惯性导航_第1章

惯性导航 武汉大学 卫星应用研究所 朱智勤 第一章 惯性导航系统的 基本原理及分类 1.1 惯性导航的概念 一、牛顿定律 二、加速度、速度和航程之间的关 系 三、在平面上的导航 武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院 卫星应用研究所卫星应用研究所 一、牛顿定律 在经典力学中，牛顿建立的三条定律是惯性导航的力学基础。他的三条定律可以简 单叙述如下： 牛顿第—定律可以陈述为：“任何物体都保持其静止或匀速直线运动状态，直到作 用在物体上的外力迫使它改变这种状态为止”。 牛顿第二定律是说，一个力作用在一个物体上，这个力就使物体沿着力的方向产生 加速度，加速度的大小和物体的质量成反比，即 F ma   (0.1) 式中，F  表示外作用力，m是物体的质量，a  表示物体产生的加速度。 牛顿第三定律对作用力的性质进行了进一步的说明：“对于每一作用，总存在一等值 反向的反作用；或，两个物体之间的相互作用总是大小相等方向相反”。 武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院 卫星应用研究所卫星应用研究所 二、加速度、速度和航程之间的关 系  一种叫做加速度计的仪表可以测量运动体的 加速度。 惯性导航是以测量运动体的加速度为基础的导 航定位方法，测量到的加速度经过一次积分可 以得到运动速度。经过二次积分得到运动距 离，从而给出运动体的瞬时速度和位置数据。 它们三者之间的关系可以用如下公式表示： 武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院 卫星应用研究所卫星应用研究所 2 2 dV d s a dt dt   0 0 t V V adt  2 0 0 00 0 0 t t t S S Vdt S V t adt      式中 a — —表示运动体加速度； V — —表示运动体速度； S — —表示运动体移动距离。 武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院 卫星应用研究所卫星应用研究所 从上边所列写公式，我们可以看出一个沿直线 运动的载体，只要借助于加速度计测出它的加 速度，那么，载体在任何时刻的速度和相对出 发点的距离就可以实时地计算出来。这种不依 赖外界信息，只靠对载体本身的惯性测量来完 成导航任务的技术称做惯性导航，也称为自主 式导航。 武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院 卫星应用研究所卫星应用研究所 三、在平面上的导航 这是一个简化的二维导航例子。考虑一个载体在平面上运动，平面用坐标系 OXY 表 示。为简单计，设 0t  时，载体在坐标系原点 O 处。载体上放置一个平台，平台上放置 两个加速度计 xA 和 yA ，它们的敏感轴分别平行于 OX和 OY 轴。在载体各种机动运动状 态下，平台也能保持加速度计 xA 和 yA 的敏感轴方向始终分别平行于 OX 利 OY 轴方向。 这样，依据前面的公式，只要对加速度计 xA 和 yA 的输出信号 xa 和 ya 进行计算，就可以实 时计算出载体在坐标系中的位置和瞬时速度。 由上所述，可以看出平台在整个导航过程中，始终模拟平面坐标系 OXY。在工程上是 通过陀螺稳定平台来实现的。 1.2 惯性导航系统的 基本原理及分类 一、理想的地面惯性导航系统 二、惯性导航系统的分类 三、惯性导航的应用历史 武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院 卫星应用研究所卫星应用研究所 一、理想的地面惯性导航系统 图 2—l是一个在地球表面运动的简化惯性导航系统原理图。在以后的讨论中，如不 经特殊说明，均假定地球是半径为 R的圆球体。在陀螺稳定平台上放置两个加速度计 EA 和 NA 。稳定平台的功能就是保证在整个导航的过程中，使加速度计 EA 和 NA 的敏感轴 始终分别沿着东西和南北两个连线方向取向，且在当地水平面内。从而使加速度计 EA 测 量沿东西方向的加速度，加速度计 NA 测量沿南北方向的加速度。加速度计输出的信号 分别为 Ea 和 Na ， 武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院 卫星应用研究所卫星应用研究所 武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院 卫星应用研究所卫星应用研究所 将测出的加速度信号进行一次积分后，可分别得 出载体的速度分量： 0 0 0 0 t E E E t N N N V V a dt V V a dt       式中 0 0E NV V、 一载体的东向及北向初始速度。 载体的经纬度和，可以从下式求得：   0 0 0 0 1 1 sec t N t E t V dt R t V dt R            式中， 0 0 、 一载体的经度及纬度初始值。 武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院 卫星应用研究所卫星应用研究所 惯性导航系统的基本组成  1．加速度计。  2．模拟某一坐标 系的惯性平台。  3．导航计算机。  4．控制显示器。  5．电源及必要的 附件等。 武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院 卫星应用研究所卫星应用研究所 二、惯性导航系统的分类 平台式惯性导航系统 捷联式惯性导航系统 武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院 卫星应用研究所卫星应用研究所 平台式惯性系统 稳定平台是平衡环式惯性导航系统(通称平台 式惯性导航系统)的主要部分。 在一个稳定平台上,通常装有三个单自由度陀 螺(或装两个二自由度陀螺)和三个加速度计。 陀螺的三个敏感轴与加速度计的三个敏感轴应 严格保持方向一致,并构成一个直角坐标系,该 坐标系通称为平台坐标系。 武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院 卫星应用研究所卫星应用研究所  左图表示了一种平台式 惯性导航系统的原理方 案示意图。根据不同的 运载体,可以让系统稳定 平台有不同的稳定方式。 若运载体在地球表面附 近运动,可让稳定平台跟 踪当地的地垂线和真北; 若运载体在空间航行,则 可让稳定平台相对惯性 空间稳定。 武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院 卫星应用研究所卫星应用研究所 捷联式惯性系统  捷联式惯性系统的出现是惯性技术和计算机(硬件、软件)技术等多 项技术迅速发展的结果。目前,捷联式惯性系统在航空、航天、航 海和陆地各领域中已得到广泛的应用,已逐步取代平台式惯性系统。  在捷联式惯性系统中,陀螺仪和加速度计直接安装在运载体上,而不 再需要稳定平台。捷联式惯性系统中的陀螺和加速度计在运载器 飞行时,要直接感受过载、冲击、振动、温度变化等恶劣环境,从而 产生动态误差,所以与平台式相比它用的惯性仪表和器件有特殊的 要求。运载体上直接安装的陀螺和加速度计,它们随运载体的运动 必须能快速精确地测量并传输给计算机,计算机即时处理陀螺仪的 姿态数据,从而在计算机内形成一个“数学解析平台”来取代前面提 到的稳定平台的功能。 武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院 卫星应用研究所卫星应用研究所  捷联惯导系统还有其突出的优点。由于它去掉了机械 框架系统,结构大为简化,体积小,重量轻,成本低,可靠性 高,功耗小,使用方便灵活,维护简便。由于去掉了机械 框架系统,在导弹飞行过程中姿态不受限制,可以实现 全姿态变化。  捷联惯性系统由捷联惯性测量组合和导航计算机(或 捷联计算机)两大部件组成,如下图所示。 武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院 卫星应用研究所卫星应用研究所 三、惯性导航的应用历史  1、飞越英吉利海峡  2、闯入冰下迷宫  3、挑战广袤无垠的太空  4、“沙漠风暴”之战 武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院 卫星应用研究所卫星应用研究所 1、飞越英吉利海峡  第二次世界大战期间,火箭技术和飞机一样因军事用途 而取得了长足的进步,以德国的冯·布劳恩为首的研究 小组研制出了V-2火箭,并于1944年9月8日傍晚,在伦敦 市区爆炸了世界上投入战争的第一枚弹道式V-2导弹。 它从欧洲本土飞过英吉利海峡直奔英国首都,被希特勒 称为“第三帝国的秘密武器”。由于V-2导弹上装有一 套简单的惯性制导装置,从而才实现了从欧洲大陆飞越 大海,袭击预定的目标。出现在德国的V-2火箭上的第 一套实用的惯性制导系统,也是世界上第一个惯性制导 系统,尽管它的精度还比较低,但不能不认为是惯性技 术发展史上的一个里程碑。 武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院 卫星应用研究所卫星应用研究所 2、闯入冰下迷宫  1958年美国将第一台舰用惯性导航系统安装在攻击性核潜艇“魟鱼 号”上,完成了穿越北冰洋冰层下的航行,并顺利通过了地理上的北 极点,历时96个小时,航行1830海里,艇位误差仅为10海里左右。这一 史无前例的创举,震撼了全世界。  1960年11月15日,美国“乔治·华盛顿”号核潜艇开始履行长达两个多 月的潜海作战巡逻使命,艇上载有16枚射程为1200海里的美国第一 代潜射核导弹。核潜艇和潜射导弹上都装有惯性系统,在发射时刻 能测出潜艇自身精确的位置和姿态,因而保证潜艇在经历长时间的 水下航行后发射的导弹仍能准确命中地面目标。  1998年5月,俄国利用潜艇从水下成功地发射了一颗科学试验卫星, 由于艇上装有惯性系统,故能将该卫星精确地送入预定轨道。 武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院 卫星应用研究所卫星应用研究所 3、挑战广袤无垠的太空  第二次世界大战后的太空开发中,惯性技术又有了新的发展,特别是美国和 前苏联的激烈竞争又使其迅猛发展。  在竞争中常常领先一步的前苏联于1957年10月首先发射了世界上第一颗 人造地球卫星,接着在1961年4月,前苏联宇航员加加林乘东方一号飞船完 成了有史以来的首次载人太空飞行。  为了力争第一,美国推出了将人类送上月球的“阿波罗 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ”。该计划中开 发强大火箭的重担就落在了二战后移居美国的原德国火箭专家冯·布劳恩 为首的研究小组身上。由此开始了从“双子星计划”的载人太空飞行到“勘 探者”号无人探测飞船的月球探测,再到环绕月球轨道的载人飞行等一系列 试验,将人类登月之路不断铺设就绪。1969年7月20日美国东部夏令时间下 午10时56分15秒,美国宇航员阿姆斯特朗从登陆于月球表面的“飞鹰”号登 月船迈出了伟大的一步,人类终于站在月球上了。在飞船上就装有先进的 惯性导航系统,而阿波罗系列太空船登月5次,先后有12名宇航员踏上月球。 从而完成了从牛顿惯性定律到人们遨游太空的漫长历程。 武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院 卫星应用研究所卫星应用研究所 4、“沙漠风暴”之战  20世纪90年代初被美国称为“沙漠风暴”的海湾战争,是 第二次世界大战以来规模较大、采用新式武器较多的 一场现代化战争。这场战争是以航空武器为主体的现 代化常规战争,42天战争中,空袭占了38天,地面战争仅 占4天。战争中使用了多种精确制导武器,从多国部队 的武器装备来看,各种飞机、导弹、舰船及先进的坦克、 装甲车和自行火炮等都装备了各式各样的惯性系统,可 以说惯性系统在海湾战争中是多种武器的心脏,是决定 武器精度的关键。1999年以美国为首的北约对南联盟 的空袭也证明了这一点。