(yīng) M=H ； m 對(duì)應(yīng) H=J 定軸性 陀螺的進(jìn)動(dòng) 陀螺的漂移（陀螺的精度） 第一定律-物體的慣性 （第二定律的特殊情況）第二定律-物體慣性的定量的量度物體相對(duì)慣性空間的運(yùn)動(dòng)特性. HM第4頁(yè)，共41頁(yè)。4加速度a是核心運(yùn)動(dòng)體相對(duì)慣性空間的運(yùn)動(dòng)： a=0 V0=0 a =0時(shí)，相對(duì)慣性空

2、間不動(dòng) V0=const a=0時(shí)，原速度相對(duì)慣性空間運(yùn)動(dòng) a0 ; a0 M=0（F=0），運(yùn)動(dòng)體保持慣性不變的特性，以此構(gòu)成儀表或系統(tǒng)，成為飛行器的姿態(tài)參考基準(zhǔn)；以此模擬慣性坐標(biāo)系或地理坐標(biāo)系等。第5頁(yè)，共41頁(yè)。52.加速度、速度和航程關(guān)系 第6頁(yè)，共41頁(yè)。63.在平面上的導(dǎo)航 簡(jiǎn)化的二維導(dǎo)航例平面用OXY坐標(biāo)系表示，t=0時(shí)，運(yùn)動(dòng)體在坐標(biāo)原點(diǎn)，有一個(gè)平臺(tái)，平臺(tái)上放置兩個(gè)加速度計(jì)OX-EastOY-NorthXOY在導(dǎo)航過(guò)程，平臺(tái)保持水平，且 :平臺(tái)確保加速度計(jì)始終輸出沿OX和OY向的加速度第7頁(yè)，共41頁(yè)。7力矩電機(jī)力矩電機(jī)力矩電機(jī)坐標(biāo)變換器第8頁(yè)，共41頁(yè)。84.平臺(tái)式慣性導(dǎo)航基本

3、原理：陀螺穩(wěn)定平臺(tái) X軸加速度計(jì)Y軸加速度計(jì)顯示器積分積分積分積分計(jì)算機(jī)第9頁(yè)，共41頁(yè)。9三軸慣導(dǎo)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖第10頁(yè)，共41頁(yè)。105.捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)(空間導(dǎo)航)速度位置加速度角速度輸出顯示加速度分量飛行器坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系間方向余弦矩陣導(dǎo)航計(jì)算修正姿態(tài)航向姿態(tài)及方位角 計(jì)算慣性元件數(shù)學(xué)平臺(tái)計(jì)算機(jī)第11頁(yè)，共41頁(yè)。11慣性組合示意圖捷聯(lián)慣性組合陀螺XYZXYZ陀螺加速度計(jì)冗余捷聯(lián)慣性組合第12頁(yè)，共41頁(yè)。12捷聯(lián)算法:轉(zhuǎn)旋矢量算法 1剛體有限轉(zhuǎn)動(dòng)的不可交換性 2（等效）旋轉(zhuǎn)矢量算法理論 方向余弦和四元數(shù)法在求解時(shí)用到了角速度矢量積分， 即 較大的不可交換性誤差 旋轉(zhuǎn)矢量的定義：剛體在

4、t時(shí)刻相對(duì)初始位置的空間位置可以用一個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量表示，即剛體以旋轉(zhuǎn)矢量為軸，轉(zhuǎn)動(dòng)等于幅值大小的角度時(shí)，此時(shí)剛體的位置即為剛體在t時(shí)刻的位置。 第13頁(yè)，共41頁(yè)。13等效旋轉(zhuǎn)矢量三子樣計(jì)算公式姿態(tài)矩陣的更新式中 為旋轉(zhuǎn)矢量幅值； 等效旋轉(zhuǎn)矢量反對(duì)稱(chēng)矩陣。 第14頁(yè)，共41頁(yè)。14 用矩陣表示第15頁(yè)，共41頁(yè)。156. 無(wú)陀螺捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)兩種加速度計(jì)的配置方案YXZYXZ第16頁(yè)，共41頁(yè)。16第17頁(yè)，共41頁(yè)。17二、陀螺和加速度計(jì).陀螺第一方案：慣性體定姿態(tài)不受外力和外力矩作用的慣性體，理論上可以保持相對(duì)慣性空間的姿態(tài)不變，在工程上不能實(shí)現(xiàn)理由是：（1）物體的重心和支承中心不重合（2）支

5、承摩擦力矩（3）溫度系數(shù)等第18頁(yè)，共41頁(yè)。18第二方案：轉(zhuǎn)子類(lèi)型陀螺轉(zhuǎn)子陀螺：（1）結(jié)構(gòu)-高速轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子（2）可實(shí)現(xiàn)的理由： M=H,H可大.M可小 所以漂移可很小.（3）分類(lèi)：液浮陀螺，靜電陀螺，撓性陀螺.第19頁(yè)，共41頁(yè)。19第一、二方案比較： 第20頁(yè)，共41頁(yè)。20第21頁(yè)，共41頁(yè)。21第三方案：振動(dòng)陀螺振動(dòng)的音叉 V=Asinwt輸入角速度 Q音叉繞支軸產(chǎn)生哥氏加速度： a=4VQ/K（是MMVG的基本工作方式）VQ第22頁(yè)，共41頁(yè)。22第四方案:光學(xué)陀螺薩格奈克效應(yīng)：法國(guó)物理學(xué)(GeorgesSagnac)1914發(fā)表的論文：用光的運(yùn)動(dòng)速度和它的發(fā)射源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，即光

6、的慣性性 ：相移 ：角速度 D：直經(jīng)，：光路長(zhǎng)B：波長(zhǎng)，C：光速以上原理形成：激光陀螺、光纖陀螺測(cè)量角速度X=(4dl/bc)Q=kQQt1t2Light source第23頁(yè)，共41頁(yè)。23三角環(huán)型激光陀螺原理圖第24頁(yè)，共41頁(yè)。24激光陀螺主要構(gòu)成部件 1 晶體塊狀材料 2 反射鏡 3 增益介質(zhì) 4 讀出機(jī)構(gòu) 5 相關(guān)的電路第25頁(yè)，共41頁(yè)。25Laser Gyro Error Source第26頁(yè)，共41頁(yè)。26干涉型光纖陀螺儀（I-FOG） 偏振器調(diào)制器圖4-4-4 開(kāi)環(huán)光纖陀螺儀 耦合器光纖線(xiàn)圈耦合器激光源鎖相放大器檢測(cè)器模擬角速度輸出振蕩器第27頁(yè)，共41頁(yè)。27Input/o

7、utput relationship of a dithered laser gyro第28頁(yè)，共41頁(yè)。28Ring Laser Gyro Error Budged Parameters (will meet a 1.852 km/h navigatio system CEP rate or better) 第29頁(yè)，共41頁(yè)。29第五方案： 集成微型陀螺儀：MMVG MMAMotionPak 陀螺精度：Range:(-100-+100)deg./sec ;Bias:2deg./sec; Alignment to base:1deg.; Resolution:14deg./hurday to

8、 day drift rate bias(100-360)deg./hdrift rate bias in run:(60-180)deg/h(averaged within 20 s)drift rate bias in run:(10-50)deg./h(averaged within 250 s)MotionPak 只能和做組合導(dǎo)航系統(tǒng)Y0X0Z0H第30頁(yè)，共41頁(yè)。30加速度計(jì)工作原理aL aM L a L第31頁(yè)，共41頁(yè)。31三、現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)-如陀螺漂移為0.01度/小時(shí)-1 海里 （10m-0。000056 0.01度/小時(shí)） 加速度計(jì)誤差為 5*10-6g-32.

9、4 米組合導(dǎo)航系統(tǒng)-INS+GPS INS+CNS多信息源融合導(dǎo)航系統(tǒng)如美國(guó)在航天飛機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)中采用五個(gè)機(jī)載計(jì)算機(jī)組成的冗余系統(tǒng)，處理由TACON，RA， IMU，星體跟蹤器等所獲得的測(cè)量信息，經(jīng)處理得出航天飛機(jī)的位置，速度，姿態(tài)等導(dǎo)航與制導(dǎo)信息，近年又有GPS系統(tǒng)加入。第32頁(yè)，共41頁(yè)。32第33頁(yè)，共41頁(yè)。33多信息源融合導(dǎo)航技術(shù)的說(shuō)明多信息源融合導(dǎo)航系統(tǒng)是指多傳感器信息融合來(lái)自多個(gè)傳感器的信息，變換到同一個(gè)導(dǎo)航坐標(biāo)系，建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程和測(cè)量方程，在一定的最優(yōu)估計(jì)準(zhǔn)則下，獲得飛行狀態(tài)矢量的最優(yōu)估計(jì)如速度，位置，角速度，姿態(tài)和各種失調(diào)偏差量，他們可以用來(lái)描述系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，最優(yōu)估計(jì)準(zhǔn)

10、則：最小均方誤差等，處理方式有最小二乘，Kalman，確定性系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)觀(guān)測(cè)器來(lái)估計(jì)系統(tǒng)的狀態(tài)；隨機(jī)系統(tǒng)使用alman 濾波器來(lái)獲得系統(tǒng)狀態(tài)的最小方差估計(jì)多信息源融合導(dǎo)航系統(tǒng)采用分散化濾波（聯(lián)邦濾波器）技術(shù)將一個(gè)高階系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題，分解成若干個(gè)子系統(tǒng)的局部狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)一組子觀(guān)測(cè)器或局部濾波器獲得每個(gè)子統(tǒng)的局部估計(jì)，并依據(jù)一定的準(zhǔn)則獲得系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)第34頁(yè)，共41頁(yè)。34自年代以來(lái)，人們采用分散化濾波技術(shù)：1).所謂的分散化濾波，是將一個(gè)高階系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題，分解成若干個(gè)子系統(tǒng)的局部狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)一組子觀(guān)測(cè)器或局部濾波器獲得每個(gè)子系統(tǒng)的局部估計(jì)，并依據(jù)一定的準(zhǔn)則獲得系統(tǒng)

11、的整體狀態(tài)估計(jì)2)導(dǎo)航和制導(dǎo)多傳感器信息融合，就是將每個(gè)傳感器的測(cè)量空間所組成的測(cè)量子空間，按著其測(cè)量數(shù)據(jù)間的關(guān)系進(jìn)行互聯(lián)，向局部空間投影，形成局部測(cè)量空間(最優(yōu)，次優(yōu)-)，局部測(cè)量空間按著一定的準(zhǔn)則向?qū)Ш脚c制導(dǎo)空間投影，形成系統(tǒng)狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)分散化濾波技術(shù)對(duì)于隨機(jī)系統(tǒng)是基于Kalman濾波理論的分散濾波問(wèn)題第35頁(yè)，共41頁(yè)。35聯(lián)邦濾波器的原理 參考系統(tǒng) 子系統(tǒng)1 子系統(tǒng)2 子系統(tǒng)n主濾波器 時(shí)間更新 最優(yōu)融合 局部濾波器 1局部濾波器2局部濾波器n第36頁(yè)，共41頁(yè)。36組合導(dǎo)航融合信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 通訊網(wǎng)絡(luò)智能接口綜合導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)航傳感器智能接口GPSINSCNSINMIS計(jì)算機(jī)導(dǎo)航傳

12、感器智能接口 雷達(dá)高度表 氣壓高度表TRN圖形圖像發(fā)聲器智能接口數(shù)字地圖 發(fā)生器 全景圖形圖像發(fā)生器紅外及近紅外 圖像傳感器綜合全景顯示器INMIS硬件結(jié)構(gòu)框圖第37頁(yè)，共41頁(yè)。37INMIS的組成INMIS 計(jì)算機(jī)-一個(gè)通用計(jì)算機(jī)智能接口 （個(gè)）導(dǎo)航與制導(dǎo)傳感器 （個(gè)）綜合導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)庫(kù)(3)圖形圖象發(fā)生器(2)綜合顯示器(5)第38頁(yè)，共41頁(yè)。38自主導(dǎo)航的理論和應(yīng)用（名詞介紹）是近年來(lái)特別強(qiáng)調(diào)的一種導(dǎo)航技術(shù)，主要是針對(duì)軍事用途的不依賴(lài)于外部信息的條件下實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)。最早指慣性導(dǎo)航，現(xiàn)在指：INS,天文導(dǎo)航，衛(wèi)星導(dǎo)航(GPS)。另：地形匹配上述系統(tǒng)的單獨(dú)應(yīng)用或組合應(yīng)用的理論構(gòu)成了自主導(dǎo)航的理論。線(xiàn)性和非線(xiàn)性濾波理論是關(guān)鍵技術(shù)。第39頁(yè)，共41頁(yè)。39衛(wèi)星導(dǎo)航原理(GPS)衛(wèi)星地球空間用戶(hù)空間衛(wèi)星控制網(wǎng)主控站監(jiān)視站第40頁(yè)，共41頁(yè)。40Holloman Air Force Base,New MexicoC.S.Draper Laboratory,MITLitton Cor.INS/Inertial Navigation