無人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)課件：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

1獲得必要的導(dǎo)航要素：高度、速度、姿態(tài)、航向；（目標(biāo)）給出滿足精度要求的定位信息：經(jīng)度、緯度；引導(dǎo)飛機(jī)按規(guī)定計(jì)劃飛行；（路徑指導(dǎo)）接收預(yù)定任務(wù)航線計(jì)劃的裝定、并對任務(wù)航線的執(zhí)行進(jìn)行動態(tài)管理；（路徑計(jì)算）接收控制站的導(dǎo)航模式控制指令并執(zhí)行；并具有指令導(dǎo)航模式與預(yù)定航線飛行模式相互切換的功能；具有接收并融合無人機(jī)其它設(shè)備的輔助導(dǎo)航定位信息的能力；配合其它系統(tǒng)完成各種任務(wù)。

導(dǎo)航系統(tǒng)（沿3軸，位置回路、外回路）

導(dǎo)航子系統(tǒng)功能：向無人機(jī)提供相對于所選定的參考坐標(biāo)系的位置、速度、飛行姿態(tài)，引導(dǎo)無人機(jī)沿指定航線安全、準(zhǔn)時、準(zhǔn)確的飛行。因此導(dǎo)航子系統(tǒng)之于無人機(jī)相當(dāng)于領(lǐng)航員之于有人機(jī)。早期采用導(dǎo)航儀；1954年，無人機(jī)上才采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；1956年，中國開始研制慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；60年代，開始采用慣性導(dǎo)航、多普勒導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航等；70年代發(fā)展起來的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有全球性、高精度及實(shí)時三維導(dǎo)航測速能力，是導(dǎo)航技術(shù)的新突破，它和慣性組合的導(dǎo)航系統(tǒng)是最理想的導(dǎo)航系統(tǒng)。因此，本文重點(diǎn)介紹慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及常用的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。3

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS—InertialNavigationSystem，以下簡稱慣導(dǎo)）是一種不依賴于外部信息，只依據(jù)運(yùn)動載體本身的慣性測量（加速度）來完成導(dǎo)航任務(wù)的技術(shù)，也稱為自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)慣導(dǎo)的基本工作原理是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，測量運(yùn)動載體的加速度后，經(jīng)過一次積分可以得到運(yùn)動速度，經(jīng)過二次積分得到運(yùn)動距離，從而給出運(yùn)動載體的瞬時速度和位置參數(shù)。位移x：振動物體離開平衡位置的位移。速度v：振動物體位移的變化率。加速度a：物體振動速度的變化率。這三者之間數(shù)學(xué)關(guān)系是：（1）優(yōu)點(diǎn)：這種完全依靠機(jī)載設(shè)備自主地完成導(dǎo)航任務(wù)，與外界不發(fā)生任何光、電聯(lián)系。因此，隱蔽性好、工作不受氣象條件的限制（可全天候、全時間地工作于空中、地球表面乃至水下）、導(dǎo)航信息連續(xù)性好而且噪聲低、數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，使其成為航空、航天和航海領(lǐng)城中的一種廣泛使用的主要導(dǎo)航方法。②缺點(diǎn)：由于導(dǎo)航信息經(jīng)過積分而產(chǎn)生，定位誤差隨時間而增大，長期精度差；每次使用之前需要較長的初始對準(zhǔn)時間；設(shè)備的價格較昂貴；不能給出時間信息。1.特點(diǎn)72.結(jié)構(gòu)

（1）加速度計(jì)（2）慣導(dǎo)平臺：模擬一個導(dǎo)航坐標(biāo)系，把加速度計(jì)的測量軸穩(wěn)定在導(dǎo)航坐標(biāo)系上，并用模擬的方法給載體的姿態(tài)和方位信息。

（3）導(dǎo)航計(jì)算機(jī)

（4）控制顯示器8從結(jié)構(gòu)上來說，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可分為平臺式和捷聯(lián)式。（1）平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（GimbaledInertialNavigationSystem，簡寫GINS）：將陀螺儀和加速度等慣性元件通過萬向支架角運(yùn)動隔離系統(tǒng)與運(yùn)動載物固連的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其工作原理如下圖。3.分類9結(jié)構(gòu)組成：三軸陀螺穩(wěn)定平臺（包含陀螺儀）、加速度計(jì)、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、控制顯示器等部分組成。優(yōu)點(diǎn)：因?yàn)橹苯幽M導(dǎo)航坐標(biāo)系，所以計(jì)算比較簡單；因?yàn)槟芨綦x載體的角運(yùn)動，所以系統(tǒng)精度高。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大和制作成本高。（1）平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)10平臺式慣導(dǎo)又分為半解析式、幾何式和解析式。a.半解析式：又稱當(dāng)?shù)厮綉T導(dǎo)系統(tǒng)，系統(tǒng)有一個三軸穩(wěn)定平臺，臺面始終平行當(dāng)?shù)厮矫?，方向指地理北（或其它方位）。指北方位慣導(dǎo)系統(tǒng)自由方位慣導(dǎo)系統(tǒng)游動方位慣導(dǎo)系統(tǒng)（1）平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)11b.幾何式：有兩個平臺，一個裝有陀螺相對慣性空間穩(wěn)定；另一個裝有加速度計(jì)，跟蹤地理坐標(biāo)系。陀螺平臺和加速度計(jì)平臺間的幾何關(guān)系可確定載體的經(jīng)緯度，故稱幾何式慣導(dǎo)系統(tǒng)。主要用于船舶和潛艇的導(dǎo)航定位。精度較高，可長時間工作，計(jì)算量小，但平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜。c.解析式：陀螺和加速度計(jì)裝于同一平臺，平臺相對慣性空間穩(wěn)定。加速度計(jì)測量值包含重力分量，必須先消除重力加速度影響。求出的參數(shù)是相對慣性空間，需進(jìn)一步計(jì)算轉(zhuǎn)換為相對地球的參數(shù)。平臺結(jié)構(gòu)較簡單，計(jì)算量較大，主要用于宇宙航行及彈道式導(dǎo)彈。（1）平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)12Strap-downInertialNavigationSystem，簡寫為SINS：無穩(wěn)定平臺，加速度計(jì)和陀螺儀與載體直接相連。載體轉(zhuǎn)動時，加速度計(jì)和陀螺儀的敏感軸指向也跟隨轉(zhuǎn)動；陀螺儀測量載體角運(yùn)動，計(jì)算載體姿態(tài)角，從而確定加速度計(jì)敏感軸指向；再通過坐標(biāo)變換，將加速度計(jì)輸出的信號變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系上，進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算，如圖4-28所示。（2）捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)13優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低、可靠性高、功能強(qiáng)、精度高以及使用靈活，使得SINS已經(jīng)成為當(dāng)今慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的主流。缺點(diǎn)：慣性元件直接裝在載體上，環(huán)境惡劣，對元件要求較高；另外，坐標(biāo)變換中計(jì)算量大。（2）捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)這是哪種慣性導(dǎo)航系統(tǒng)？這又是哪種慣性導(dǎo)航系統(tǒng)？4.捷聯(lián)式與平臺式兩個主要的區(qū)別（1）無慣性平臺：陀螺儀和加速度計(jì)直接安裝在飛行器上，使系統(tǒng)體積小、重量輕、成本低、維護(hù)方便。但陀螺儀和加速度計(jì)直接承受飛行器的振動、沖擊和角運(yùn)動，因而會產(chǎn)生附加的動態(tài)誤差。這對陀螺儀和加速度計(jì)就有更高的要求。（2）坐標(biāo)變換：這種系統(tǒng)需要進(jìn)行坐標(biāo)變換，而且必須進(jìn)行實(shí)時計(jì)算，因而要求計(jì)算機(jī)具有很高的運(yùn)算速度和較大的容量。5.導(dǎo)航用坐標(biāo)系（1）地球坐標(biāo)系（簡稱e系）：原點(diǎn)為地球中心，z軸指向地球極軸，x軸通過零子午線。（2）載體坐際系（簡稱b系）：原點(diǎn)為載體重心，y軸指向載體縱軸方向，z軸指向載體豎軸方向。5.導(dǎo)航用坐標(biāo)系（3）平臺標(biāo)標(biāo)系（簡稱p系）：描述平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)中平臺指向的坐標(biāo)系，它與平臺固連。如果平臺無誤差，指向正確，則這樣的平臺坐標(biāo)系稱為理想平臺坐標(biāo)系。（4）導(dǎo)航坐標(biāo)系（簡稱n系）：慣性系統(tǒng)在求解導(dǎo)航參數(shù)時所采用