L1-导航原理(哈工大导航原理、惯性技术课件).ppt

Lecture1-Introduction,1,InertialNavigation,导航原理,付振宪,SchoolofAstronautics,HIT,Lecture1-Introduction,2,课程内容,惯性导航：,全球定位系统(GlobalPositioningSystemGPS),陀螺仪(Gyroscopes),加速度计(Accelerometers),平台式惯导系统(PlatformINS),捷联惯导系统(StrapdownINSSINS),Lecture1-Introduction,3,1.0导航的概念,导航、制导与控制之间的关系:,Lecture1-Introduction,4,1.1导航的类型,Lecture1-Introduction,5,1.1导航的类型,Lecture1-Introduction,6,2.1惯性导航:惯性,惯性,物体保持静止或原来的运动状态不变,直到受到外界作用-CollinsDictionary.,质点的惯性质量(mass),Lecture1-Introduction,7,2.2牛顿运动定律(NewtonsLaws),惯性导航以牛顿运动定律为基础,惯性导航以对载体的加速度的测量为起点(使用加速度计accelerometers).,万有引力的影响,Lecture1-Introduction,8,2.3*惯性导航的基本思想,位置、速度和加速度之间的关系:,惯性导航的特点:自主(Autonomous,self-contained)只依赖于对载体的惯性测量(借助加速度计、陀螺仪)连续稳定的输出,Lecture1-Introduction,9,2.4二维导航例子,平面二维导航,加速度计的输出经过一次积分达到速度，二次积分得到位置.,导航过程中，平台需要跟踪导航参考坐标系OXY.平台的稳定是借助于陀螺仪(gyroscope)实现的.,平台式vs捷联式,Lecture1-Introduction,10,3.1陀螺仪,广义的概念,传统的概念,从玩具陀螺说起:,高速自转的刚体具有定轴性,定轴性易受破坏,干扰因素,摩擦,不平衡,Lecture1-Introduction,11,3.2支撑,支撑的改进-框架(gimbals),自由度(DOF),-转子轴的,二自由度陀螺仪(自转轴),单自由度陀螺仪,Lecture1-Introduction,12,3.3漂移和漂移率,漂移由干扰导致的转子轴相对惯性空间缓慢的方向变化漂移率漂移的快慢（deg/h）,漂移(Drift)和漂移率,惯性导航的精度惯性级:0.01deg/h,陀螺仪的历史设法减少有害力矩、降低漂移的历史,Lecture1-Introduction,13,4.0历史:Bohnenberger,BohnenbergersMachine,1813,Lecture1-Introduction,14,4.0历史:傅科,傅科(Foucault)的工作,法国物理学家(1819-1868)为了验证地球的自转,傅科摆FoucaultPendulum(1851),L=67mM=28kgD=6m,PantheoninParis,Lecture1-Introduction,15,4.1历史:傅科陀螺仪,Foucaultgyroscope(1852),利用陀螺验证地球自转后期的技术改进,Lecture1-Introduction,16,4.2历史:在航海的应用,磁罗盘(Magneticcompass)被用于早期的航海,19世纪后期，大量的木质轮船被钢铁材质的轮船取代，使磁罗盘的效能受到影响.,磁罗盘的使用在地球两极附近受到限制,寻找替代的方向指示装置,Lecture1-Introduction,17,4.2历史:陀螺罗经,陀螺仪被寄予希望,但面临着自动寻北的挑战,1908年,Anschutz(德国)发明了陀螺罗经(gyrocompass),1909年,Sperry(美国)也独立研制出陀螺罗经.,陀螺罗经的出现标志着陀螺仪技术的现代应用的发端,Lecture1-Introduction,18,4.3历史:航空中的应用,1920s,应用于早期的飞机,测量飞机的姿态,陀螺地平仪陀螺航向仪,Lecture1-Introduction,19,4.4历史:早期导弹中的应用,1930s,Goddard(US)的先期研究1940s,V-1、V-2,V-1:巡航(cruising)导弹(1942),二战中大量使用1944.6-1945.4，发射了10500枚.,V-2:弹道式(ballistic),发射1700枚,Lecture1-Introduction,20,4.5历史:冷战阶段,二战后，德国导弹专家大量转移到美国和前苏联(VanBraun),冷战期间苏美竞赛,SputnikI,1957,ExplorerI,1958,Braun,Lecture1-Introduction,21,4.5历史:液浮陀螺,早期1950s，MITDraper实验室研制出液浮陀螺(Fluidsuspensiongyro),Lecture1-Introduction,22,4.6历史:Argonaut号之旅,1958，潜艇Argonaut号之旅,珍珠港白令海峡北极Portland港21days，15000Km,标志着惯性导航技术的成熟,Lecture1-Introduction,23,5.0两种趋势,60年代后，陀螺仪的发展趋势呈现出两种分支：,追求更高的精度低成本小型化(forSINS),5.1对更高精度的追求,框架支撑系统的改进液浮,气浮,磁悬浮,精度优于10e-7deg/h,Lecture1-Introduction,24,5.1高精度:静电陀螺,静电悬浮陀螺(ESG)：采用非接触式支撑,1952Nordsieck提出1970s后期投入实用用于惯导，优于10e-7deg/h用于太空望远镜10e-11deg/h,缺陷：结构复杂、昂贵,Lecture1-Introduction,25,5.2低成本、小型化,环形激光陀螺(Ringlasergyro-RLG),1960s早期开始研制,1970s后期进入实用,光纤陀螺(FiberOpticalGyroFOG),1970s开始研制,1980s早期进入实用,Lecture1-Introduction,26,5.2光纤陀螺(FOG),1970s开始研制,1980s早期达到实用,光纤陀螺应用的快速增长,Lecture1-Introduction,27,5.2振动陀螺,振动(vibratory)陀螺,音叉(Tuningfork),压电(Piezoelectric)陀螺,半球谐振陀螺(Hemi-sphericalresonantgyro,HRG),微机电(MEMS),MicroElectro-MechanicalSystemsMicromachinedElectro-MechanicalSystems,Lecture1-Introduction,28,6.0惯性导航系统的发展,平台式惯导系统(PINS,orINS),1960s平台式惯导系统得到广泛应用,1980s应用领域开始收缩,捷联式惯导系统(SINS),1970s理论已完善，产品还不成熟,1980s应用迅速增长.