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1、华南理工大学-惯性导航建椁仿真研究1.3惯性导航故障引发的飞行事故惯性元件陀螺仪的特性，因此容易产生偏在实际运用的中埋下了安全隐患。1. 3.1事故描述威西岛帕雷镇南方8公里海岸外，约300米的海域，印尼亚当航空公司的一架由美国波音公司生产的波音为这次的飞行事故埋下了伏笔，据悉，机场方面曾给予机组关于恶劣天气的警告。航班在飞行途中遇到了时速高达70公里的侧风，机组在那里改变了航向向东，然而去失去了联系。1 .3.2事故分析2 惯导系统的组成和工作原理2.1 功用惯性导航系统(Inertialnavigationsystem)是一种自主式的导航方式。基于惯导系统具有不对外辐射信号且不受到外界干扰
2、等优点，因此惯导适用于各方面用户的导航需求。伴随商业领域对导航需求的崛起以及军用导航的发展，惯性导航技术被不断应用到新的领域。惯导范围已有原来的陆地车辆，船舶，舰艇，航空飞行器等，拓展到如今的航天飞机，大地测量，地球物理测量，资源勘测，制导武器，星际探测，海洋深海探测,隧道以及铁路等方而，并且甚至在机器人，儿童玩具，摄像机中也被广泛应用何。上述的导航参数均有机载惯性导航系统中的平台式惯导所提供。而后伴随惯性导航系统的发展，出现了能够直接把惯性元件(加速度计和陀螺仪)直接固定在机体上的捷联式惯性导航系统。该系统不仅能够测得上述参数外，而且还能够得出垂直导航参数，例如惯性高度、垂直速度等。除此之外
3、，飞机沿三个轴相关的线加速度、角速率以及航迹加速度多达三十几种的参数都能够被捷联式惯性导航侧的。因此，捷联式惯性导航系统能为飞行员提供的信息比飞机上其他测量装置要多，捷联式惯导系统已经被称为是飞机的中心信息库。2.2 结构机载惯性导航系统通常都是有这几个部分所组成的：陀螺和加速度计、惯性平台、导航计算机、控制显示器、电源及必要的附件等。2. 2.1陀螺仪伴随航海、航天、航空领域的蓬勃发展，陀螺仪的种类也日趋繁多。从结构而言，有二自由度陀螺和三自由度陀螺。二自由度陀螺即该陀螺只能围绕两个相互垂直的轴进行自由旋转，如图2.1所示。三自由度陀螺即该陀螺能够围绕三个互相垂直的轴做自由旋转，如图2.2所
4、示。具有外框与内框的三自由度陀螺，能够保证转子轴在空间内指向任意方向，故由外框与内框组成的支架被称为外能支架。从三自由度陀螺结构而言，该陀螺中支点与重心相重合，且轴承没有摩擦，故称为自由陀螺。该陀螺为理想陀螺，可用于工作时间短的弹道式火箭或宇宙飞船。三自由度陀螺中拥有者能够模拟某一方为的定位的陀螺，如方位陀螺和垂直陀螺。而在二自由度陀螺中，根据其特性的不同又分为阻尼陀罗尼、积分陀螺仪、速度陀螺仪等。而根据支撑形式不同又分为气体支撑式、液浮式、滚珠轴承式曲。陀螺仪在航海、航天、航空等诸多领域都有着广泛的应用。如在航空中陀螺仪常被用作指示仪表（航空地平仪、陀螺半罗盘、罗盘系统、转弯仪等）；3 /
5、332华南理工大学-惯性导航建椁仿真研究用陀螺作传感器；测量飞机各种轴的转动角速率。三自由度陀螺仪具有稳定性和进动性两个基本特性。稳定性即三自由度陀螺能保持自转轴在空间的方向不发生变化的特性。而定轴性即陀螺转子高速运转之后，无外力矩作用，基座转动，但支撑在外向支架上的陀螺仪自转轴指向惯性空间的方位不变。虽然稳定性与进动性是任何一种脱落的的两个特性，但同时也是陀螺在运动工程中互相矛盾所体现的地方。在稳定性方面而言，陀螺的稳定性若是越好，则其进动性就减弱，换言之，若存在外力矩作用下，那么进动性减弱；而在进动性方而而言，若陀螺的进动性越明显，那么陀螺的稳定性则越差。这两个互相矛盾的特性，互相联系。而
6、当陀螺进行高速运转的时候，稳定性与进动性同时存在其运动过程中。但与此同时，陀螺的这两个特性也是可以互相进行转换的。若没有外力矩的作用时，则陀螺处于相对稳定的状态，此时陀螺则具备了章动或者定轴的特性。但若一旦受到外力矩的作用时，就会从稳定的状态转换到进动，从而表现出其进动性。但之后外力矩若消失后，陀螺又会表现出相对的稳定。而这两个特性相互转换的条件是陀螺的自转和外力矩作用的时间。陀螺在实际被运用的时候，受到各种方向，大小的常常变化的外力矩作用是无法避免的。因此，陀螺的稳定性是相对的、暂时的。但相反脱落的进动性却是绝对的、经常地。2. 2.2加速度计加速度计(decelerometer)是通常被用
7、于测量加速度的元件。测量加速度是当代工程技术提出的重要研究对象：。其中，动载荷被定义为物体具# / 332华南理工大学-惯性导航建椁仿真研究有较大加速度时，该物体所装备的仪器设备及其本身和另外无加速度的物体都能提供相同大的加速度力。而测出加速度是求解动载荷必要条件。另外，若欲知飞机，舰艇和火箭各瞬时所在的空间位置，可以利用惯性导航进行连续测量加速度，再通过积分运算从而获取速度矢量，二次积分便可获得方向位置坐标信号，同方式下可测得三个坐标方向的位置信号，综合运动曲线并且可给予航行器瞬时空间位置。在另外部分控制系统中，加速度信号常被需要作为产生控制作用所需的信息，而连续的被测量加速度也是必须的。加
8、速度传感器为能够不断给予加速度信号的器件:。加速度计的结构如下图2.3所示：信号输出器、敏感器件、参考质量、外壳（固连被测物体）。加速度具有相对一定量程和敏感性、精确度等。而在某种程度而言，这些要求也是矛盾的。不同加速度计意因于原理不同,导致量程也不尽相同，同样，对突变加速度频率的敏感性也不尽相同。常见加速度依具的原理有：参考质量由壳体与弹簧相连接，加速度分量的大小由壳体与它相对的位移来反映，该信号可以利用电压器来输出；参考质量由壳体和弹性细杆相连接，加速度所产生的动载荷会将杆变形，而变形的大小会被应变电阻丝来感应，而加速度分盘大小的电信号成为输出量等。为了测出空间或平面的加速度矢量，通常将安
9、装两三个加速度计，用来分别测量一个加速度计分量。随着测量要求和被测物体的不同，各加速度计具有不同的实现方式和不同原理。譬如飞行器上，陀螺加速度计是按陀螺原理来设计的。加速度计通常用来测量运载体的线加速度。最早应用的飞机仪表应属测量飞机过载的加速度计。而对飞机而言，加速度计还可以用来监控飞机结构疲劳受损情况与发动机故障。在惯性导航系统中，敏感元件离不开具有高精度的加速度计。使用场合的不同，会让加速度计在性能上有较大的不同。在要求较高的惯性导航系统中，则要求其分辨率在O.OOlg,而量4/334程却不大；用于测量飞行器过载的加速度计精度要求不高，却有着10g的量程。2.3工作原理2. 3.1常用坐
10、标系众所周知，若想要研究某一物体相对于另一物体运动，则必须得之具有和这两个运动物体有所关联的参考坐标系，才可以确定其位置曲。无论是飞机、车辆、还是舰船，最为重要的是要了解物体相对于地理坐标系下的水平姿态角与航向角和相对地球的地理位置，故在运动物上获得一个惯性坐标系或一个地理坐标系是极为重要的。惯性元件陀螺仪具有着重要的作用是它能在运动物体上模拟惯性坐标系或者地理坐标系。下述坐标为惯性领域中最为常见的坐标系：(1) 惯性坐标系(InertiaCoordinateSystem)该坐标系原点为地球的中心，x轴与y轴均位于赤道面，其定义无关紧要，此处定义为x轴指向春分点，y轴与另外两轴形成右手坐标系，
11、z轴则与地球自转相重合。通常该坐标系与时间无关紧要，是相对惯性空间不做任何运动的理想坐标系。此坐标系亦称地球固定坐标系，于导航中经常被作为参考坐标系。(2) 地球坐标系(geocentriccoordinatesystem)地球坐标系有两种几何表达方式，即地球大地坐标系和地球直角坐标系。地球大地坐标系的定义：地球椭球的中心与地球质心重合，椭球的短轴与地球自转重合。空间点位置在该坐标系中表述为L、B、Ho地球直角坐标系的定义为：原点与地球质心重合，X轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点，Z轴指向地球北极，Y轴在赤道平而里与XOZ5/335华南理工大学-惯性导航建椁仿真研究构成右手坐标系。(3)
12、 地理坐标系(geographiccoordinatesystem)地理坐标系，被认为是实际世界的坐标系，被用于明确事物在地球上具体的坐标系。任何特点的地理坐标系都是由相对应特点椭圆体和其地图投影相构成的，而该椭圆体则是对地球形状数学描述，地图投影则是把球面坐标与平面坐标相转换的一种数学方法。实际运用的地图大多数是按照某特定的地理坐标系来表示坐标数据。(4) 机体坐标系(vehiclecoordinatesystem)机体坐标系，固定于飞机上或者飞行器上且遵循右手法则的三维正文直角坐标系，该原点位于飞行器的重心，0X轴位于飞行器参考平面内平行于机身轴线并指向飞行器前方，0Y轴垂直于飞行器参考面
13、并指向飞行器右方，0Z轴在参考面内垂直于XOYP面，指向航空器下方。(5) 大地坐标系(GeodeticCoordinateSystem)大地坐标系是大地测量从参考椭球面建立起来的坐标系。地面店的位置用大地经度、大地纬度和大地高度来表示。大地坐标系的确立包括选择一个椭球体、对椭球进行定义和确定大地起算数据。一个大小、形状、定向和定位均己明确的地球椭球体叫做参考椭球。而参考椭球一旦确定，则标志着大地坐标系己经建立。大地坐标系是一种地理坐标系。大地坐标系为右手坐标系。(6) 导航坐标系该坐标系为惯性导航系统在解算导航参数时必须运用到的坐标系。对于捷联惯性导航系统而言，惯性测量元件所测得的机体系中的
14、分量，但导航参数却不在机体坐标系下解算，因此必须要把加速度计中所测得的量分解到另一方便解算的导航参数的坐标系下，然后进行导航解算。因在载体内部所测得坐标系不同以及所选的导航坐标系的不同的差异，导致了构成不同的导航方案购。地理坐标系为最为常见的导航坐标系。因选择地理坐标系为导航坐标系时，经纬度相近90度时，便会有发散的情况,因此并不合适全球导航。而对于高纬度区域，单位经度角对应的地球表面的弧度将变短，陀螺力矩将承受过大的控制电流，在物理上不易实现。因此，游动方位角坐标系被用于极地航路的导航。而本文建模仿真将采用地理坐标系作为导航坐标系。又因地理坐标系系与载体坐标系可以确定姿态矩阵，故采用地理坐标
15、系最为方便。木文第三章将对大地坐标系与地心坐标系进行详细介绍，并利用matlab软件平台实现两个坐标系相互转换的建模仿真研究。2. 3.2惯导原理与框图惯性导航为一种自主式的导航方法。基于牛顿定律之上，利用一组惯性元件加速度计进行连续的测量，后再将其中提取出运动载体相关导航坐标系的加速度信息区来断运载体与其目标的相对位置；后因载体初始速度己知，故将其一次积分，得出载体相对于导航坐标系的即使位置信息。而对于例如飞机这类近地运动的载体而言，如果导航坐标系选取的为地理坐标系，那么上述相关速度信息的水平分量即为飞机的地速。除此之外，利用该该己知导航坐标系，通过计算与测量，就可得到该载体相对地平坐标系下的相关姿态信息，即俯仰角、横滚角、航向角。因此，利用惯导系统的相关工作，就可即时解算出全部的导航参数日勺# / 339华南理工大学-惯性导航建椁仿真研究平台式惯性导航与捷联式惯性导航为惯性导航系统中的两大类。当中，捷联式惯性导航把惯性元件（加速度计和陀螺仪）直接安装于运载体之上，而并不需要常平架系统和稳定平
