1、导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统1导航系统课程内容q传统导航仪表导航无线电导航q区域导航q简单区域导航（DME/DME、DME/VOR）q卫星导航q惯性导航q所需导航性能qRNP参数q基于性能的导航（PBN）导航系统-区域导航惯性导航概述q 惯性导航系统功能 自动测量飞机各种导航参数及飞机控制参数，供飞行员使用 与飞机其他控制系统相配合完成对飞机的人工或自动控制q 基本导航参数 即时位置 地速 航向角 航迹角 航迹误差 偏流角 风速、风向 待飞时间、待飞距离 飞机姿态角、角速率2022年6月2日导航系统2导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统3惯性导航系统-基本导航参数导航系
2、统-区域导航2022年6月2日导航系统4惯导系统与飞机其它系统的连接导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统5惯性导航系统组成q 基本组成 惯导组件 传感器、平台、导航计算机进行导航数据计算 控制显示组件 导航参数显示、初始数据的引入、系统实验、故障显示和告警 方式选择组件 控制系统的工作状态 备用电池组件 交流电源失效时，作为备用电源导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统6惯导传感器部件上盖上盖激光陀螺激光陀螺(RLG)加速度计加速度计外壳外壳电路板电路板电源电源高压电源高压电源导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统7INS/GPS 组合部件导航系统-区域导航2022年6月2
3、日导航系统8惯导基本原理导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统9惯性导航系统简要原理导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统10二自由度导航系统简要原理导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统11惯导平台导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统12坐标系之间的转换关系q 在飞机上模拟惯性坐标系或地理坐标系 利用三自由度自由陀螺或定位陀螺来模拟惯性系或地理系q 坐标系转换关系 地理坐标系与机体坐标系的关系（姿态角） 地理坐标系与惯性坐标系的关系（位置） 地球坐标系与惯性坐标系的关系导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统13地理坐标系与机体坐标系的关系q 设起始时地理坐标系
4、与机体坐标系重合。 飞机绕其竖轴转动角，相当于飞机方位发生了变化，即航向发生了变化 飞机绕其纵轴转动角，相当于飞机有倾斜角。 飞机绕其横轴转动角，相当于飞机有俯仰角。q 姿态角定义 航向角：飞机纵轴在水平面内的投影相对地理系指北线夹角 俯仰角：飞机纵轴与地平面间的夹角或飞机绕其横轴的转角 倾斜角：飞机横轴与地平面间的夹角或飞机绕其纵轴的转角导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统14机体系与地理系之间的关系 ZBZBYB导航系统-区域导航坐标系变换2022年6月2日导航系统15yxVyxVCVV cossinsincosC其中其中则则 导航系统-区域导航ZYXRZYXzyx)(cossin
5、0sincos00011111绕定点转动 坐标变换绕着绕着X X轴相对外框架转轴相对外框架转过过角，可以得到角，可以得到 导航系统-区域导航绕着绕着y1y1轴相对外框架转过轴相对外框架转过角，可以得到角，可以得到 1112111222(cos0sin010sin0coszyxRzyxzyx）绕着绕着Z2Z2轴相对内框架转过轴相对内框架转过角，可以得到角，可以得到 2223222)1000cossin0sincoszyxRzyxzyx（绕定点转动 坐标变换导航系统-区域导航ZYXZYXRRRzyxcossin0sincos0001cos0sin010sin0cos1000cossin0sinco
6、s)()(123）（绕定点转动 坐标变换方程ZYXcoscoscossinsinsincossinsincossinsinsincoscossincoscossincossinsinsincoscossinsincoscos当转角当转角、非常小（小非常小（小量角变换），可以近似得：量角变换），可以近似得： ZYXzyx111导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统19地理坐标系与惯性坐标系的关系地理坐标系相对惯性坐标系的运动组成：地球自转飞机运动导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统20地球自转的影响导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统21地球自转的影响coseNsineze
7、zNe导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统22飞行速度的影响导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统23飞行速度的影响hRVhRVNcoshRVN sincoscosVVNsinVVEVENVEVNcossincoshRVhRVEhRVhRVNE costghRVZ sinsin导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统24地理坐标系相对于惯性系的运动角速度由于地球自转和飞机飞行使地理坐标系相对于惯性坐标系的运动角速度为：tghRVhRVhRVeZeNEsinsinsincoscos导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统25实现惯导要解决的几个问题q 平台跟踪坐标系平台跟踪
8、什么样的坐标系是平台式惯导系统的首要问题q 舒勒摆原理在惯导系统中的应用普通地平液体摆做敏感元件受加速度影响较大，需用舒勒摆原理q 有害加速度的消除消除由于地球自转、飞机飞行引起的牵连、哥氏、重力加速度等q 初始对准问题惯导系统要正确而精确的工作，必须精确给定初始条件q 捷联惯导解算问题数学平台代替机电平台导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统26惯性元件1. 液浮陀螺仪2. 挠性陀螺仪3. 激光陀螺和光纤陀螺4. 加速度计导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统27惯性元件q 基本惯性元件陀螺、加速度计q 惯导系统对陀螺的要求 精度高陀螺仪的精度指标是漂移角速度 测量范围大要求陀螺
9、测量的最大角速度与最小角速度的比值大 工作角度非常小最大工作角度为角分、角秒级，这是为了最大限度地避免交叉耦合误差导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统28惯性元件-积分式液浮陀螺仪原理浮子积分陀螺仪实际上是一个二自由度陀螺仪，只是在它的内框轴上装有一个等效的阻尼器。 tytyDdtKdtHK00内框转角为：稳态时，陀螺力矩与阻尼力矩平衡：导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统29惯性元件-积分式液浮陀螺仪结构导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统30惯性元件-积分式液浮陀螺仪结构积分陀螺仪的内框转角要很小，要使角很小，可以采取以下措施： 减小H，所以积分陀螺的动量矩并不很大
10、，即陀螺尺寸很小，转速也不太高。 增大阻尼系数。为此把转子和叉架密封装在一个圆柱形浮筒内，浮筒用宝石轴承支承在壳体上，在浮子组件(内框组件)与壳体之间充有比重很大的氟化物液体。 要有高灵敏度，高精度的角位移传感器，一般采用高精度的微动同步器。 当工作时间较长时，内框偏转角也会增大，因此积分陀螺仪般都与随动系统相配合，因而内框轴上还装有力矩器，以产生外力矩平衡陀螺力矩。 导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统31惯性元件-积分式液浮陀螺仪应用测角速度空间稳定导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统32惯性元件-三自由度液浮陀螺仪 陀螺房做成球形，将转子密封在里面，球内充上惰性气体以减小
11、阻力，散热并防止机件氧化。在陀螺房间充满比重较大的液体以产生浮力把浮球全浮起来，减小摩擦力矩，浮液还对浮球转动产生阻尼力矩。为了消除摩擦力矩影响和提高稳定性，浮球还使用磁力定心。转子用动压气体轴承悬浮，陀螺球用液体悬浮，再加上磁力定心，这三种措施常称“三浮”技术。 导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统33惯性元件-挠性陀螺仪具有弹性支承的三自由度陀螺。由陀螺转子、挠性接头、驱动轴、磁滞马达、信号传感器和力矩器等组成。导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统34惯性元件-挠性陀螺仪工作原理导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统35惯性元件-挠性陀螺仪锥形运动导航系统-区域导航2
12、022年6月2日导航系统36惯性元件-挠性陀螺仪弹性力矩补偿磁力补偿机械惯性补偿导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统37惯性元件-动力调谐挠性陀螺仪导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统38惯性元件-激光陀螺q 激光的特点 具有很好的单色性 具有很好的相干性 亮度相当高q 激光产生的机理 光的自发发射、受激发射和受激吸收 激光产生的条件 激光器分类 晶体激光器 气体激光器 半导体激光器q 谐振腔和谐振条件导航系统-区域导航激光陀螺优点2022年6月2日导航系统39q 结构简单，没有活动的机械转子，不存在摩擦，也不受重力加速的影响；q 角速度测量范围很宽，从0.01/h-1000/
13、s以上；q 测量精度很高，可达0.001/h；q 能直接提供数字式输出，与数字式计算机联接方便；q 启动很快，可以说是瞬间启动，而一般陀螺需要几分钟的启动准备时间；q 工作可靠，寿命长，总成本不高等。导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统40激光陀螺：针对捷联惯导需求激光陀螺：针对捷联惯导需求基本原理基本原理：Sagnac效应，工作物质效应，工作物质是激光束，全固态陀螺是激光束，全固态陀螺优点优点结构简单、性能稳定、动态范围宽、结构简单、性能稳定、动态范围宽、启动快、反应快、过载大、可靠性高、启动快、反应快、过载大、可靠性高、数字输出数字输出发展发展1960 激光器出现激光器出现1963
14、 Sperry 制成首台样机制成首台样机1970s中中 精度突破，达惯性级精度突破，达惯性级1980s 初开始应用于各个领域初开始应用于各个领域 早期研制的机构早期研制的机构Honeywell：三角谐振腔，机械抖：三角谐振腔，机械抖动偏频动偏频Litton：四边形谐振腔，机械抖动：四边形谐振腔，机械抖动偏频偏频Sperry：三角谐振腔，磁镜偏频：三角谐振腔，磁镜偏频国内研制、应用状况国内研制、应用状况1970s中后期中后期 开始研制，开始研制，1990前后前后 进入实用进入实用1990s中后期中后期 应用达到高峰应用达到高峰面临问题面临问题成本较高、体积偏大、不能完全适成本较高、体积偏大、不能
15、完全适应捷联系统的要求应捷联系统的要求 惯性元件-激光陀螺导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统41光纤陀螺仪光纤陀螺仪：适应捷联系统需求：适应捷联系统需求 基本原理基本原理：同激光陀螺，只是用外部：同激光陀螺，只是用外部激光源，用光导纤维传播。激光源，用光导纤维传播。优点优点：成本低、体积小重量轻。：成本低、体积小重量轻。发展发展：1970s 光纤技术发展光纤技术发展1976 年犹它大学瓦里设想和演示年犹它大学瓦里设想和演示1978 麦道研制出第一个实用产品麦道研制出第一个实用产品1980s后，后，Littion，Honeywell，Draper 等公司以及英、法、德、日、苏等国也等公
16、司以及英、法、德、日、苏等国也展开了研制。展开了研制。 国内国内1980s初，原理研究、试验初，原理研究、试验（少数大学）（少数大学）1980s末，实质性研制末，实质性研制2000s，进入实用阶段，进入实用阶段精度精度：国外国外 0.001 0/h国内国内 0.01 0/h 惯性元件-光纤陀螺导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统42惯性元件-干涉仪光束3通过分光镜，将光束分解成按顺时针与逆时针方向转动的两个光束l与2。假如基座相对惯性空间不转动，即转动角速度=0,两个光束沿光纤行进的光程差L= L2- L1=0。在这种情况下，干涉条纹不动。如果出现转动角速度 ，光程差不为零。cAcRl
17、LLLlRLlRL4422221221导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统43Sagnac 干涉干涉 测量的基础测量的基础 提出提出：由：由 Sagnac 于于 1913年年 Sagnac 干涉仪干涉仪 光路传播光路传播当干涉仪相对惯性空间无转动，当干涉仪相对惯性空间无转动，则则 A、B 两路光程两路光程: :La = Lb = L 当干涉仪以当干涉仪以相对惯性空间旋转，则相对惯性空间旋转，则会引起两路光程不等。会引起两路光程不等。推导光程差推导光程差分离点的切向线速度分离点的切向线速度 2445cos40LLvv 在分束点两侧光路的投影都为在分束点两侧光路的投影都为 845cos0L
18、vvn光束光束 a 逆行一周，回到分束点时多走逆行一周，回到分束点时多走了一段光程了一段光程 aanatLLtvLL8另有另有 cLtaa/导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统44求解方程组，得到求解方程组，得到 8/LcLta)8/(1cLLLa类似，对光束类似，对光束 b，可求得，可求得 8/LcLtb)8/(1cLLLb两束光回到分束点时光程差两束光回到分束点时光程差 baLLL222)8/()(1)4/(cLcL因因 c 远大于远大于 L，上式近似为，上式近似为 cLcLL22)4/(44cA4光程差与输入角速度成正比光程差与输入角速度成正比该结论对其它形状的环路也成立。该结论
19、对其它形状的环路也成立。迈克尔逊实验迈克尔逊实验：矩形面积矩形面积 A = 600300 m2光源波长光源波长= 0.7m计算得：计算得：L=0.175m，即，即 / 4干涉条纹只移动了干涉条纹只移动了 1/ 4 条纹间距条纹间距如果用来测量如果用来测量 0.015 0/h 的角速的角速度，度，测量精度无法保证测量精度无法保证 导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统45激光陀螺相对干涉仪的改进激光陀螺相对干涉仪的改进无源谐振腔无源谐振腔激光谐振腔激光谐振腔测量光程差测量光程差谐振频率差谐振频率差 谐振腔谐振腔(Resonating Cavity)结构结构：激光管激光管(光源光源) + 反
20、射镜反射镜(光路光路)激光管激光管 = 氦氖气体氦氖气体 + 端面镜片端面镜片谐振腔结构及原理谐振腔结构及原理介质受激介质受激从基态到高能态从基态到高能态粒子数反粒子数反转分布转分布光通过激活物质光通过激活物质获得增益获得增益环形腔环形腔获得足够大的增益获得足够大的增益反射膜厚度反射膜厚度/ 4 获得所需波长获得所需波长选择环路周长选择环路周长形成同相驻波形成同相驻波端面镜片端面镜片获得偏振光获得偏振光 导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统46惯性元件-二频激光陀螺原理组成：激光发生器、光电探测器等 敏感部分：环形激光腔q 激光发生器：用来产生激光。 q 光电探测器：可以把光信号转变成
21、电信号输出。导航系统-区域导航惯性元件-二频激光陀螺原理2022年6月2日导航系统47导航系统-区域导航惯性元件-二频激光陀螺原理2022年6月2日导航系统48导航系统-区域导航惯性元件-二频激光陀螺原理2022年6月2日导航系统49导航系统-区域导航惯性元件-二频激光陀螺原理2022年6月2日导航系统50导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统51惯性元件-二频激光陀螺原理该光腔为谐振光腔当腔体转动时，正、反行波的谐振频率因所走的光程不同而不同。依据谐振条件，有 1顺方向的激光波长，2逆方向的激光波长。 得与1、2波长对应的激光频率为 两束光的频差为 21NLLNLLNLLNLL21LL
22、cNcfLLcNcf2211LAf4导航系统-区域导航惯性元件-二频激光陀螺原理2022年6月2日导航系统52导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统53例：三角谐振腔边长例：三角谐振腔边长=111.76mm 激光波长激光波长= 0.6328m 用来测地球转动角速度用来测地球转动角速度 LAV456021029. 7106328. 011176. 032/60sin11176. 04Hz43. 7导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统54激光陀螺导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统55激光介质激光介质：氦氖气体（频谱纯度：氦氖气体（频谱纯度高、反向散射小）高、反向散射小） 腔
23、体材料腔体材料：熔凝石英、陶瓷：熔凝石英、陶瓷 腔体尺寸腔体尺寸：周长：周长200450mm 谐振腔形状谐振腔形状：三角、四边：三角、四边 （优缺点：（优缺点： K = 4A / L） 装配组合装配组合：分离、：分离、整体式整体式 整体式激光陀螺介绍整体式激光陀螺介绍 谐振腔和光路谐振腔和光路 反射镜（反射膜、凹面、半透）反射镜（反射膜、凹面、半透） 氦氖气体氦氖气体 阴阳电极：双阳极阴阳电极：双阳极 控制回路：凹镜、激励电压控制回路：凹镜、激励电压 导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统56惯性元件-激光陀螺的误差q 误差种类 闭锁当输入角速度绝对值小于阀值时，陀螺没有频差输出。主要是
24、由于环路的非均匀性。减小闭锁的办法是提高加工精度，机械抖动偏频法、磁镜法、差动法。 比例因子不稳定输入输出比例因子不恒定。主要原因与激光器的几何形状和尺寸有关。要保持比例因子恒定，采用低膨胀系数的材料做腔体，采用温度补偿等措施。 零点漂移误差没有输入角速度时，有输出。主要原因有流动介质引起的朗谬尔流，磁场影响，出现多膜等。采用完全对称的双阳极共阴极结构并使用稳定分流电路；加磁屏蔽。导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统57激光陀螺误差源激光陀螺误差源：异于机械式：异于机械式误差分类误差分类 零偏误差零偏误差：输入角速度为零时激：输入角速度为零时激光陀螺的频差输出（光陀螺的频差输出（0 /
25、 h） 主要原因：郎缪尔流效应主要原因：郎缪尔流效应 直流放电激活原子直流放电激活原子阳极阳极阴极阴极阳极激活原子阳极激活原子综合形成郎缪尔流综合形成郎缪尔流导致激光在介质中折射率不同，导致激光在介质中折射率不同，造成附加光程差造成附加光程差补偿措施：补偿措施：双阳极方案双阳极方案 导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统58标度因数误差标度因数误差 激光陀螺频差输出公式激光陀螺频差输出公式 KV LAK4K值不稳定，也引起误差值不稳定，也引起误差K值大小的影响因素：值大小的影响因素： 谐振腔周长谐振腔周长 谐振腔形状谐振腔形状 激光波长激光波长(0.6328 / 1.15 / 3.39
26、) K值稳定性控制途径：值稳定性控制途径： 激光波长激光波长 谐振腔周长谐振腔周长 280mm 0.010/h 510- -6 120mm 0.10/h 310- -4 自锁自锁(Lock in)误差误差 自锁区：自锁区： - -LL 典型值：典型值：3600/h 导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统59产生原因产生原因：反射镜反向散射：反射镜反向散射 顺时光束顺时光束 A 的反向散射的反向散射 AA 和逆时光束和逆时光束 B 耦合耦合牵引（牵引（B 与与 A 频率趋同）频率趋同）类似，类似，A 与与 B 也频率趋同也频率趋同A与与B频率趋同，无频差输出频率趋同，无频差输出 克服自锁的
27、途径克服自锁的途径： 正面：尽力减小自锁区（提高光学正面：尽力减小自锁区（提高光学元件质量和气体纯度）元件质量和气体纯度） 间接途径：偏频间接途径：偏频 加偏置加偏置0，工作点移出自锁区，工作点移出自锁区 )(0KV0/KV导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统60机械恒定偏频机械恒定偏频：使激光陀螺绕输入：使激光陀螺绕输入 轴轴相对基座以足够大的相对基座以足够大的0恒速旋转恒速旋转 缺点：陀螺体积重量增大，缺点：陀螺体积重量增大，0难控难控机 械 抖 动 偏 频机 械 抖 动 偏 频 ： 采 用 高 频 角 振 动： 采 用 高 频 角 振 动(Mechanical Dithering
28、) 导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统61惯性元件-激光陀螺结构 双阳极共阴极和稳定分流电路克服朗谬尔效应引起的零漂 采用压电陶瓷控制腔长微小变化 机械抖动偏频防止闭锁导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统62惯性元件-飞机激光陀螺结构导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统63惯性元件-四频差动激光陀螺原理在腔环中加入磁光元件和水晶片水晶片有旋光作用，使线偏振光产生左旋和右旋圆偏振光，还可使左旋光和右旋光产生光程差。磁光元件使激光产生附加相移导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统64惯性元件-四频差动激光陀螺原理当激光陀螺没有角速度输入时，左右旋陀螺输出偏频差分别为
29、：两陀螺输出相减：当陀螺有角速度输入时，设角速度逆时针，陀螺输出频差为：BLffBRff0RLffLAffBL4LAffBR4LAfffRL42导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统65惯性元件-四频差动激光陀螺结构LSSf214导航系统-区域导航光纤陀螺q 光纤陀螺原理图，光路分析：当光纤线圈绕中心轴无旋转，检测器上产生峰值干涉条纹检测器输出电流最大 2022年6月2日导航系统66导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统67惯性元件-摆式加速度计原理导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统68惯性元件-摆式加速度计原理导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统69惯性元件-摆
30、式加速度计原理力矩达到平衡时，转轴停止转动当很小时，cos1，sin0 sincosmglkmalamglkmlmglkmalaK导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统70惯性元件-惯导对加速度计的要求q 灵敏限很小灵敏限为加速度计能感受的最小加速度值。q 摩擦力距小摩擦力距直接影响到加速度计的灵敏限。惯导用加速度计转轴上的摩擦力距必须控制在9.8*10-9牛顿米以内。q 量程大量程是指测量加速度的最大值和最小值的范围。飞机上要求测量的范围为10-5g6g，最大可达12g甚至20g。导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统71惯性元件-液浮摆式加速度计结构（一）具有弹性扭杆的液浮加速
31、度计，空心圆筒把重锤密封起来（浮筒组件），弹性扭杆产生恢复力矩，浮筒与壳体之间充满液体（产生浮力、减少摩擦、增加阻尼），微动同步器减少干扰力矩。导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统72惯性元件-液浮摆式加速度计结构（二）simkkklmacosakkkmlsim1cos很小时，具有平衡回路的液浮摆式加速度计导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统73惯性元件-挠性加速度计导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统74惯性元件-挠性加速度计原理电路导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统75第二篇 惯性导航系统第七章 陀螺稳定平台1. 概述2. 单轴陀螺稳定平台3. 三轴陀螺稳
32、定平台4. 舒勒原理和积分修正法导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统76陀螺稳定平台-概述q定义利用陀螺特性直接或间接地使某一物体相对地球或惯性空间保持给定的或按给定规律改变起始位置的一种陀螺装置。q分类按稳定轴数目：单轴、双轴、三轴陀螺稳定平台按工作原理分：直接、动力、间接陀螺稳定平台q特点可承受较大的干扰力矩，精确测量输出角度导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统77陀螺稳定平台-单轴陀螺稳定平台直接陀螺稳定器导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统78陀螺稳定平台-单轴陀螺稳定平台二自由度陀螺组成的动力陀螺稳定器导航系统-区域导航陀螺稳定平台-单轴陀螺稳定平台2022年
33、6月2日导航系统79导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统80陀螺稳定平台-单轴陀螺稳定平台三自由度陀螺组成的动力陀螺稳定器导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统81陀螺稳定平台-单轴陀螺稳定平台间接陀螺稳定器导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统82双轴陀螺稳定平台传统导航导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统83中心地垂陀螺仪-原理q 稳定系统两套稳定系统，干扰力矩由陀螺力矩和稳定力矩共同抵消q 水平修正系统两套修正系统q 快速起动系统两套快速起动装置传统导航导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统84中心地垂陀螺仪-水平修正系统传统导航导航系统-区域导航202
34、2年6月2日导航系统85中心地垂陀螺仪-快速起动装置传统导航导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统86陀螺稳定平台-三轴陀螺稳定平台结构导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统87基于二自由度陀螺的三轴陀螺稳定平台导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统88基于三自由度陀螺的三轴平台导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统89三轴平台导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统90陀螺稳定平台-三轴陀螺稳定平台（一）没有信号分配器时航向改变对两个水平稳定系统的影响(a)0o航向，(b)90o航向，(c)任意航向 导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统91陀螺稳定平台-三
35、轴陀螺稳定平台（二）稳定信号分配器基本原理（一）导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统92陀螺稳定平台-三轴陀螺稳定平台（三）稳定信号分配器基本原理（二）cos1干KMHsin2干KMH干干干kMKMKMHHH222221sincos旋转变压器转子中的合成磁场为：合成磁场和转子绕组I的夹角为：)(cossin12tgarctgarctgHHarctg导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统93舒勒原理（一）q 用液体摆做敏感元件进行水平修正，误差较大，不能用于惯性导航。q 利用舒勒摆原理：假设有一个质量为m，摆长为地球半径R的单摆，其摆动周期为844分钟，则不管这个摆的悬挂点以任何加
36、速度运动，摆始终停在当地地垂线方向上，或者说摆始终垂直于当地水平面。q 根据舒勒摆原理，利用积分修正法进行水平修正。 导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统94舒勒原理（二） 分钟摆的周期为：则，若则若使摆满足：代入上式：将则：很小时，物理摆的运动方程为：4 .84220 0 0 sincos0lg ,11 /,sin1cos sincos 00200gRTtRgtt tJmRJmlaRJmlJmglRalmgamlJ, lmgamlJRalRasssssbbabba 导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统95积分修正平台原理（一）Raba dtdtRadtdtaa 平台由A点移动
37、到B点，如果能控制平台转动的角加速度a，并使它等于b，最终可能使平台逆时针转动的角度恰好等于飞机由A点运动到B点时地垂线的变化角，根据这个思路，有 a经二次积分，可得导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统96积分修正平台原理-单轴惯导系统导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统97积分修正平台原理-单轴惯导系统修正回路如果要求a=b，则要求 即 HRkkkRMuA11HkkkMuA导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统98第二篇 惯性导航系统第八章 平台式惯性导航系统原理及应用1. 概述2. 指北方位惯导系统原理3. 自由方位惯导4. 游动方位惯导系统5. 惯性导航系统初始对准
38、导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统99平台式惯导系统-概述q惯性导航的分类平台式惯导 解析式惯性导航系统（平台相对惯性空间稳定） 半解析式惯性导航系统（平台台面平行于当地水平面） 几何式惯性导航系统（两个平台，一个相对惯性空间稳定，另一个在地理坐标系内）捷联式惯导无机电平台，陀螺、加速度计捆绑在机体上导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统100平台式惯导系统-概述导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统101平台式惯导导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统102平台式惯导系统-指北方位惯导q 平台坐标系模拟地理坐标系 利用舒勒原理及积分修正法进行水平修正 方位修正q
39、平台的作用建立一个理想坐标系；为加速度计创造一个良好的工作环境及测量基准；隔离飞机的角运动。q 地理坐标系运动规律由于地球非球体，所以tgRVRVRVRVMEeztMEeytNNxtsincoscos为短半径为长半径，其中peepeeMeNRRRRReeRReeRR / )sin1 ()sin321 (22导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统103平台式惯导系统-指北方位惯导平台控制1外横滚环 2俯仰输出同步器 3倾斜输出同步器 4。内横滚环力矩器 5俯仰环 6平台航向同步器 7方位环力矩器 8方位环 9俯仰力矩器 10内横滚环同步器 11外横滚环力矩器 12，外横滚伺服放大器 13内
40、横滚环 14内横滚伺服放大器 15方位环伺服放大器 16稳定信号分配器 17俯仰伺服放大器 18 锁定放大器 19方式选择器 20控制显示组件 21计算机导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统104平台式惯导系统-指北方位惯导平台控制q稳定系统方位轴稳定系统内横滚环稳定系统俯仰环稳定系统外横滚环稳定系统上、下陀螺自转轴垂直锁定电路q水平和方位修正利用地理坐标系运动规律给平台各轴施加指令角速率（施加到相应的陀螺力矩器上）导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统105加速度的测量问题q 平台支点的绝对加速度 平台支点绝对加速度 加速度计测量绝对加速度q 导航方程RVVaaVaeeepep
41、eepekepip2mipmipmgfamFfgmFagmFF弹弹弹惯令gVfVRggRVVgfepepeepeemeeepepeepm2 2则令导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统106指北方位惯导-导航参数的计算q 沿东向、北向的加速度标量计算q 飞机东向、北向速度及地速q 飞机的位置tgRVVfVtgRVVVfVMtxtxetytyMtytxtyetxtx2sin2sin2tytytyttxtxtVdtVVVdtVVxtx000022ytxtVVVtMxttNytdtRVdtRV0000sec导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统107指北方位惯导-指令角速率计算q 平台轴
42、的指令角速率q 其它导航参数计算tgRVRVRVRVMtxetipzMtxepipyNtypipxsincoscos导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统108指北方位惯导-系统实现原理q 平台模拟地理坐标系，可直接测出飞机俯仰、倾斜、航向角q 加速度计测出的是地理系各轴的比力，计算简单，对计算机要求低q 不能在高纬度工作（平台方位施距太大、计算机产生溢出）导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统109平台式惯导系统-自由方位惯导系统自由方位其方位轴指向惯性空间的某一个方向，平台的台面仍然要保持在当地的水平面内。由此可知，由于地球的旋转和飞机的运动，使这个平台方位相对地球(子午线)有
43、任意的角度，故称它为自由方位惯导系统，其平台称为自由方位平台。这样，平台上的方位陀螺将不施加控制信号，只给使控制平台保持在当地水平面内的陀螺施加控制指令。它克服了指北平台实现方位施距及方位稳定回路设计困难的缺点。 导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统110平台式惯导系统-自由方位惯导指令角速率自由方位平台指令角速率因为自由方位平台不施加方位指令为保持平台水平，相应的控制指令角速率为XtYtXpYp tKKKKKtipztipytipxpipzpipypipx001000cossin0sincos dttgRVKtKtgRVtKtMtxeMtxepipz0sin0sin0tipytipx
44、pipypipxKKKKcossinsincos比力方程pypxtytxffKKKKffcossinsincosKK导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统111平台式惯导系统-自由方位惯导系统原理导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统112平台式惯导系统-游动方位惯导系统（一）q 游动方位惯导系统使平台的台面处于当地水平面，方位轴只跟踪地球自转的分量q 游动方位系和地理坐标系的关系转换矩阵称为方向余弦矩阵，或姿态矩阵XtYtXpYpKKtttpppzyxzyx1000cossin0sincos导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统113平台式惯导系统-游动方位惯导系统（二）q
45、 地球系与地理坐标系的关系 地球系绕 轴转得 再将绕转，得 再将绕转，得即为eeetttzyxzyx1000cossin0sincossin0cos010cos0sin100001010导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统114平台式惯导系统-游动方位惯导系统（三）eeeeeepeeeeeeepppzyxCCCCCCCCCzyxCzyxzyxzyx333231232221131211sinsincoscoscoscoscoscossinsinsincossinsincossincoscossincoscossinsinsinsincoscossinsin1000cossin0sinco
46、ssin0cos010cos0sin1000010101000cossin0sincosq平台系与地球系间的关系为位置矩阵peC导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统115平台式惯导系统-游动方位惯导系统（四）q 反映了游动平台系与地球系之间的关系，随着飞机位置及游动角的变化， 也随之变化，且可由计算机算出。q 利用 即可求解、和。因此，只要知道 ，就可求得飞机的位置和航向。peCpeC 00000 0pepxpepypepxpepypeppepeppepepepeCtCttCCtC其中而peCpepypepx和导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统116平台式惯导系统-游动方位惯
47、导位置角速率（一）q 要求得 将已知的平台速度 、 转换到地理坐标系的 和轴上，利用指北系求位置角速率的公式得 ，再将 转换成游动平台系上得q 地理系相对地球的位置角速率方程为：pepypepx和pxVpyVtepytepx和tepytepx和pepypepx和tgRVRVRVMtxtepzMtxtepyNtytepx导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统117平台式惯导系统-游动方位惯导位置角速率（二）q 游动系的位置角速率由此可得：再将其转换到游动系上：cossinsincospypxtypypxtxVVVVVVtgRVVRVVMpypxtetyNpypxtetxsincoscoss
48、inpypxapypxMNMNMNMNtetytetxpepypepxVVCVVRRRRRRRRcossin11cossinsincoscossin11cossinsincos2222导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统118平台式惯导系统-游动方位惯导位置角速率（三）q 游动方位平台的指令角速率332313sincoscossincosCCCeeptpzpepyepepyeptpypepxepepxeptpx导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统119游动方位惯导-导航参数计算q 游动系上加速度方程：q 地速计算q 经纬度及游动角、航向角计算pxepypypyepxpxVCfV
49、VCfV333322220000 pypxtpypypytpxpxpxVVVVdtVVVdtVVcpCCtgCCtgCCCtgC真或 sin2313131321223213331331导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统120游动方位惯导系统原理q 克服了指北方位回路和方位指令计算实施的困难。q 可进行全球导航，基本不受极区影响。q 方位指令计算避免了溢出，但位置计算仍有溢出问题。导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统121平台式惯导系统-初始对准q 惯导初始对准的基本要求 输入初始位置（积分初始条件） 平台初始调水平q 平台对准方法 通过光学或机电方法，将外部参考坐标系引入平台
50、。 利用陀螺、加速度计进行自主式对准。q 对准分类 按对准内容分：水平对准、方位对准 按对准精度分： 初对准、精对准导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统122平台式惯导系统-指北方位初始对准（一）q 指北方位对准内容： 水平对准 水平粗对准水平精对准 方位罗经对准q 水平粗对准：利用加速度计感受误差角，误差信号送陀螺力矩器，使陀螺进动，经稳定电机带动平台向水平面转动。北向加速度计和东向陀螺组成的调水平电路导航系统-区域导航2022年6月2日导航系统123平台式惯导系统-指北方位初始对准（二）q 加速度误差刻度系数误差零点漂移误差q 陀螺误差陀螺力矩器标度系数误差陀螺漂移误差水平回路误差
