惯性导航系统.doc

惯性导航系统（INS，Inertial Navigation System）是一种自主式的导航方法，利用系统内按正交坐标系配置的陀螺仪、加速度仪等惯性敏感元件感受敏感运载体的运动信息，通过计算确定载体的位置、航向和姿态，以此作为控制参数实现系统功能。主要优点是完全自助式，不受天然的或人为的干扰，具有很好的稳定性；缺点是定位误差随时间而积累，因而在长时间工作后，会产生不同程度的积累误差。几种常用的惯性导航系统：陀螺仪陀螺仪是一种用于测量物体旋转角速度（角加速度）的机械装置。广义讲，凡是绕定点转动的刚体都可称为陀螺仪；狭义讲，只有高速旋转的对称刚体，起自转轴能在空间改变所指方向的才能成为应用的陀螺仪。陀螺仪的主要工作原理是基于陀螺本身的两个基本特性：定轴性和进动性。匀速自转的陀螺在没有任何外力作用时，也就是外力矩为零时，力图在它本身转动惯量的维持下，使其自转轴指向惯性空间恒定的初始方向，这是陀螺的定轴性；当陀螺受外力矩作用时，陀螺的自转轴向外加力矩的方向运动，这就是陀螺的进动性。利用定轴性保持方向，再根据进动性，在陀螺仪工作时给它一个力，使其快速旋转起来，一般能达到每分钟几万转，可以工作很长时间，然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。陀螺运动角速度的大小，取决于角动量H的大小和外力矩M的大小，其计算公式为=MH。陀螺进动角速度的方向，取决于角动量的方向和外力矩的方向（右手定则）。陀螺仪是一种精密仪器，其精度指标是漂移率（度/小时）或称漂移角速度。所谓漂移角速度是指陀螺正常工作后，其自转轴偏离起始位置的速度(d= MdH)。按漂移率划分，陀螺仪可分为：超高精度陀螺仪指精度在10-6/h 510-4/h 范围内的陀螺仪，主要包括静电陀螺仪（110-7/h）、磁浮陀螺仪和气浮陀螺仪（0.0001/h）；中高精度陀螺仪指精度在 510-4/h 10-1/h 范围内的陀螺仪，主要指激光陀螺仪（0.001/h）和光纤陀螺(高精度光纤陀螺仪的漂移率可达0.01/h，中等精度为0.1/h，低精度为1/h10/h)；低精度陀螺仪指精度范围超过10-1/h的陀螺仪，现阶段的热门是 MEMS 陀螺仪（振动式微机械陀螺仪10010/h）。陀螺仪的另一个重要技术指标是测量范围。惯性导航级陀螺仪测量范围：最大能测400/s，最小能测0.001/h，其比值高达1.4109。常规的陀螺仪测量范围：最大能测27/h，最小能测0.1/h，比值为270。基本量程为：正负几十度/秒到正负几千度/秒不等。初始化时间：几十毫秒至几十秒加速度计加速度计也称为加速度传感器，是一种利用质量块的惯性力去测量物体运动加速度的传感器。最简单的加速度计由外壳、质量块、力敏感元件和连接质量块与外壳间的弹簧所组成。加速度计的基本原理是在被测物体上安装能够测量加速度的传感器。通过对加速度进行一次、二次积分便可以得到速度和位移。在国内，常用的振动加速度计有应变式加速度计、电位器式加速度计、压阻式加速度计、压电式加速度计、力平衡加速度计等。应变式加速度计是通过测量与位移成正比的应变值而间接计算出质量块的位移值。其主要优点就是低频效应强，可测量直流信号，它也适用于静电测量。用于振动测量时，最高测量频率取决于固有振动频率和阻尼比，测量频率最高为3500Hz。电位器式加速度计的工作原理是在被测加速度作用下，惯性质量块使片状弹簧产生正比于被测加速度的位移而促使电刷在电位器中电阻元件上滑动，最后输出一个与加速度成一定比例的电压信号。其优点是结构简单、价格合理、性能稳定、能承受恶劣环境条件、输出信号大，但精度低，动态响应差，对快速变化量的测量不适用。压阻式加速度计实质就是一个力传感器，它主要材料为单晶硅，是利用测量固定质量时所受到加速度作用而产生的力来测量得到加速度，通常为悬梁结构。该加速度计具有灵敏度高、动态响应快、测量精度和稳定性强等特点。压电式加速度计是用自然、人造或绝缘的电压材料作为转换元件，再输出和加速度成正比的电荷或电压量的装置。体积小、价格便宜，频率范围宽(可达30000Hz)，冲击加速度测量可以从几分之一gn到200000gn，在085的范围内具有较好的特性，但压电加速度传感器需要特殊的电荷放大器，对于低频率或低gn值的加速度测量不太合适，长时间历程(大于10ms)冲击的测量效果较差。水平衡加速度计是我国强震动观测领域主要使用的加速度计。传感器固定于某个振动物体上，当振动物体有加速度a存在时，传感器的外壳相对于惯性空间会产生一个位移x。传感器中具有质量的惯性敏感元件被刚度弹簧所支撑，且有阻尼器提供的阻尼。在惯性力的作用下，该惯性敏感元件相对于外壳会产生位移y，由于力矩器对惯性敏感元件有反馈作用，实际中，相对于外壳的位移值y会很小。电容位移变换器为差动工作的电容电桥电路，它把位移y调制为高频载波信号，经过伺服电子放大电路提供给力矩器后，力矩器在输入电流后产生一个与惯性力fx方向相反的反馈力f，因深度负反馈的作用，在敏感元件上产生的不平衡力值较小，几乎认为反馈力与惯性力相等，即f=fx。令f=，为反馈系数，根据反馈系数可得到输出电压U与被测加速度a之间的关系式，即U=mRla。其中，设计成型的传感器，mRl为常数。由电压与被测加速度的关系式可知，应用力平衡反馈系统后，被测加速度与输出信号成正比。力平衡加速度计主要的优点是静态精度与线性度都非常高、滞后小、重复性好、灵敏度高、阈值小，且低频响应好，动态测量范围很宽。对强地震等长期振动测量等非常实用，其输出可精确反映传感器灵敏轴与重力加速度的方向夹角。加速度计的主要技术指标见表1：表1 加速度计主要技术指标序号内容技术指标1测量范围2.0gn（标称值）或0.5gn，0.1gn（选用）2灵敏度1.25v/gn（标称值）或2.5v/ gn（选用）3动态范围120dB4满量程输出2.5v（标称值）或5.0v/ gn（选用）5线性度1%6频率响应（0-50）Hz，相位呈线性变化7 横向灵敏度比1%8静态耗电电流（三分量）15mA（12VDC）9噪声均方根值10-6gn10漂移（-20-60）500gn/11运行环境温度（-20-60）12相对湿度（RH）90%里程仪里程仪是一种应用在地面车辆导航系统中的纵向速度/位置传感器，能够精确测量车辆的速度及里程，是航位推算系统的重要信息源。车辆常用里程仪分为机械式、磁电式和光电式三类。机械式：机械式里程仪主要是利用齿轮转动工作原理，从变速箱输出一根软轴通到驾驶员面前的里程表，由变速箱内的主动齿轮带动里程表的软轴，软轴再带动里程仪的齿轮转动，最终带动计数器齿轮的转动，再根据变速箱与车轮的固定传动比推算出车辆运行的速度和位移。目前这种测速方式已淘汰。磁电式：磁电式里程仪由传动轴和霍尔元件构成，将霍尔元件平均分布在传动轴周围，这样传动轴每转动一圈就会产生若干磁电脉冲信号，再转换为车辆行驶的速度和里程数据。但是由于霍尔元件体积较大，在旋转盘上排布数量有限。因而在转动一周所输出的脉冲信号有限，通常只有几十个，最高一百个。在高精度测量时，其每周输出脉冲数及分辨率较低，难以满足要求。光电式：光电式里程仪由传动轴和光电编码器组成，其核心部件光电编码器具有分辨率高、响应快、成本低、构造简单、机械寿命长等优点，转轴转动一周最高可输出三万个脉冲信号甚至更高。在解决里程仪滞后输出的同时具有较高的精度。高分辨率里程仪的分辨率可达1.5mm/脉冲，测量噪声也能达到优于6个脉冲，但其刻度因子相对精度受温度等因素影响只能达到0.5%，成为制约里程仪定位精度的主要因素（可利用DGPS数据来标定里程仪刻度因子，使刻度因子标定精度提高一个数量级）。测速精度：0.2m/s0.038m/s地磁匹配导航所谓地磁匹配,就是把预先规划好的航迹上末段区域某些点的地磁场特征量绘制成参考图(或称基准图)存贮在载体计算机中,当载体飞越这些地区时,由地磁匹配测量仪器实时测量出飞越这些点地磁场特征量,以构成实时图。在载体上的计算机中,对实时图与参考图进行相关匹配,计算出载体的实时坐标位置,供导航计算机解算导航信息。基本原理：首先将载体所经过的区域划分为网格,取每个网格上的平均地磁场要素作为该网格的地磁场要素值,这样就形成了地磁基准图。当载体进入该区域时,地磁匹配测量仪实时地采集当地地磁场要素值；一连串的测量值就可以形成一个测量序列将该测量序列与数据库进行相关匹配,寻找最相似点的位置,将此值用来修正惯性导航的位置信息,便可以完成对载体航线误差的纠正。地磁匹配原理,如下图所示。 地磁匹配原理框图地磁匹配仿真试验地磁场强基准图角运动范围:铅垂轴360,水平两轴3；测角精度:优于01017；角速度测量范围: 4 ( ) / s ; 测量精度:优于5 10- 4 / s。近年来，应用地磁导航技术主要还集中在磁罗盘航向导航方面。磁罗盘是一种利用地球磁场来测量方向的传感器。相较于其它方向测量系统，磁罗盘具有体积小、重量轻、成本较低、无误差累积等诸多优点，在抗冲击、抗震动和与其它电子设备组合等方面也表现出优良的特性，因而使其成为一种最常用的方向测量传感器。基本原理：在一定时间内，可以认为地球表面任何地理位置处的地磁场方向和强度都是恒定的。因此可设地磁场在水平面的投影为Hp，记水平面内两个正交的磁传感器的敏感轴分别为ox和oy，且设ox与地磁水平分量矢量Hp的夹角为。如右图所示，地磁场水平分量在地理坐标系上的投影Hpx和Hpx。则有如下等式：Hpx=HpcosHpy=-Hpsin式中Hpx和Hpy分别是敏感轴ox和oy方向磁传感器监测到的磁场强度。利用这两个测量值不难推导出方位角：=arccosHpxHpx2+Hpy2Hpy0 （Hpy0或Hpy=0，Hpx0）360-arccosHpxHpx2+Hpy2（Hpy0或Hpy=0，Hpx0） 由于磁北方向与地理北极方向之间仅存在一个恒定的磁偏角，在磁方向解算值的基础上再根据当地地理位置增加或减去对应的磁偏角，就可以得到ox轴相对于地理北极的偏角，即航向角。新型的数字罗盘，要求在实验室条件下，罗盘的航向精度达到0.3。此外，采用十二位置不对北的磁罗盘标定方法，补偿后水平是航向角均方误差为0.2，26倾角时航向角均方误差为0.4。近年来提出了一种基于遗传算法的数字磁罗盘误差补偿方法，误差修正后最大偏差仅为0.19。重力匹配导航重力匹配导航即利用舰艇实测的重力异常值与数字重力异常图匹配，从而修正惯性导航系统的误差，是舰船实现导航的一种方法。由于重力的测量无需接收外部信息或向外部辐射信息，因此，保证了潜艇导航的隐蔽性和自主性，是严格意义上的无源导航。基本原理：重力匹配导航系统由惯性导航系统、重力仪、数字重力图、数据处理计算机四部分组成。重力仪实时测量重力异常值,再将其与数字重力图进行匹配,得到最优导航状态。下图为基于重力图导航的重力匹配定位系统结构。 重力匹配定位系统结构导航的实施步骤：首先,根据陀螺和加速度计提供的数据,解算出潜艇的当前粗略位置W1，同时， 对照数字重力图找到相应的重力异常区域。其次，将重力仪实测的重力异常值与重力异常区域进行比较，按照均方差最小的准则计算出潜艇最接近的重力异常区域，对照数字重力图查出潜艇目前较为精确的位置W2。该均方差的表达式为: =1mi=1m（Gs-Gt）2式中, Gs 为重力仪实测重力异常值，Gt为图示重力异常值， m 为采样次数。按上式所示的均方差的最小准则计算并得出最优路径。=1mi=1m（W2-W1）2最后,采用扩展Kalman滤波技术,利用位置误差值对陀螺和加速度计误差进行估计,从而对惯性导航系统的导航状态进行修正,得到最优导航状态。航位推算（DR）航位推算（DR）是一种常用的自主式车辆导航技术，它是利用传感器直接或间接测出航向角和位移矢量，从而推算出车辆的位置。基本原理：首先系统通过磁罗盘得到车辆的航向角和俯仰角，所谓航向角i和俯仰角i如下图所示（其中OEn、Nn、Zn三轴取向为东、北、天），根据几何关系有：SE=SEO+0tVicosisinidtSN=SNO+0tVicosicosidtSZ=SZO+0tVisinidt 其中SEO、SNO、SZO为上一个为RFID标签中所储存的该标签的地理位置。由于航向角和俯仰角由数字磁罗盘测得，因此i与i在此均为离散量。且里程仪输出的脉冲数也为离散的，这样有必要将时间也离散化。以步长T=tk-tk-1将时间离散化，并假设在任意步长T内车辆的状态参数（速度、航向角和俯仰角）保持不变。则在t（t=nT）上课车辆的位置公式为：SE=SEO+（m1 cos1 sin1+m2 cos2 sin2+mn cosn sinn）Kod SN=SNO+(m1 cos1 cos1+m2 cos1 cos2+mn cosn cosn)KodSZ=SZO+（m1 sin1 +m2 sin2 +mn sin1 ）Kod式中mk（k=1,2,n）为tk-tk-1时间内里程仪所