水下航行器导航系统原理 课件 第1讲 课程概述

第一讲

课程概述HARBINENGINEERING

UNIVERSITY目录/Contents0102030405课程简介与教师团队导航技术应用导航传感器导航系统智能导航01课程简介与教师团队1.1

课程简介自主导航系统设计项目式课程目标：深刻理解自主导航的基本概念、原理和方法，了解导航领域技术前沿自主实践完成自主导航设备测试标定具备独立设计惯性导航和组合导航等自主导航算法的能力通过研讨式教学培养学生思辨能力通过线上线下混合式教学培养学生终身自主学习能力通过捷联惯导/GPS组合导航综合设计实验培养学生的团队合作能力1.2

课程团队课程负责人：

课程教师： 1.3

课程内容课程内容：第一周：导航器件及导航基础第二周：惯性导航算法及初始对准实验第三周：最优估计理论及组合导航算法仿真第四周：自主导航系统实验及分析参考教材：严恭敏，翁浚.捷联惯导算法与组合导航原理（第1版）.西北工业大学出版社，2019.Paul

D.Groves.GNSS与惯性及多传感器组合导航系统原理（第2版）.国防工业出版社，2015.秦永元，张洪钺，汪叔华.卡尔曼滤波与组合导航原理（第1版）.西北工业大学出版社，1998.谢钢.GPS原理与接收机设计.电子工业出版社，2009.智慧树MOOC课—组合导航技术，链接：/courseHome/1000062290#teachTeam1.4

考核方式第一周：惯性测试及标定实验报告(10分)第二周：惯性导航系统实验报告(10分)第三周：组合导航算法仿真实验报告(10分)第四周：自主导航系统实验报告(30分)自主导航系统综合考核答辩：(40分)以上共计100分02导航技术应用什么是导航？导航的任务：确定载体的运动参数有那些运动参数？线运动相关：位置、速度、加速度角运动相关：角位置、角速度、角加速度导航传感器与信号处理专业技术：硬件设计、FPGA软件设计、DSP软件设计专业知识：信号处理、自动控制、光电传感导航算法与信息融合专业技术：算法编程、软件设计专业知识：惯性导航、卫星导航、组合导航、信息融合智能感知与无人系统专业技能：算法编程、软件设计专业知识：深度学习，机器视觉，智能导航，智能决策2.1

导航技术发展古代路标、指南针、天文等20年代磁罗盘、速度表、里程表——仪表导航30年代无线电导航问世40-70年代惯性导航系统问世80年代末全球卫星定位系统问世90年代惯性/卫星组合导航系统大量推广2000年后新型导航系统和智能导航系统2.2

惯性导航技术惯性导航首次实战：V-2导弹1936年开始研制，1944年首次向巴黎发射，两天后开始袭击英国。水平射程为200英里，最大高度通常可达60英里。定位精度差(4-11英里)维纳·冯·布劳恩2.3

导航技术应用2.3

导航技术应用03导航传感器3.1

惯性器件石英加速度计机械陀螺仪3.1

惯性器件光纤陀螺仪激光陀螺仪3.1

惯性器件驱动电极检测电极信号处理电路(100mm*100mm)谐振子及检测电极(D=30mm)半球谐振陀螺仪精度:

漂移

<

10-3deg

/h,

标度因数误差

<

1ppm;高可靠性:

部件少，材料稳定性好;长寿命:

使用寿命超过

20

年;3.1

惯性器件微光陀螺仪精度:

零偏稳定性

0.01

deg

/

h;芯片级:

毫米级核心传感元件;高集成:

抗振动冲击;原理图实验装置核心传感器HarbinEngineering

University原子陀螺仪III.Navigation

sensors示意图实验装置原理样机04导航系统基本原理：根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律，利用陀螺仪，加速度计等惯性元件感受运行体在运动过程中的加速度，然后通过计算机进行积分运算，从而得到运动体的位置与速度等导航参数。惯性导航是完全不依赖于外部声、光、电、磁传播的信号自主式的进行导航定位的手段，因而它不受地域的限制，不受自然和人为的干扰和影响，无论太空、空间、地面、地下、水面、水下都能全天候可靠的工作。244.1

惯性导航25惯性导航系统的基本组成元件为陀螺仪和加速度计

。4.1

惯性导航26a

dVdt

tadt0V

V0

tVdt0S

S0

V

dsdt这种不依赖外界信息，只靠对载体(vehicle)本身的惯性测量来完成导航任务的技术称作惯性导航。4.1

惯性导航274.1

惯性导航惯导系统基本原理涉及问题：如何获得加速度在导航坐标系下的投影？如何获得载体相对运动的加速度？有了导航坐标系下载体相对运动加速度，如何求载体的速度和位置？如何获得载体的姿态？导航坐标系的旋转比力方程惯导系统计算方程姿态矩阵定义与更新28优点：（1）依靠自身测量的加速度推算位置，自主式导航系统；（2）不需要接收外部信息，不受外界干扰；（3）不向外辐射能量，隐蔽性好；（4）测量位置的同时，还能测量姿态角。缺点：（1）位置由加速度经二次积分获得，误差随时间积累；（2）对惯性元件精度要求高，系统成本高。4.1

惯性导航294.2

组合导航无线电导航常见导航系统卫星导航惯性导航天文导航数据库参考导航组合导航系统地文导航推位导航304.2

组合导航组合导航系统通过对两种或多种导航系统测量或输出信息进行综合处理（应用卡尔曼滤波等数据处理技术），获得更高的导航精度和可靠性，集各个子系统的优点于一身。组合导航目的：获得更好的精度、可靠性等。31组合方式推位/卫星组合导航系统惯导/卫星组合导航系统惯导/多普勒组合导航系统惯导/重力组合导航系统惯导/卫星/天文组合导航系统……4.2

组合导航组合导航系统特点(1)协合超越：利用各子系统的导航信息并作有机处理，形成单个子系统不具备的功能和精度。(2)性能互补：组合导航系统综合利用了各子系统的信息，使各子系统取长补短，提高适用范围。(3)互为余度：各子系统观测同一信息源，测量冗余，增加了导航系统的可靠性。组合导航技术可以克服单一导航设备各自的缺点，扬长避短，使得导航能力、精度、可靠性和自动化程度大大提高。324.2

组合导航33组合导航的基本思想：惯性导航系统的输出信号与独立测量的由其它导航系统导出的相同的量进行比较；通过卡尔曼滤波器或其他滤波方法给出对导航系统误差的实时估计；通过适当的校正方式，对惯性导航系统进行修正，就有可能获得比单独惯性系统更高的导航精度。4.2

组合导航05智能导航35