捷联式地面辅助导航课件

1、导航技术基础（8）教师：李 胜E-mail：上节课主要内容平台式惯导系统*组成结构工作原理三种平台式惯导系统*位置解算速度解算指令角速度解算惯导系统的初始对准过程平台控制回路的性能指标捷联惯性导航系统Strapdown Inertial Navigation System把惯性仪表直接固联在载体上，用计算机来完成导航平台的功能的惯性导航系统。捷联惯性导航系统的优点1.整个系统的体积、重量和成本上大大降低，通常陀螺仪和加速度计只占导航平台重量的1/7；2.惯性仪表便于安装维护，也便于更换；3.惯性仪表可以给出载体轴向的线加速度和角速度，这些信息是控制系统所需要的。和平台式导航系统相比，捷联式系统

2、可以提供更多的导航和制导信息。4.惯性仪表便于采用余度配置，提高系统的可靠性及各项性能；AN/WSN-5和FIN3110对比FIN3110功耗-40W设备尺寸(cm)-19.521.629重量(kg)-12AN/WSN-5功耗-440W设备尺寸(cm)-43.953.3117.6重量(kg)-172.7 捷联惯性导航系统的不足1.惯性仪表直接固联在载体上，直接承受载体的振动和冲击，工作环境恶劣；2.惯性仪表特别是陀螺仪直接测量载体的角运动，要求捷联陀螺有较大的施矩速度和高性能的再平衡回路；3.装机标定比较困难，从而要求捷联陀螺有更高的性能；4.计算量较大，要求高性能计算机支持；简单的二维导航系

3、统一台陀螺仪两个加速度计一台计算机简单的二维捷联导航参考坐标系固定坐标系和旋转坐标系下导航方程的比较三维捷联导航系统的基本分析2.相对于旋转坐标系的导航考虑相对于一个非固定的，绕惯性坐标系转动的轴系下运载体的导航情况。由于参考坐标系的转动会产生附加的外部力，由此导致对导航方程的修改矢量叉乘加速度计测量值的分解惯性空间中捷联导航系统方框图参考坐标系惯性坐标系（i系）：原点位于地球中心，坐标轴相对于恒星无转动。地球坐标系（e系）：原点位于地球中心，坐标轴与地球固联。惯性坐标系下导航方程的形式惯性坐标系下导航方程的形式地球坐标系下导航方程的形式（1）地球坐标系下导航方程的形式（2）当地地理坐标系下导

4、航方程的形式当地地理坐标系下捷联导航方框图游动方位坐标系下导航方程的形式四种导航坐标系下导航方框图比较捷联导航系统中载体姿态的表示在捷联系统当中加速度计所测量到的载体加速度需要通过左乘方向余弦矩阵后分解为参考坐标系内的加速度分量才能用于导航计算机进行导航信息解算。方向余弦矩阵是一个3x3的矩阵，矩阵的列表示载体坐标系的单位矢量在参考坐标系中的投影；欧拉角，通过三个旋转角表示一个坐标系到另一个坐标系的变换；四元数，通过一个具有四个元素的矢量表达式表示一个坐标系到另一个坐标系的转换；方向余弦矩阵（一）方向余弦矩阵（二）方向余弦矩阵（三）方向余弦矩阵的导数欧拉角（一）一个坐标系到另一个坐标系的转换还

5、可以通过绕不同坐标轴的旋转来实现。比如，从参考坐标系到一个新坐标系的变换可以表示为绕z轴转动角，再绕y轴转动角，再绕x轴转动角。角，角， 角称为惯性导航系统的欧拉角。在平台式惯性导航系统中，欧拉角可以通过3个框架之间的角度传感器检测到。欧拉角（二）如果已知一个参考坐标系到载体坐标系的欧拉角，则可以计算得到参考坐标系与载体坐标系之间的方向余弦矩阵：欧拉角（三）欧拉角的时间导数四元数（一）四元数用q来表示，它是一个具有4个元素的矢量，这些元素是该矢量方向和转动角度的函数。四元数姿态表达式的思路是：一个坐标系到另一个坐标系的变换可以通过绕一个定义在参考坐标系中的矢量的单次转动来实现。四元数（二）四元

6、数（三）如果已知一个参考坐标系到载体坐标系的四元数，则可以计算得到参考坐标系与载体坐标系之间的方向余弦矩阵：四元数（四）四元数的时间导数三种姿态表示法之间的关系（一）方程1见36页幻灯方程2见40页幻灯三种姿态表示法之间的关系（二）已知方向余弦矩阵，计算四元数方程5三种姿态表示法之间的关系（三）已知欧拉角，计算四元数方程4三种姿态表示法之间的关系（四）1.已知方向余弦矩阵，如何计算欧拉角？2.已知四元数，如何计算欧拉角？用分量表示的导航方程捷联惯性导航系统的计算导航方程的求解过程姿态计算速度计算早期捷联惯导系统的发展部分受到当时计算机技术的限制。将捷联计算分为低速部分和高速部分低速计算主要用于

7、由运载体机动引起的低频、大振幅运动的计算;高速计算主要针对高频、低振幅运动的一种相对简单的算法。捷联惯性导航系统的计算姿态计算确定姿态的常规方法:计算运载体坐标系与参考坐标系相关联的方向余弦矩阵使用数值积分方法计算等效的四元数。Bortz提出一种把姿态变化转化为旋转矢量的求解方法，将姿态计算分成低速和高速两个部分低速部分用于计算由运载体机动引起的相对低频、大幅值的运动高速部分用于计算运载体高频、小幅值的运动。捷联惯性导航系统的计算姿态计算方向余弦算法（一）捷联惯性导航系统的计算姿态计算方向余弦算法（二）捷联惯性导航系统的计算姿态计算方向余弦算法（三）捷联惯性导航系统的计算姿态计算方向余弦算法的

8、误差估计（单位：/h）捷联惯性导航系统的计算姿态计算四元数算法捷联惯性导航系统的计算姿态计算四元数算法误差估计（单位：/h）捷联惯性导航系统的计算姿态计算姿态计算方法的选择四元数算法对计算机计算速度和存储器容量要求较低；捷联惯性导航系统的计算速度计算用方向余弦进行速度计算捷联惯性导航系统的计算速度计算用四元数进行速度计算捷联惯性导航系统的计算位置计算捷联惯性导航系统的计算任务 高频 中频 低频总结捷联惯导系统组成结构特点基本工作原理捷联惯导系统的导航方程参考坐标系不同，导航方程形式也不相同捷联惯导系统中运载体的三种姿态表达方法捷联惯导系统运载体导航方程的计算方法姿态计算速度计算位置计算实验课G

9、PS定位实验GPS25LVS电子磁罗盘实验KVH-C100姿态仪实验HM3300角速率陀螺仪实验实验报告完成后和课程作业一起交电子稿命名：“07XXXXXXXX王XX实验报告.doc ”GPS25LVS输出数据串口1NMEA0183 2.0版本的ASCII语句，包括：NMEA标准语句：GPALM，GPGGA，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG； GARMIN定义语句：PGRME，PGRMF，PGRMT，PGRMV，LVGLL，LCVTG；串口2包括GPS载波相位数据的二进制数据；GPS25LVS串口1输出数据示例$GPGGA,121252.000,3937.3032,N,11611

10、.6046,E,1,05,2.0,45.9,M,-5.7,M,0000*77 $GPRMC,121252.000,A,3958.3032,N,11629.6046,E,15.15,359.95,070306,A*54$GPVTG,359.95,T,M,15.15,N,28.0,K,A*04$GPGSA,A,3,14,15,05,22,18,26,2.1,1.2,1.7*3D$GPGSV,3,1,10,18,84,067,23,09,67,067,27,22,49,312,28,15,47,231,30*70GPS固定数据输出语句($GPGGA)$GPGGA ，世界时间，纬度，纬度半球，经度，经

11、度半球，定位质量指示，使用卫星数量，水平精确度，海拔高度，高度单位，大地水准面高度，高度单位，差分GPS数据期限，差分参考基站标号，校验和结束标记。$GPGGA,121252.000,3937.3032,N,11611.6046,E,1,05,2.0,45.9,M,-5.7,M,0000*77GPSRMC推荐定位信息$GPRMC，UTC时间（hhmmss），定位状态，纬度，纬度半球，经度，经度半球，地面速率，地面航向，UTC日期（ddmmyy），磁偏角，磁偏角方向，模式指示*hh$GPRMC，121252.000，A，3958.3032，N，11629.6046，E，15.15，359.95，

12、070306，A*54地形辅助导航系统发展背景随着惯性导航技术的发展，惯性导航系统已不再是单纯的导航设备，而成为飞行器的中心信息源，同时用于实现飞行控制、武器投放、发动机控制、座舱显示以及传感器的稳定等功能。现代战争对导航系统提出了更高的要求。能够满足上述条件的导航技术有两种方式：一种是GPS惯性基准导航系统的组合；一种是惯性导航系统与无线电高度表和数字地图的组合。其中基于无线电高度表和数字地图的导航方法称为地形辅助导航系统。地形辅助导航系统的特点一种低高度工作的导航系统，离地高度超过300米，其精度就会明显降低，而到了8001500m的高度则无法使用，不仅能提供飞行器的水平位置修正，而且还能够提供精确的高度信息不仅能够提供飞行器前方和下方的地形，而且还能够提供视距以外的周围地形信息。能够满足战术导弹和飞机机动飞行，尤其是低空、超低空飞行的要求，对近空支援、低空强击、突防、截击等战术飞行十分有用。地形辅助导航系统的应用1.适合于高速、低空飞行的战斗机和战术导弹使用具有自主、可靠、隐蔽的导航性能，在地形特征比较明显的地区使用时，其导航精度很高。2.地形跟踪3.地形隐蔽和威胁回避4.贴地告警和障碍告警5.目标截获和精确投放武器地形辅助导航系统的组成1.惯性导航系统：提供全部导航信息；2.无线电高度表：用来测量飞行器对地面的相对高度，由于隐身式高度表向下发射的旁瓣小、能量低、几乎不会