惯性导航汇总PPT演示课件

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1、1 第一讲 微惯性测量的基本原理与发展史 2 1 1导航 一 导航 基本概念 检测和确定这些参数是通过具有导航功能的系统完成 表征载体 运动物体 在空间运动过程的基本参数 位置 速度 姿态是描述载体运动的基本参数 导航的实质 获取载体的三种基本参数 或部分参数 3 1 1导航 一 导航 基本概念 导 引导 航 航行 导航 引导载体到达目的地的指示或控制过程 确定载体的位置 速度 姿态 导航 引导一个物体从一个地方航行到另一个地方 指 飞行器 舰船 车辆 人等 4 1 1导航 一 导航 分类 自主式导航 非自主式导航 不需要外部辅助 譬如惯性导航 多普勒导航和天文导航等 需要有关的地面或空中设备

2、配合完成 如无线电导航 卫星导航 5 1 1导航 一 导航 任务与系统 提供载体运动的空间6自由度导航参数 即3维位置和3维角度 决定一个物体在三维空间的位置和姿态 导航系统 能提供导航参数 实现导航任务的系统 导航装置通常分为陆基和星基两大类 早期导航系统 主要由功能单一的仪表组成 当前导航系统 由各种传感器构成的高精度多功能系统 6 1 1导航 一 导航 两种工作状态 指示状态 自动导航状态 在这两种工作状态下 导航系统的作用只是提供导航参数 为自动控制和导引载体按预定轨迹准确到达目的地的制导过程提供信息保障 导航系统提供的信息仅供驾驶员操作和引导载体之用 导航系统不直接对载体进行控制 导

3、航系统直接提供载体自动驾驶控制系统所需的信息 由其操纵和引导载体 7 1 2导航 发展历程 一 导航 发展历程发展历程 不同的导航手段 指路 最简单的导航方式 其特点是依赖于我们对周围环境已知特征或固定物体的观察和识别 并在他们之间运动 通常这些特征物的位置称为 航路点 地图 通过观察地图上的地理特征 如道路 山谷 河流等 来确定自己的位置 这些特征可根据网格系统 即坐标系 标志在地图上 有了坐标系 导航员就能确定自己在坐标系的位置 因此 坐标系对于导航过程来说是最基本的 8 1 2导航 发展历程 一 导航 发展历程发展历程 不同的导航手段 观星 即天体观测 观测自己相对于固定天体的位置 固定

4、天体有效地确定了一个在空间固定的坐标系 通常被称为 惯性 坐标系 天体观测可确定自己相对于该坐标系的位置 海上导航使用较多 推算 根据初始位置和速度 方位的测量来计算当前位置 惯性导航 利用惯性敏感器 陀螺仪和加速度计 测量相对于惯性坐标系的转动和平移来完成 9 1 2导航 发展历程 指南针的始祖 司南中国古代罗盘针 战国时期 利用磁石制成 确定南北方位 指南针 北宋初期 罗盘针 把指南针固定在方位盘中 10 1 2导航 发展历程 六分仪 天文经纬仪 11 1 2导航 发展历程 导航系统的发展过程 古代 指南针 天文 时钟 地形标识早期飞行依靠磁罗盘 速度表等导航仪表30年代各种无线电导航的问

5、世60 70年代惯性导航系统 多普勒导航系统80年代末全球定位导航系统问世90年代惯性 卫星组合导航系统大量推广21世纪新型导航系统和容错组合导航系统 12 1 2导航 发展历程 罗盘导航 地标导航 中国航海所使用的是磁针浮于水面的 水罗盘 欧洲改进 发展出具有固定支点的磁针 即 旱罗盘 18世纪末 液体磁罗经 出现 其罗盘悬浮于盛满液体的罗盘中 因液体的浮力作用 罗盘支撑轴针与轴承间的摩擦力大大减小 提高了系统的灵敏度和稳定度 早期的地标导航 利用在地图或海图上已标明位置的地物 地标 在载体上用光学等方法 用测向或测距法定出载体的地理位置 这种方法简单 但易受气候和地域条件的限制 13 1

6、2导航 发展历程 无线电导航 利用无线电波在均匀介质和自由空间直线传播及恒速两大特性进行导航 两种定位方式 1 通过设置在载体和地面上的收发系统 测量载体相对地面台站的距离 距离差 相位差进行定位 2 通过载体上的接收系统 接收地面台站发射的无线电信号 测量载体相对于已知地面台站的方位角进行定位 14 1 2导航 发展历程 无线电导航特点 无线电导航的优点 3点 精度高 可靠性高 价格低 无线电导航的缺点 5点 依赖地面台站配合 电波易受干扰 自身易暴露 生存力差 对抗性弱 15 1 2导航 发展历程 多普勒导航 20世纪60 70年代 不依赖地面导航台站的多普勒雷达导航系统出现 利用多普勒频

7、移效应 测量载体相对地面的速度 进而完成导航任务 16 1 2导航 发展历程 多普勒导航特点 多普勒导航的优点 多普勒导航的缺点 无需地面台站配合 主动工作 自主性强 1 易受干扰 易暴露 雷达开机发射电波 2 定位精度与反射面的具体情况密切相关 如 海面 沙漠反射性差 3 精度受雷达天线姿态影响大 如 载体做大机动运动时 可能无法收到反射波 17 1 2导航 发展历程 卫星导航 通过围绕地球运行的人造地球卫星 安装在载体上的卫星导航接收机接收卫星信号 并计算出自身的位置 速度等导航信息 卫星导航的发展以美国和俄罗斯 前苏联为主导 欧洲和中国于最近十余年才开始建立自己的卫星导航系统 向地球表面

8、发射经过编码和调制的无线电信号 编码中 载有卫星信号的时间和星座中各个卫星在空间的位置 姿态等信息 18 1 2导航 发展历程 地形辅助导航 地形匹配 系统通过高度 图像 视觉 传感器获得所在区域的相对高度和图像信息 与系统预存的该地域的3D数字地图 图像信息进行高度 图像的高精度对比 匹配 通过求取最佳匹配点 获得载体当前的位置 速度 姿态 19 1 2导航 发展历程 地形辅助导航 在某些特殊环境与条件下 对无线电波干扰严重的情况 如 人为干扰 山区 基于无线电信号的导航系统易受人为或自然干扰的影响 导致导航系统精度明显降低 因此 地形辅助 视觉导航系统应运而生 并日益受到重视与应用 20

9、1 2导航 发展历程 地形辅助导航 地形辅助 视觉导航系统与其它导航系统相比 增加了存储数字地图 图像的大容量存储器 优点 自主性好 抗干扰能力强 缺点 精度易受所处环境的影响 如 在相似的平坦地面或海面上空 难以获得有效的导航辅助信息 21 1 2导航 发展历程 天文导航 早期的天文导航只能通过观测天空中的星体来确定载体的位置 无法连续定位 工作方式受星体可见度的限制 利用天空中的星体在一定时刻与地球的地理位置具有固定关系这一特点 通过观察星体 以确定载体的位置 当前 射电天文等精确仪器 脉冲星导航 惯性 天文组合导航 22 1 2导航 发展历程 组合导航 载体机动性增大 航程加长 对导航系

10、统提出了高精度 长航时 航程 高可靠性的要求 各种导航系统在不同程度上存在不足与缺陷 导航系统迫切需要实现多信息的融合 以提高其冗余度和容错能力 以惯性导航为主的组合导航系统 子系统取长补短 使组合后的导航精度远高于子系统单独工作的精度 大大扩大了导航系统的使用范围 提高了系统的精度和可靠性 23 1 2导航 发展历程 组合导航 惯性 卫星导航系统都存在各自的优缺点 对导航信息进行信息融合 其优点如下 1 互补 超越 组合导航系统融合了各导航子系统的导航信息 相互取长补短 超越了单个子系统的性能和精度 同时提高了系统环境适应性 2 冗余 可靠 同一导航信息可通过多个导航子系统测量 获得冗余的测

11、量信息 增强了系统的冗余度 提高了系统的可靠性 3 低成本 通过组合导航技术在保证导航系统精度的同时 可降低单系统对器件的要求 从而降低组合导航系统的成本 24 1 3惯性导航 惯性导航空间6自由度 6D 的导航参数 3个正交的位置自由度可能为位置 速度或加速度3个正交的角自由度可能为角速度 角加速度6自由度确定了一个物体的位置和状况 25 1 3惯性导航 惯性导航建立在牛顿经典力学定律的基础之上 惯性定律 F ma Fvs F 惯性导航的主要器件是陀螺仪和加速度计 线运动用 加速度计 来测量 角运动用 陀螺仪 来测量 有了上述信息 就可以把加速度分解到惯性系 积分计算速度 位置等 26 1

12、3惯性导航 惯性导航惯性导航就是用陀螺仪和加速度计敏感的角速率和比力信息确定载体运动姿态 位置 速度等导航参数的过程 与其他类型的导航系统不同 如卫星导航系统 无线电导航系统等 惯性导航系统的导航过程是完全自主隐蔽的 它不需要从外部接收任何信息 声 光 电 磁 同时不受自然天气因素的干扰 27 1 3惯性导航 惯性导航 以牛顿力学为基础 只依靠安装于载体内的惯性测量传感器和相应的配套系统 建立基准坐标系 利用测量得到的角速度和加速度 通过积分和推算 获得载体的位置 速度 姿态 优点 高度自主 惯性是物体自身固有特性 缺点 长期工作稳定性差 误差随时间发散 28 1 3惯性导航 导航与制导导航

13、Navigation 提供航行体的导航参数 如位置 速度 姿态等 制导 Guidance 根据预定的航程 目的地和航线 控制引导载体到达终点的过程 29 1 3惯性导航 导航 只负责提供载体的运动信息 如位置 速度 姿态 制导 建立航迹参数 如位置 速度 航向等 根据测量的载体实际运动参数 自动产生控制 制导 信息 传输给载体的相应控制部件 30 1 3惯性导航 导航 制导与控制之间的关系 31 1 4惯性技术发展史 惯性技术是一项涉及到多学科 机电 光学 数学 力学 控制及计算机等学科 交叉的高新尖端技术 又是现代武器系统中的一项核心支撑技术 是在先进科学理论和制造工艺支持条件下发展起来的

14、世界上只有为数不多的国家有能力研制惯性技术产品 我国惯性技术在自力更生为主的基础上 发展至今已具有一定规模 32 1 4惯性技术发展史 惯性技术在我国的航空 航天 兵器 航海和陆地车辆的导航和定位中得到了广泛的应用 惯性技术还在以下民用领域里获得了成功应用 大地测量海洋勘探石油钻井航空测量摄影等海 陆 空 天 33 1 4惯性技术发展史 理论和基础 1 1687年牛顿提出了力学三大定律和引力定律 为惯性导航奠定了理论基础 2 1765年俄国欧拉院士出版了著作 刚体绕定点运动的理论 首次利用解析的方法对定点转动刚体作了本质解释 创立了陀螺仪理论的基础 3 1778年法国拉格朗日在 分析力学 中建

15、立了在重力力矩作用下定点转动刚体的运动微分方程组 34 1 4惯性技术发展史 理论和基础 4 1852年法国科学家傅科根据上述理论发现了陀螺效应 观察到了地球自转 并首先使用 Gyro Gyroscope 转动 观察 这个名词 开创了人们对工程实用陀螺的研究和开发 5 1923年 舒拉发表了论文 运载工具的加速度对于摆和陀螺仪的干扰 提出了84 4分的无干扰理论 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 舒拉调谐 35 1 4惯性技术发展史 理论和基础 6 1939年 苏联 布尔佳科夫通讯院士出版 陀螺仪实用理论 认为是陀螺仪实用理论的奠基性著作 7 1949年 J H

16、Laning Jr 发表名为 Thevectoranalysisoffiniterotationsandangles 的报告 建立了捷联式惯性导航的理论基础 8 1920年前后 出现了供飞机使用的转弯速率指示器 人工水平仪和方位陀螺 36 1 4惯性技术发展史 理论和基础 9 二战期间 德国V2火箭用两个二自由度陀螺和一个加速度计构成惯性制导系统 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 1 4的V2火箭提前掉入大海 10 1949年 美国将纯惯性导航系统试验安装到一架B 29远程轰炸机上 首次实现了横贯美国大陆的全自动飞行 自主飞行时间长达10小时 37 1 4惯性技术发展史 理论和基础 11 1958年 美国海军 鹦鹉螺 号核潜艇 从珍珠港附近出发 穿越北极冰层 历时21天到达英国波特兰港 装备液浮陀螺平台惯性导航系统 定位误差仅为20海里 震惊了世界 12 20世纪70年代 美国利顿 Liton 公司的LTN系列惯导系统 当时几乎占据了世界民航飞机标准惯导的全部订单 13 随着新概念测量原理的出现 新型惯性器