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1、1 现代导航测试技术 现代导航测试技术 Measuring and Testing Technique for Modern Navigation System 主讲 赖际舟 副教授主讲 赖际舟 副教授 南京航空航天大学导航研究中心南京航空航天大学导航研究中心 办公电话 办公电话 办公电话 办公电话 025025 8489230484892304 807807 手机 手机 手机 手机 1385147542913851475429 导航研究中心网页 导航研究中心网页 导航研究中心网页 导航研究中心网页 EmailEmail Laijz Laijz 2 第二章 惯性导航技术基础 2 1 地球导航的
2、基本关系 地球导航的基本关系 2 2 惯性导航中的常用坐标系 惯性导航中的常用坐标系 2 3 惯性导航的基本原理 惯性导航的基本原理 2 4 平台式与捷联式惯导系统平台式与捷联式惯导系统 3 第二章 惯性导航技术基础 2 1 地球导航的基本关系地球导航的基本关系 4 一 地球形状的描述一 地球形状的描述 通过测量 地球北极凸 出 南极凹陷 类似一个 梨形旋转椭球体 并且表 面有不同的地形地貌 因 此这种不规则的球体无法 用数学模型表达 在导航 中不用它来描述地球形状 圆球体只可在一定近似条 件 一般工程应用中 下 描述地球形状 称为第一 近似 2 1 地球导航的基本关系地球导航的基本关系 赤道
3、 北极 南极 赤道 北极 南极 10m 0m 30m 30m 0m 10m m 30 10 30 10 m 地球 参考椭球 赤道 北极 南极 赤道 北极 南极 10m 0m 30m 30m 0m 10m m 30 10 30 10 m 地球 参考椭球 赤道 北极 南极 赤道 北极 南极 10m 0m 30m 30m 0m 10m m 30 10 30 10 m 地球 参考椭球 5 一 地球形状的描述一 地球形状的描述 用大地水准体表 示地球形状比较 合理 但它也只 是一个近似的旋 转椭球体 不能 用数学模型表达 2 1 地球导航的基本关系地球导航的基本关系 大地水准面 设想地球被海洋全部包围
4、则各处海平面形 成的地球形状称为大地水准体 与地球自然 表面非常接近 大地水准面 设想地球被海洋全部包围 则各处海平面形 成的地球形状称为大地水准体 与地球自然 表面非常接近 71 的海水 的海水 6 一 地球形状的描述一 地球形状的描述 将大地水准体用一个 有确定参数的旋转椭 球体来逼近代替 偏 差平方和最小 这 种旋转椭球体称为参 考椭球体 简称参考 椭球或椭球 国际通用参考椭球体 2 1 地球导航的基本关系地球导航的基本关系 7 2 1 地球导航的基本关系地球导航的基本关系 自2008年7月1日起 中国全面启用2000国家大地坐标系自2008年7月1日起 中国全面启用2000国家大地坐标
5、系 8 标准 标准 e 6378137 赤道平面半径 长半径 n 6356752 极轴半径 短半径 e n e 1 298 257 椭圆度 ie 7 292115e 5 rad s 15 041 deg h 9 78033 m s2 2 1 地球导航的基本关系地球导航的基本关系 9 二 垂线 纬度和高度二 垂线 纬度和高度 纬度定义 该点垂线和赤 道平面的夹角 地心垂线 P0 O 地心连 线 和地心纬度 地理 测地 垂线 P0 A 法线方向 和地 理 测地 纬度 天文垂线 P B 重力方 向 和天文纬度 与地理 纬度差别很小 2 1 地球导航的基本关系地球导航的基本关系 PP0 飞行高度 飞行
6、高度 PP 绝对绝对 海拔海拔 气压高度 气压高度 PP 相对高度相对高度 10 ie R G g R ieie P ie R G g R ieie P ie R G g R ieie P 三 地球重力场特性三 地球重力场特性 地球的重力 重力 加速度 是地球本身 的万有引力 引力 加速度 和负方向的 地球转动的离心加速 度的合成 载体所在地点的重力 与纬度 高度有关 2 1 地球导航的基本关系地球导航的基本关系 11 三 地球重力场特性三 地球重力场特性 重力异常重力异常 由于地球形状不规则 质量分布不均 匀 所以地球上某点实际测量的重力数值与理论 值有差别 大地测量把这种差别称为重力异常
7、数值大小差异 数值大小差异 垂线偏斜垂线偏斜 实测的重力方向 大地水准面的垂直 方向 与该点在参考椭球处的法线方向不一致 矢量方向差异 最大不超过 矢量方向差异 最大不超过20角秒角秒 2 1 地球导航的基本关系地球导航的基本关系 12 参数英文全称表示符号 与对应相关单位的 转换关系 参数英文全称表示符号 与对应相关单位的 转换关系 海里 nautical mile nm1 海里 1852米 码yardyd1 码 0 9144米 英尺footft1 英尺 0 3048 米 英寸inchin1英寸 0 0254米 1929年国际水文地理学会议 通过用1角分平均长度1852米作为1海里1929年
8、国际水文地理学会议 通过用1角分平均长度1852米作为1海里 四 导航中的常用单位及关系转换四 导航中的常用单位及关系转换 2 1 地球导航的基本关系地球导航的基本关系 常用长度单位及其对应转换关系表常用长度单位及其对应转换关系表 13 常用角度单位及其对应转换关系表 参数英文全称表示符号 与对应相关单位的转换关 系 常用角度单位及其对应转换关系表 参数英文全称表示符号 与对应相关单位的转换关 系 度degree 1度 0 0174532925弧度 角分arc min 1角分 60角秒 角秒arc sec 毫弧度milli radianmrad 1毫弧度 3 44角分 206 4 角秒 密位m
9、ilmil1密位 3 6角分 216角秒 把圆周分成6000等份 每一等份弧长所对的圆心角叫1密位把圆周分成6000等份 每一等份弧长所对的圆心角叫1密位 2 1 地球导航的基本关系地球导航的基本关系 四 导航中的常用单位及关系转换四 导航中的常用单位及关系转换 14 第二章 惯性导航技术基础 2 2 惯性导航中的常用坐标系惯性导航中的常用坐标系 15 2 2 惯性导航中的常用坐标系惯性导航中的常用坐标系 惯性导航的基础是精确定义一系列的笛卡尔参考坐 标系 每一个坐标系都是正交的右手坐标系 在地球上进行导航 所定义的坐标系要将惯导系统的测量 值与地球的主要方向联系起来 因此涉及到了各种不同的坐
10、标 系 主要有以下几类 惯性坐标系惯性坐标系 地球坐标系地球坐标系 地理坐标系地理坐标系 载体坐标系载体坐标系 16 2 2 惯性导航中的常用坐标系惯性导航中的常用坐标系 一 惯性坐标系 一 惯性坐标系 i 系 系 相对于恒星固定的坐标系 相对于恒星固定的坐标系 导航中常用的参考坐标系 满足牛顿力学定律的坐标系 导航中常用的参考坐标系 满足牛顿力学定律的坐标系 常用的惯性坐标系有 常用的惯性坐标系有 日心惯性坐标系 用于行星际间的航行定位 日心惯性坐标系 用于行星际间的航行定位 地心惯性坐标系地心惯性坐标系地心惯性坐标系地心惯性坐标系 地球附近的近空间定位 地球附近的近空间定位 地球附近的近空
11、间定位 地球附近的近空间定位 Z Z轴沿极轴方轴沿极轴方轴沿极轴方 轴沿极轴方 向 向 向 向 XYXY轴在地球赤道平面内指向某个恒星 构成右手坐轴在地球赤道平面内指向某个恒星 构成右手坐轴在地球赤道平面内指向某个恒星 构成右手坐 轴在地球赤道平面内指向某个恒星 构成右手坐 标系 标系 标系 标系 地球卫星轨道惯性坐标系地球卫星轨道惯性坐标系 起飞点惯性坐标系起飞点惯性坐标系 17 坐标轴与地球固连 随地球一起转动 坐标轴与地球固连 随地球一起转动 原点为地球中心 原点为地球中心 Z轴指向地球极轴 轴指向地球极轴 X轴通过格林 轴通过格林 尼治子午面与赤道平面的交线 尼治子午面与赤道平面的交线
12、 即 空间直角坐标 系 即 空间直角坐标 系 导航定位中 常用经 纬度来表示载体相对于地球 表面的位置 导航定位中 常用经 纬度来表示载体相对于地球 表面的位置 两种描述位置的方式是可以互相转换的 两种描述位置的方式是可以互相转换的 2 2 惯性导航中的常用坐标系惯性导航中的常用坐标系 二 地球坐标系 二 地球坐标系 e系 系 18 2 2 惯性导航中的常用坐标系惯性导航中的常用坐标系 又称为当地水平坐标系 原点为载体重心 又称为当地水平坐标系 原点为载体重心 XY轴在地理 水平面内 即 轴在地理 水平面内 即X轴指向东 轴指向东 E 轴指向北 轴指向北 N Z 轴指向天 轴指向天 U 构成右
13、手坐标系 即 构成右手坐标系 即东北天坐标系东北天坐标系 也常有 也常有 北东地北东地 北西天北西天 等右手坐标系 等右手坐标系 载体在地球表面运动时 载体相对于地球的位置不断变 化 载体在地球表面运动时 载体相对于地球的位置不断变 化 地理系与地球系之间的关系可以用来定义载体的位置和速度 地理系与地球系之间的关系可以用来定义载体的位置和速度 地球不同位置的地理坐标系 相对于地球坐标系的角运 动不同 地理系相对于惯性系的转动角速度应分解为 地球不同位置的地理坐标系 相对于地球坐标系的角运 动不同 地理系相对于惯性系的转动角速度应分解为 g系相对于系相对于e系的转动角速度 系的转动角速度 e系相
14、对于系相对于i系的转动角速度 系的转动角速度 三 地理坐标系 三 地理坐标系 g系 系 19 原点为载体重心 y 轴指向载体纵轴方 向 z轴指向载体竖 轴方向 机体系与地理系之间 的转动关系可以用来 定义载体的姿态角 机体系与地理系之间 的转动关系可以用来 定义载体的姿态角 2 2 惯性导航中的常用坐标系惯性导航中的常用坐标系 四 机体坐标系 四 机体坐标系 b系 系 惯导系统中求解导航参数时所采用的坐标系 通常 它与系 统所在地位置有关 可以根据实际情况在上述坐标系中选择 五 导航坐标系 五 导航坐标系 n系 系 b y b z b x b y b z bx b y y b xb zb 20
15、 第二章 惯性导航技术基础 2 3 惯性导航的基本原理惯性导航的基本原理 21 一 基本原理一 基本原理 以牛顿力学定律为基础 在载体内部进行测 量 然后从中提取出载体系相对于导航坐标系的 运动加速度 经积分运算得到载体速度和位置等 导航信息 2 3 惯性导航的基本原理惯性导航的基本原理 主要特点 主要特点 完全自主式导航 不和外界发生任何联系 隐蔽性好 完全自主式导航 不和外界发生任何联系 隐蔽性好 可以三维导航 不受地域空间的限制 如 水下 地下 太空 宇宙等等 可以三维导航 不受地域空间的限制 如 水下 地下 太空 宇宙等等 22 Ay Ax y x 0y v 0 x v 0 y x a
16、 y a 0 x x y Ay Ax y x 0y v 0 x v 0 y x a y a 0 x x y Ay Ax y x 0y v 0 x v 0 y x a y a 0 x x y 惯性导航原理图 平面导航 惯性导航原理图 平面导航 2 3 惯性导航的基本原理惯性导航的基本原理 23 二 惯性导航系统的基本组成二 惯性导航系统的基本组成 惯性测量元件 惯性测量元件 IMU Inertial Measurement Unit 惯导平台惯导平台 用来跟踪导航坐标系 可以为实物或虚拟 用陀螺仪输出信息 来模拟 把加速度计的测量轴稳定在导航坐标系 并给出载体的姿态和 方位信息 还有主要由陀螺仪组成的稳定回路 导航计算机导航计算机 完成导航计算和平台跟踪回路中指令角速度信号的计算 控制显示器控制显示器 给定初始参数及系统需要的其他参数 显示各种导航信息 加速度计加速度计 用来测量载体沿导航坐标系三个轴的运 动线加速度 用来测量载体沿导航坐标系三个轴的运 动线加速度 陀螺仪陀螺仪 用来测量载体绕导航坐标系三个轴向的转 动角速度 用来测量载体绕导航坐标系三个轴向的转 动角速度 2 3 惯性导
