1、第一章 惯性导航中的地球、重力和坐标系 第一节 导航和惯性导航导航及其种类 导航(Navigation)，就是引导航行的简称，是指将载体从一个位置引导到另一个位置的过程。通常将飞机、舰船、导弹、坦克及宇宙飞行器等，统称载体，于是也就有了航空导航、舰船导航、陆地导航及航天制导之分。导航的基本要素：即时位置(坐标)、航行速度、航行方位(航向)或飞过距离等。几种主要导航方法简介：无线电导航：多普勒雷达导航；卫星导航；天文导航；惯性导航惯性导航基本原理惯性导航系统的基本组成加速度计，陀螺仪；稳定平台(机械的或数字的)；导航计算机；控制显示器；惯性导航的特点工作自主性强；提供导航参数多；抗干扰力强，适用
2、条件宽；惯性导航与惯性制导的区别1、惯性制导(Inertial Guidance)与惯性导航(1nertial Navigation)其原理是相同的，都基于牛顿运动第二定律，以测量载体加速度为其最基本的信息源；其组成也是基本相同的，都有陀螺、加速度计和稳定平台(对平台式惯性制导系统而言)；都有平台式和捷联式两种类型；输出参数也基本相同。2、二者区别主要是工作方式不同。惯性导航可以工作在两种不同的状态：一种是根据惯性导航系统输出的位置、航向等导航参数，驾驶员可以人工自由操纵并引导飞机按预定航线飞向目的地，此时惯导系统可以说是一个导航参数测量装置，输出这些信息后即完成它的任务；另一种是根据惯性导航
3、系统输出的导航参数，直接传递给飞行自动控制系统，通过控制系统解算，形成控制信号，直接操纵飞机自动按预定航线飞向目的，这时的惯性导航系统相当于飞行控制系统(或自动驾驶仪)中的一个敏感测量环节，由飞控系统实施闭环控制，驾驶员仅仅起到一个监控作用，不参与飞机操纵。习惯上把第一种工作方式称为惯导工作于指示状态，第二种工作方式称为自动导航状态。惯导系统用于各类导弹和各类火箭时，主要是利用惯导输出的位置、加速度,速度或航向姿态信息，形成指令信号，控制载体姿态、航向或关闭发动机，使其按预定轨道航行。显然这种控制运行是惯导与控制系统的紧密结合，类似惯性导航中的自动导航状态。但由于导弹、火箭均无人监控，所以习惯
4、上把无人操纵和监控的运载体上的惯导系统叫惯性制导系统。3、由于惯性制导系统用于无人操纵的载体，所以构成上不同于惯性导航，不设控制显示器。另外，惯性制导系统工作上还有两个特点：一是由于导弹、火箭运行时间很短，所以导航精度随时问增长而下降的矛盾便不突出，通常对其陀螺仪和位置精度的要求低于惯性导航一个数量级；二是导弹、火箭发射时的冲击振动载荷较飞机、舰船大得多，所以对惯性制导的强度、抗震及可靠性要求特别高。惯性技术的发展阶段1、惯性技术按陀螺仪的发展来分，最早为滚珠轴承式框架陀螺，以后又出现液浮、气浮支承陀螺以及静电、挠性、激光、光纤陀螺等。2、惯性技术按惯导系统所使用的陀螺仪来分，经历了这样几个阶
5、段。1942年德国V一2火箭上，用两个二自由度位置陀螺仪控制箭体的姿态和航向，用一个陀螺加速度计测量沿箭体纵轴方向的加速度。50年代，以液浮和气浮陀螺构成的平台式惯导系统开始在飞机、舰船和导弹上广泛应用。60年代动力调谐式挠性陀螺研制成功。挠性加速度计代替液浮摆式加速度计。70年代，在利用高压静电场支承球形转子、取代机械支承的静电陀螺研制成功后，先后在核潜艇和远程飞机上装备静电陀螺平台式惯导系统。70年代，在利用高压静电场支承球形转子、取代机械支承的静电陀螺研制成功后，先后在核潜艇和远程飞机上装备静电陀螺平台式惯导系统。80年代以后到90年代初，以激光陀螺、光纤陀螺为代表的捷联式惯导系统，得到
6、极其迅速的发展和非常广泛的应用。90年代惯性技术的发展，在系统方面主要是广泛应用惯导与GPS全球定位系统，以及惯导与其它导航系统的双重和多重组合。惯性技术的重要性及发展方向 惯性技术的发展表明，作为导航和制导，使用惯性系统有着其它导航和制导技术无法比拟的优点，尤其自主性、抗干扰性和输出参数的全面性等，对于军事用途的飞机、舰艇、导弹等有着十分重要的意义。例如，惯性制导的中远程导弹，一般来说命中精度70取决于惯性系统的精度，它基本上决定了导弹是否能打准的问题。对于核潜艇，由于潜航时间长，其位置和速度是变化的，而这些数据又是发射导弹的初始状态参数，直接影响导弹的命中精度，因而需要提供高精度的位置、速
7、度等信号，而唯一能满足这一要求的导航设备就是惯性导航系统。又如，战略轰炸机，由于要求它经过长时间远程飞行后，仍能保证准确投放(发射)武器而命中目标，只有使用惯性导航系统才是最为合适的，因为这样不依赖外界信息，隐蔽性好，不易受到外界干扰，又不会因沿途经海洋，过沙漠而影响导航精度。我国航空惯性导航系统的研制从70年代开始，经过二十多年的预研与技术攻关，走过了从液浮(陀螺、加速度计)到挠性、从平台式到捷联式、从纯惯性导航到惯性GPS组合导航的过程。目前，我国基本具备了自行设计、研制和生产惯性仪表及系统的能力和条件。特别是新型洲际导弹的成功发射、载人航天工程的圆满成功，标志着我国惯性技术已具有相当的水
8、平。随着惯性技术的不断发展，通过不断形成批量生产，降低成本，特别是加快微机电惯性仪表的研究，扩大民用领域。到2020年国内惯性技术的要求与发展是深入研究高精度惯性仪表和系统，满足新一代武器装备的需求。战略核导弹武器系统主要采用高精度惯性制导技术，因此，必须进一步提高惯性制导系统精度，解决惯性技术发展相对落后的局面。以新一代核潜艇为背景，开展静电陀螺惯性导航系统、海底地形/地貌匹配技术、重力/重力梯度修正匹配技术的研究，提高潜艇的重调周期，确保新型核潜艇长时间水下无源导航能力。武器系统对惯性系统有特殊要求，如杭冲击震动能力强、可靠性高，具有工作时间和储存寿命长、成本低廉，反应时间短，动态范围宽，
9、体积小和重量轻。针对以上要求，必需大力发展以光学陀螺、微机电陀螺和加速度计等小型惯性仪表为核心的低成本捷联惯性导航与制导系统，突破系统总体优化设计，快速对准和动态误差补偿等关键技术，同时与卫星定位系统或数字地图等定位技术相组合，提高惯性系统定位精度，增加冗余功能。卫星等航天器利用陀螺仪短时测量精度高和光学敏感器没有累积误差的特性，采用陀螺仪组成的惯性测量单元与光学敏感器共同组成卫星的姿态测量系统。以获取卫星等航天器持续的高精度的姿态和姿态角速率测量信息。因此，卫星除了要求陀螺有较高的精度、耐冲击、耐强振、小体积、低功耗外，还要求寿命及高可靠。根据我国空间发展计划，到2020年将发射200多颗卫
10、星，同时也将开展高精度的战场侦查系统、空间作战平台、移动通讯系统等卫星系统的研制。第二节 惯性和非惯性坐标系 研究陀螺仪表首先选定一个供测量时参考的某一基准，来测定飞行器的参数，从而指示飞机和控制飞行器的运动，也就是研究陀螺、飞行器、地球和惯性空间之间的关系。下面分别来研究这些坐标系。2023年1月28日惯导23陀螺坐标系 陀螺坐标系 ox轴：与陀螺内环轴一致，固连于内环上oz轴：与陀螺转子轴一致，固连于内环上，但不随转子转动oy轴：与oxy平面平行，大方向与外环一致，但一般不与外环轴一致2023年1月28日惯导24Geodetic Navigation Frame(地理坐标系）Geodeti
11、c navigation frame (local-level)-(TGL)or NED or(e,n,v)N and E are horizental,and N pointting to the nother and Epointting to the east direction V is vertical XTYTZTENVGL返回2023年1月28日惯导25Space-fixed or Inertial Frame(惯性坐标系）Space-fixed or inertial frame(Galilean)-(a)or(I)or(X,Y,Z)X and Y are in the equ
12、ator plane,X pointing certain star Z is the same axis as the earth rotation axis This frame is fixed frameXYZequator返回2023年1月28日惯导26Terrestrial Frame（地球坐标系）terrestrial frame-(E)or(ECEF)or WGS-84 or(T)or(XT,YT,ZT)XT and YT are in the equator plane,XT is in the intersection of the equator plane and th
13、e Greenwich meridian ZT is the same axis as the earth rotation axis This frame is a rotational frame,it rotate with the earthXTYTZTequatorGreenwich meridianX*t返回2023年1月28日惯导27Body Frame(Mobile Frame，机体坐标系)its orientation with respect to the Local-level frame(TGL)is defined by attitude angles-Euler a
14、ngles:-roll -pitch -headingZB返回2023年1月28日惯导28(平台坐标系）2023年1月28日惯导29坐标系转换关系（二）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2023年1月28日惯导30地理坐标系与机体坐标系的关系设起始时地理坐标系与机体坐标系重合。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。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2023年1月28日大气数据与惯导31 ZBZBYB返回2023年1月28日惯导32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
