惯性导航技术的工作原理.doc

惯性导航系统基本工作原理惯性导航系统是十分复杂的高精度机电综合系统，只有当科学技术发展到一定高度时工程上才能实现这种系统，但其基本工作原理却以经典的牛顿力学为基础。设质量m受弹簧的约束，悬挂弹簧的壳体固定在载体上，载体以加速度a作水平运动，则m处于平衡后，所受到的水平约束力F与a的关系满足牛顿第二定律： 。测量水平约束力F，求的a，对a积分一次，即得水平速度，再积分一次即得水平位移。以上所述是简单化了的理性情况。由于运载体不可能只作水平运动，当有姿态变化时，必须测得沿固定坐标系的加速度，所以加速度计必须安装在惯性平台上，平台靠陀螺维持要求的空间角位置，导航计算和对平台的控制由计算机完成。陀螺仪组件测取沿运载体坐标系3个轴的角速度信号，并被送入导航计算机，经误差补偿计算后进行姿态矩阵计算。加速度计组件测取沿运载体坐标系3个轴的加速度信号，并被送入导航计算机，经误差补偿计算后，进行由运载体坐标系至“平台坐标系”的坐标变换计算。他们沿机体坐标系三轴安装，并且与机体固连，它们所测得的都是机体坐标系下的物理量。参与控制和测量的陀螺和加速度计称为惯性器件，这是因为陀螺和加速度计都是相对惯性空间测量的，也就是说加速度计输出的是运载体的绝对加速度，陀螺输出的是运载体相对惯性空间的角速度或角增量。而加速度和角速度或角增量包含了运载体全部的信息，所以惯导系统仅靠系统本身的惯性器件就能获得导航用的全部信息，它既不向外辐射任何信息，也不需要任何其他系统提供外来信息，就能在全天候条件下，在全球范围内和所有介质环境里自主、隐蔽的进行三维导航，也可用于外层空间的三维导航。惯导系统的比力方程惯导系统根据与系统类型相应的数学方程（称之为力学编排）对惯性器件的输出作处理，从而获得导航数据。尽管各种类型的系统相应的力学编排各不相同，但他们都源自同一个方程：比力方程。比力方程描述了加速度计输出量与运载体速度之间的解析关系： 式中：为运载体的地速向量；为比力向量，是作用在加速度计质量块单位质量上的非引力外力，由加速度计测量；为重力加速度；为地球自转角速度；为惯性平台所模拟的平台坐标系相对地球的旋转角速度；表示在平台坐标系内观察到的地速向量的时间变化率。以上比力方程说明用加速度计的比力输出计算地速时，必须对比力输出中的三种有害加速度成分作补偿：（1），即由地球自转（牵连运动）和运载体相对地球运动（相对运动）引起的哥式加速度；（2），即运载体保持在地球表面运动（绕地球作圆周运动）引起的相对地心的向心加速度；（3），即重力加速度。惯导系统的误差方程1、姿态误差方程和速度误差方程的一般形式设惯导系统的平台要求模拟的导航坐标系为，这就是理想平台坐标系。而实际建立的平台坐标系为。由于计算误差、误差源影响及施距误差，坐标系相对要求的坐标系有偏差角。显然是以为基准观察到的，所以： 设陀螺的刻度系数误差为，漂移为，平台的实际指令为 式中为偏开理想值的偏差，它由导航误差引起。所以平台的实际角速度为 记 则 所以 记 则 因此姿态误差角满足下述方程： 式中 推导中略去了关于误差的二阶及二阶以上的小量。将比力方程向导航坐标系投影得 设计加速度具有偏执误差和刻度系数误差，实际平台坐标系具有姿态误差角，则加速度计的输出为 用于计算有害加速度的实际角速度为 由于比力输出和补偿有害加速度的计算都有误差，所以按比力方程确定的速度也有误差，设速度误差为，则 略去关于误差的二阶和二阶以上小量，则速度误差方程为 式中 二GPS卫星的轨道参数及状态估计GPS卫星的六个轨道根数决定卫星的轨迹，GPS卫星轨迹产生需知道它的轨道根数。卫星的轨道根数定义在二体运动情况下，卫星的轨道可以用六个轨道参数来唯一确定，称之为轨道根数，分别是:(l)长半轴:卫星轨道椭圆长轴之半，它确定了卫星运动轨道的周期。(2)轨道离心率:轨道椭圆两焦点之间的距离与长轴的比值。(3)轨道倾角:轨道平面与地球赤道平面之间的夹角，在升交点出赤道而起逆时针方向度量为正，。(4)升交点赤经:春分点与升交点对地心的张角，从升交点起逆时针方向度量为正。(5)近地点幅角:轨道面内出升交点到近地点拱线的夹角，由升交点起顺卫星运动方向度量为正。(6)卫星过近地点时刻。在卫星的六个轨道根数中，a、e确定了卫星轨道的大小和形状，和确定了轨道面在惯性空间的位置，决定了轨道本身在轨道面内的指向，确定了卫星在轨道上的位置。当或，或者时，轨道要素存在病态，需要重新定义新的要素以消除病态。 GPS定位原理当GPS接收机观测3颗卫星时，用户可以在指定的方式(手动或自动)进行二维定位，若能观测到4颗以上的卫星，则能进行三维定位。GPS系统采用的是测距定位原理，如图所示。 由图知，用户和卫星之间有如下关系： 式中：地心到用户的矢径 地心到第颗卫星的矢径 用户到第颗卫星的矢径 图3.1 GPS的测距定位原理设即用户至卫星的距离。在工程中，由于多种因素的影响，测者无法测出真实距离，只能测得包含有多种误差因素在内的距离，因此称为伪距。接收机测得的距离与关系式为: 式中 ： 接收机至第颗卫星的伪距 接收机至第颗卫星的真实距离 为第颗星的传播延迟误差 用户相对GPS系统时间的偏差第颗星相对GPS系统的时间偏差电波传播速度其中： 式中：、第颗卫星的位置坐