惯性导航基本原理

1 4惯性导航基本原理 国防科技大学航天与材料工程学院 2 4 1引言4 2单自由度陀螺测量原理4 3加速度计测量原理4 4平台式惯性导航基本原理4 5捷联惯性导航基本原理4 6惯性导航误差分析 主要内容 3 4 1引言4 2单自由度陀螺测量原理4 3加速度计测量原理4 4平台式惯性导航基本原理4 5捷联惯性导航基本原理4 6惯性导航误差分析 主要内容 4 1 惯性导航系统功能测量载体相对于惯性坐标系的加速度 角速度 通过积分计算获取载体的导航信息 2 惯性导航系统发展以机械陀螺为敏感器件的惯性导航系统的发展 以光学或微机电陀螺为敏感器件的惯性导航系统的发展 5 3 系统分类平台式惯导系统 捷联式惯导系统 6 5 惯导优点 依靠自身测量信息进行连续定位 不需接收外部信息 不受外界干扰 不向外部辐射能量 具有隐蔽性 可同时确定载体位置 速度 姿态信息 7 4 1引言4 2单自由度陀螺测量原理4 3加速度计测量原理4 4平台式惯性导航基本原理4 5捷联惯性导航基本原理4 6惯性导航误差分析 主要内容 8 2 陀螺分类按测量物理机制分 机械陀螺 液浮 挠性 静电 光学陀螺 激光 光纤 微机电陀螺 按自由度个数分 单 双 三 自由度 1 陀螺功能敏感载体相对于惯性坐标系的角速度 9 3 机械式单自由度挠性陀螺 10 机械式单自由度陀螺测量原理若载体 外环 相对于惯性坐标系 绕I Input 轴以角速度 匀速旋转 则转子绕O Output 轴进动 测角仪测出相应进动角度 与 成正比 单自由度转子相对于载体 外环 除了可以绕H轴转动外 还可绕O轴转动小角度 而自转轴仅能绕O轴旋转 并根据其相对载体的转动自由度定义陀螺仪的自由度 11 机械式双自由度陀螺结构示意图 12 Sagnac效应 1913年 旋转条件下的行程差 光束1 2的行程差 4 激光陀螺 13 激光陀螺结构示意图 谐振腔激光束激光管平面镜光电读出器 14 光纤陀螺结构示意图 15 激光陀螺国内 0 002 h 光纤陀螺国外 0 001 h 16 4 1引言4 2单自由度陀螺测量原理4 3加速度计测量原理4 4平台式惯性导航基本原理4 5捷联惯性导航基本原理4 6惯性导航误差分析 主要内容 17 1 加速度计功能测量载体相对于惯性坐标系的视加速度在体坐标系中的值 2 加速度计分类摆式 摆式积分陀螺加速度计 18 3 加速度计测量原理 19 加速度计不能敏感引力加速度 20 加速度计 21 4 1引言4 2单自由度陀螺测量原理4 3加速度计测量原理4 4平台式惯性导航基本原理4 5捷联惯性导航基本原理4 6惯性导航误差分析 主要内容 22 平台式惯导系统示意图 23 测量载体在惯性坐标系中的加速度 然后一次积分得到速度 二次积分得到位置 其中 视加速度 测量值 引力加速度 24 平台式惯导系统组成 25 4 1引言4 2单自由度陀螺测量原理4 3加速度计测量原理4 4平台式惯性导航基本原理4 5捷联惯性导航基本原理4 6惯性导航误差分析 主要内容 26 陀螺 加速度计固联在载体上 测量载体相对于惯性系的旋转角速度 加速度矢量 在载体坐标系中的值 然后依据初始时刻载体的位置 速度及姿态 计算出载体坐标系相对于惯性系的姿态角 加速度 对加速度一次 二次 积分得到速度 位置 27 其中 b系至i系的旋转变换矩阵 捷联陀螺测得的b系相对于i系旋转角速度矢量在b系中的值 为其轴向分量 28 i系 数学平台 坐标系 b系中的视加速度测量值转换至该系 位置 速度参数在该系中计算 由角速度测量值及初始时刻转换矩阵 姿态角 可以计算任意时刻转换矩阵 姿态角 29 捷联式惯性导航系统的特点 陀螺仪动态范围大 导航计算量大 结构简单 体积小 重量轻 成本低等 30 4 1引言4 2单自由度陀螺测量基本原理4 3加速度计测量原理4 4平台式惯性导航基本原理4 5捷联惯性导航基本原理4 6惯性导航误差分析 主要内容 31 假设载体沿y轴方向做匀加速直线运动 32 假设视加速度 角速度有常值误差 则 结论 惯导误差随时间迅速增加 33 三类误差 静态 动态 随机误差 误差原因 惯性元件不尽完善 安装误差 温度变化等 应对措施 建立惯导误差模型 测试标定模型参数 然后对惯导系统进行补偿 34 1 分析法依据工作原理 分析引起误差的物理机制 建立相应数学模型 然后测试模型中的有关参数 模型中各误差项都有明确的物理意义 故又称物理模型 2 试验法以大量测试数据为依据 用纯数学方法建立拟合数学模型 并辨识相应参数 惯性元件误差模型的建立方法 35 加速度计静态误差模型 加速度计动态误差模型 36 陀螺仪静态飘移误差数学模型 陀螺仪动态误差的数学模型 37 一种捷联惯导系统误差模型 38 模型越复杂 参数越多 则 1 考虑越全面 越接近于真实的情况 2 模型的正确性越难以验证 参数越难以标