张倩 平台式惯性器件

1、平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统 张 倩2021-11-12新型惯性器件及其应用1平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统 按照惯性导航组合在飞行器上的安装方式，可分为平台式惯性导航系统（惯性导航组合安装在惯性平台的台体上）和捷联式惯性导航系统（惯性导航组合直接安装在飞行器上）。2021-11-12新型惯性器件及其应用2平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统 将陀螺仪和加速度等惯性元件通过万向支架角运动隔离系统与运动载物固联的惯性导航系统。2021-11-12惯性器件原理及应用3平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统 根据建立的坐标系不同，又分为空间稳定和本地水平两种工作方式。 空间稳定平台式惯性

2、导航系统的台体相对惯性空间稳定，用以建立惯性坐标系。地球自转、重力加速度等影响由计算机加以补偿。这种系统多用于运载火箭的主动段和一些航天器上。2021-11-12新型惯性器件及其应用4平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统 本地水平平台式惯性导航系统的特点是台体上的两个加速度计输入轴所构成的基准平面能够始终跟踪飞行器所在点的水平面（利用加速度计与陀螺仪组成舒拉回路来保证），因此加速度计不受重力加速度的影响。这种系统多用于沿地球表面作等速运动的飞行器（如飞机、巡航导弹等）。2021-11-12新型惯性器件及其应用5平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统 在平台式惯性导航系统中，框架能隔离飞行器的角振

3、动，仪表工作条件较好。平台能直接建立导航坐标系，计算量小，容易补偿和修正仪表的输出，但结构复杂，尺寸大。2021-11-12新型惯性器件及其应用6平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统1、全姿态惯性测量组合、全姿态惯性测量组合IMU2021-11-12惯性器件原理及应用7正交装配正交装配 陀螺陀螺 加计加计 xyzIMU平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统1、全姿态惯性测量组合、全姿态惯性测量组合IMU2021-11-12惯性器件原理及应用8 根据根据IMUIMU选择的坐标系，选择的坐标系， 可构成各种不同方案的惯性可构成各种不同方案的惯性导航系统。平台式惯性导航系统导航系统。平台式惯性导航系统

4、IMUIMU稳定在导航坐标稳定在导航坐标系里，与运动的载体相隔离，而捷联式方案是把系里，与运动的载体相隔离，而捷联式方案是把IMUIMU固定在载体上。固定在载体上。 三个单自由度陀螺仪分别三个单自由度陀螺仪分别检测或稳定三个轴的角运动，检测或稳定三个轴的角运动，三个单轴加速度计检测沿三三个单轴加速度计检测沿三个轴的加速度。个轴的加速度。平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统2021-11-12惯性器件原理及应用9加速度计安装在加速度计安装在惯导平台惯导平台上，而上，而惯导平台惯导平台稳定在稳定在某一参考坐标系上某一参考坐标系上平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统2、平台式惯性导航系统的主体仪器结

5、构、平台式惯性导航系统的主体仪器结构2021-11-12惯性器件原理及应用10平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统为了把为了把IMU与载体相隔离，用一套框架系统把与载体相隔离，用一套框架系统把IMU支承起来，支承起来，使使IMU成为在载体上不受载体运动影响的一个物理平台。成为在载体上不受载体运动影响的一个物理平台。在图中在图中A即是由陀螺和加速度计组成的测量部件即是由陀螺和加速度计组成的测量部件IMU，是平台，是平台台体，平台用垂直的一个内环台体，平台用垂直的一个内环B支承起来，平台与内环间可以支承起来，平台与内环间可以作作360 的相对转动。的相对转动。内环支承在水平的外环内环支承在水平的外

6、环C中，内环连同平台可绕水平中，内环连同平台可绕水平Xp轴相对轴相对外环转动。外环转动。x 外环水平地支承在载体上，内外环及平台一起可以绕水平的外环水平地支承在载体上，内外环及平台一起可以绕水平的Yp轴相对载体转动。轴相对载体转动。在惯性平台稳定工作时，实际的平台与载体的相对运动情况正在惯性平台稳定工作时，实际的平台与载体的相对运动情况正好相反，载体无论作方位旋转还是纵倾横摇，平台始终稳定好相反，载体无论作方位旋转还是纵倾横摇，平台始终稳定在某一导航坐标系中不动。在某一导航坐标系中不动。 2021-11-12惯性器件原理及应用11平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统平台三个支承轴之间的相对转角

7、就测量出了载体的航向和平台三个支承轴之间的相对转角就测量出了载体的航向和水平姿态角。把平台的外框轴沿载体的纵横轴安装，如图水平姿态角。把平台的外框轴沿载体的纵横轴安装，如图在船上的安装，则垂直的在船上的安装，则垂直的Zp轴测航向，轴测航向，Xp轴测纵摇，轴测纵摇， Yp轴轴测横摇。各轴上装上测角传感器就测量出了载体的航向和测横摇。各轴上装上测角传感器就测量出了载体的航向和水平姿态信号。水平姿态信号。2021-11-12惯性器件原理及应用12平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统2021-11-12惯性器件原理及应用惯性器件原理及应用13万向支架万向支架转子转子平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统

8、2021-11-12惯性器件原理及应用14载体载体角度传感角度传感器器陀螺仪工作原理示意图陀螺仪工作原理示意图基座基座平台式惯导工作原理平台式惯导工作原理2021-11-12惯性器件原理及应用15平台式惯导工作原理平台式惯导工作原理2021-11-12惯性器件原理及应用16在载体上建立一个导航参考坐标系在载体上建立一个导航参考坐标系平台上的加速度表测量载体的加速度平台上的加速度表测量载体的加速度测量载体的姿态角测量载体的姿态角平台式惯性导航系统组成平台式惯性导航系统组成2021-11-12惯性器件原理及应用17 由陀螺仪及稳定回路进行稳由陀螺仪及稳定回路进行稳定，模拟一个导航坐标系，定，模拟一

9、个导航坐标系，也是加速度计的安装基准。也是加速度计的安装基准。稳定平台稳定平台加速度计加速度计陀螺陀螺导航计算机导航计算机稳定稳定回路回路控制器控制器显示器显示器精确给定初始位置精确给定初始位置惯性平台初始对准惯性平台初始对准平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统3、平台稳定回路、平台稳定回路 1）是一套快速精密的伺服跟踪系统，）是一套快速精密的伺服跟踪系统，使框架系统真正起到使框架系统真正起到把载体与把载体与IMU的运动相隔离的作用的运动相隔离的作用。2）稳定回路保证了框架系统快速精确地跟踪陀螺仪，从而使）稳定回路保证了框架系统快速精确地跟踪陀螺仪，从而使平台稳定在导航坐标系里，成为测量载体航

10、向和水平姿态平台稳定在导航坐标系里，成为测量载体航向和水平姿态信息的基准。信息的基准。3）以方位稳定回路为例，载体如有方位的转动，它要带动内）以方位稳定回路为例，载体如有方位的转动，它要带动内 外框架和台体一起转动，陀螺仪的壳体固定在台体上，台外框架和台体一起转动，陀螺仪的壳体固定在台体上，台体如有转动，敏感方位轴运动的陀螺仪就会有主轴与壳体体如有转动，敏感方位轴运动的陀螺仪就会有主轴与壳体间的相对转角输出角差信号，方位稳定回路根据方位误差间的相对转角输出角差信号，方位稳定回路根据方位误差角，对方位轴上的稳定力矩电机输出控制电流，转动方位角，对方位轴上的稳定力矩电机输出控制电流，转动方位轴消除

11、陀螺仪的角差信号，所以方位环始终跟踪方位陀螺轴消除陀螺仪的角差信号，所以方位环始终跟踪方位陀螺仪。内环、外环跟踪平台水平的原理与方位稳定回路一样仪。内环、外环跟踪平台水平的原理与方位稳定回路一样2021-11-12惯性器件原理及应用18平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统 根据根据IMU选择的不同导航坐标系，平台式惯性系统又有选择的不同导航坐标系，平台式惯性系统又有了多种不同的形式。用不同的坐标系，主要使导航、制导的了多种不同的形式。用不同的坐标系，主要使导航、制导的计算最方便。计算最方便。 航天飞行器往往选择惯性坐标系，即把平台稳定在惯性空航天飞行器往往选择惯性坐标系，即把平台稳定在惯性空 间，称为间，称为空间稳定系统空间稳定系统。 在地球表面附近运动的载体，一般都选用在地球表面附近运动的载体，一般都选用当地水平固定指当地水平固定指北方位的导航坐标系北方位的导航坐标系，也