第5章 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)概論 慣性導(dǎo)航

1、2022-3-7慣性導(dǎo)航原理慣性導(dǎo)航原理 中國民航大學(xué)電子信息工程學(xué)院中國民航大學(xué)電子信息工程學(xué)院崔崔 銘銘電子信息工程學(xué)院25.2 5.2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本功能慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本功能 5.1 5.1 導(dǎo)航及其分類導(dǎo)航及其分類5.3 5.3 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本組成 和簡要原理和簡要原理 第第 五五 章章 慣慣 導(dǎo)導(dǎo) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 概概 論論電子信息工程學(xué)院3一一 民航導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀民航導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀1 1 航路導(dǎo)航航路導(dǎo)航1.1 1.1 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng) （INSInertial Navigation SystemINSInertial Navigation System）

2、上世紀(jì)，陸基無線電導(dǎo)航逐漸成為航空的主要導(dǎo)航手段，但需地面設(shè)施的支持，無法實現(xiàn)自主定位和導(dǎo)航，限制了航空發(fā)展。民用飛機采用INS的主要由于其提供的導(dǎo)航信息連續(xù)性好，導(dǎo)航參數(shù)短期精度高，更新速率高。尤其是可以產(chǎn)生包括飛機三維位置、三維速度與航向姿態(tài)等大量信息，在民航中得到應(yīng)用，是民航飛機的基本導(dǎo)航系統(tǒng)。但垂直定位功能不好，誤差是發(fā)散的，不能單獨使用，在現(xiàn)代民用飛機上通常與氣壓高度表組合使用，確定垂直高度信息。5.1 5.1 導(dǎo)導(dǎo) 航航 及及 其其 分分 類類電子信息工程學(xué)院41.2 1.2 陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng) 陸基無線電導(dǎo)航盡可能把整個導(dǎo)航系統(tǒng)的復(fù)雜性集中到了地面導(dǎo)航臺,使機載

3、導(dǎo)航設(shè)備比較簡單，因此價格低廉且可靠性較高，迅速得到了推廣使用。目前支持民航航路空中交通管理的主要地面設(shè)備包括：NDB、VOR和DME。1.3 1.3 星基導(dǎo)航系統(tǒng)星基導(dǎo)航系統(tǒng) 目前，民航在GNSS應(yīng)用方面的工作也主要集中于GPS及相關(guān)技術(shù)的研究，試圖解決其在民航應(yīng)用中的特殊性問題，主要是解決完好性監(jiān)測等問題所開展的增強技術(shù)。電子信息工程學(xué)院52 2 終端區(qū)進近引導(dǎo)終端區(qū)進近引導(dǎo)2.1 2.1 大規(guī)模應(yīng)用中的大規(guī)模應(yīng)用中的ILSILS系統(tǒng)系統(tǒng) ILS的作用是向處于著陸過程中的飛機提供著陸引導(dǎo)信息，包括航向道信息，下滑道信息和距離信息，目前ILS在民航中廣泛應(yīng)用。根據(jù)性能ILS可以分為I類、II

4、類和III類。我國裝備絕大多數(shù)系統(tǒng)只能達到I類標(biāo)準(zhǔn)，少數(shù)系統(tǒng)性能可以達到II類。主要原因除設(shè)備性能外，很大因素取決于場地，場地達不到標(biāo)準(zhǔn)，障礙物較多場地不平整，造成航道， 下滑道彎曲，超出類別標(biāo)準(zhǔn)。同時周邊地區(qū)的電磁干擾也會導(dǎo)致引導(dǎo)信號超過使用標(biāo)準(zhǔn)。電子信息工程學(xué)院62.2 2.2 重要的輔助設(shè)施助航燈光系統(tǒng)重要的輔助設(shè)施助航燈光系統(tǒng) 助航燈對飛機的安全起降有著至關(guān)重要的作用，曾經(jīng)對飛機的安全降落起到關(guān)鍵作用。隨著ILS等著陸引導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用，現(xiàn)在的助航燈光系統(tǒng)更多地承擔(dān)輔助引導(dǎo)或備份的功能。2.3 2.3 局域衛(wèi)星增強系統(tǒng)局域衛(wèi)星增強系統(tǒng) 為將GPS用于飛機精密進近和著陸，F(xiàn)AA在1994年以

5、前主要著力發(fā)展LAAS。它屬于GBAS，由地面設(shè)施和機載設(shè)備組成。以提高機載GPS設(shè)備的精度、完好性、連續(xù)性和可用性等性能，用以滿足I類、II類和III類精密進近與著陸的要求。一套LAAS地面設(shè)施不僅可以覆蓋一個機場的所有跑道，而且可以覆蓋相距不遠的幾個機場。電子信息工程學(xué)院7二二 慣性導(dǎo)航的發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢慣性導(dǎo)航的發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢1 1 世界范圍內(nèi)慣性導(dǎo)航的發(fā)展歷程以及現(xiàn)狀世界范圍內(nèi)慣性導(dǎo)航的發(fā)展歷程以及現(xiàn)狀 2.1 2.1 第一代慣性技術(shù)第一代慣性技術(shù) 1930年以前的慣性技術(shù),自1687年牛頓三大定律的建立，并成為慣性導(dǎo)航的理論基礎(chǔ)；到1852年，傅科提出陀螺的定義、原理及應(yīng)用設(shè)想

6、；再到1908年由安修茨研制出世界上第一臺擺式陀螺羅經(jīng)。以及1910年的舒勒調(diào)諧原理；第一代慣性技術(shù)奠定了整個慣性導(dǎo)航發(fā)展的基礎(chǔ)。 電子信息工程學(xué)院82.1 2.1 第二代慣性技術(shù)第二代慣性技術(shù) 開始于上世紀(jì)4O年代火箭發(fā)展的初期。其研究內(nèi)容從慣性儀表技術(shù)發(fā)展擴大到慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用。首先是慣性技術(shù)在德國VII火箭上的第一次成功應(yīng)用。到50年代中后期，單自由度液浮陀螺平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)研制并應(yīng)用成功。2.3 2.3 第三代慣性技術(shù)第三代慣性技術(shù) 7O年代初期，出現(xiàn)了一些新型陀螺、加速度計和相應(yīng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。研究目標(biāo)是進一步提高INS的性能、并通過多種技術(shù)途徑來推廣和應(yīng)用慣性技術(shù)這一階段的主要陀螺包

7、括：靜電陀螺、動力調(diào)諧陀螺、環(huán)形激光陀螺、干涉式光纖陀螺等。 電子信息工程學(xué)院92.4 2.4 第四代發(fā)展階段第四代發(fā)展階段 當(dāng)前，慣性技術(shù)目標(biāo)是實現(xiàn)高精度、高可靠性、低成本、小型化、數(shù)字化、應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛的導(dǎo)航系統(tǒng)一方面，陀螺的精度不斷提高；另一方面，隨著新型固態(tài)陀螺儀的逐漸成熟，以及高速大容量的數(shù)字計算機技術(shù)的進步。 電子信息工程學(xué)院10電子信息工程學(xué)院112 2 我國慣導(dǎo)的發(fā)展歷程我國慣導(dǎo)的發(fā)展歷程 我國從“六五”開始，原國防科工委就把慣性技術(shù)納人預(yù)先研究和應(yīng)用發(fā)展中。經(jīng)過多年的建設(shè)，已經(jīng)形成一定規(guī)模的研發(fā)與生產(chǎn)能力。建成了比較現(xiàn)代化的中心實驗室。擁有一批慣性技術(shù)研究與生產(chǎn)隊伍，已經(jīng)研

8、制出了種類豐富的有自主知識產(chǎn)權(quán)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。在人造地球衛(wèi)星、運載火箭、飛機、艦艇上都采用了我國自主研制的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。雖然我們進步不小，但像慣 導(dǎo)這樣的高技術(shù)產(chǎn)品，我們與國外的差距有十年左右。美國九十年代就開始淘汰撓性陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)，我們現(xiàn)在還在大量使用。國外的激光陀螺技術(shù)已經(jīng)實用，尤其是美國，現(xiàn)役的飛機幾乎全部裝備或者正在換裝激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)，而我們到這一步還得幾年時間。電子信息工程學(xué)院123 3 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展方向慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展方向 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計和發(fā)展須要考慮權(quán)衡的主要因素： 1)必須針對并滿足應(yīng)用的需求。其中導(dǎo)航性能和價格成本是首要的兩個特性指標(biāo)。價格成本包含系統(tǒng)自身成本、

9、維護成本和使用壽命。因此對于很多導(dǎo)航應(yīng)用，合理的價格仍然被置于應(yīng)用要求的最前面。導(dǎo)航性能包括：導(dǎo)航的精確性、連續(xù)性、完整性、易用性。易用性是指系統(tǒng)易于使用和維護、系統(tǒng)的自主性等。 2)實際的應(yīng)用環(huán)境是最大的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)的體積、功耗、可靠性和可用性會關(guān)系到慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能否在具體的應(yīng)用環(huán)境中被采用。電子信息工程學(xué)院133)提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的通用性，拓展應(yīng)用領(lǐng)域。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展和技術(shù)進步呈現(xiàn)以下特點： (1)在無法接收GNSS信號或需要高度導(dǎo)航可靠性的應(yīng)用場合。高性能的自主INS仍具有不可替代的作用。(2)GNSS技術(shù)的快速發(fā)展和進步將取代部分傳統(tǒng)的INS應(yīng)用領(lǐng)域。 (3)INS與其他多種導(dǎo)航手段組

10、合。尤其是GNSSINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。受到普遍關(guān)注 (4)地面車輛導(dǎo)航等民用市場發(fā)展迅速，價格低廉的一體化、小型化、多模式組合導(dǎo)航設(shè)備成為市場發(fā)展的三個重要方向，這既是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的機遇，也是挑戰(zhàn)。電子信息工程學(xué)院141.1.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)功能慣性導(dǎo)航系統(tǒng)功能 自動測量飛機各種導(dǎo)航參數(shù)及飛機控制參數(shù)，供自動測量飛機各種導(dǎo)航參數(shù)及飛機控制參數(shù)，供飛行員使用與飛機其他控制系統(tǒng)相配合完成對飛機的飛行員使用與飛機其他控制系統(tǒng)相配合完成對飛機的控制?？刂啤?.2.基本導(dǎo)航參數(shù)基本導(dǎo)航參數(shù) 即時位置，地速，航向角，航跡角，航跡誤差，即時位置，地速，航向角，航跡角，航跡誤差，偏流角，風(fēng)速、風(fēng)向，待飛時間、

11、待飛距離，飛機姿偏流角，風(fēng)速、風(fēng)向，待飛時間、待飛距離，飛機姿態(tài)角、角速率態(tài)角、角速率5.2 5.2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本功能慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本功能電子信息工程學(xué)院15基本導(dǎo)航參數(shù)基本導(dǎo)航參數(shù)電子信息工程學(xué)院16慣導(dǎo)系統(tǒng)與飛機其它系統(tǒng)的連接電子信息工程學(xué)院175.3 5.3 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本組成和簡要原理慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本組成和簡要原理 1.1.基本組成基本組成1 1）慣導(dǎo)組件（）慣導(dǎo)組件（INUINU）包括傳感器、平臺、導(dǎo)航計算機進行導(dǎo)航數(shù)據(jù)計算）包括傳感器、平臺、導(dǎo)航計算機進行導(dǎo)航數(shù)據(jù)計算2 2）控制顯示組件（）控制顯示組件（CDUCDU）包括導(dǎo)航參數(shù)顯示、初始數(shù)據(jù)的引入、系統(tǒng)實驗、）包括導(dǎo)航參數(shù)

12、顯示、初始數(shù)據(jù)的引入、系統(tǒng)實驗、故障顯示和告警故障顯示和告警3 3）方式選擇組件（）方式選擇組件（MSUMSU）主要用來控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。）主要用來控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。4 4）備用電池組件（）備用電池組件（BUBU）包括交流電源失效時，作為備用電源）包括交流電源失效時，作為備用電源電子信息工程學(xué)院182.2.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)簡要原理慣性導(dǎo)航系統(tǒng)簡要原理0000ytyyxtxxVdtaVVdtaV 假設(shè)飛機在一個平面上飛假設(shè)飛機在一個平面上飛行，建立平臺使行，建立平臺使y y軸始終指北，軸始終指北，x x軸始終指東。沿軸始終指東。沿x yx y軸分別放軸分別放置加速度計，測出兩個軸的加置加速度計，測出兩個軸的加速度，則可得到飛機的速度和速度，則可得到飛機的速度和位置，即位置，即0000ytyyxtxxVdtaVVdtaV0000ydtVyxdtVxtytx電子信息工程學(xué)院190000ytyyxtxxVdtaVVdtaV0000ydtVyxdtVxtytx電子信息工程學(xué)院20用經(jīng)、緯度表示的簡化慣導(dǎo)系統(tǒng)方框圖用經(jīng)、緯度表示的簡化慣導(dǎo)系統(tǒng)方框圖電子信息工程學(xué)院213.3.實現(xiàn)慣導(dǎo)要解決的幾個問題實現(xiàn)慣導(dǎo)要解決的幾個問題1)1)平臺跟蹤的坐標(biāo)系平臺跟蹤的坐標(biāo)系平