无人机飞行控制技术第8章 无人机导航系统

长沙航空职业技术学院教案授课主题无人机导航系统授课班级授课教师地点课时/累计审核/日期批准/日期无人机2001~3班于明清1-4014-305Z-505Z-5072/502/52\配套课件号511414-KJ-02-R1教案版本号R1教学目标/考核要素素质目标知识目标能力目标（1）具有耐心细致、精益求精的工作态度，养成科学务实的工作作风；（2）具有工程质量意识和工作规范意识，养成良好的职业行为习惯；（3）具有吃苦耐劳、团结协作、勇于创新的精神；（4）具有良好的心理素质和一定的社会交往能力；（5）坚守敬仰航空、敬重装备、敬畏生命的航修文化；（6）坚持无缺陷、零差错的职业素养。(1)熟悉惯性导航系统的概念(2)了解卫星导航系统的导航原理和结构(3)了解组合导航技术的基本概念(1)了解惯性导航系统的工作原理和系统结构(2)熟悉卫星导航系统及其构成(3)了解组合导航的基本知识航空维修职业素养、机务作风教育以及课程思政要素1.导航系统：作用、分类、新技术；正确的人生观念，；2.惯性导航系统：克服困难，创新精神、严谨细致作风，目的明确。3.卫星导航系统：合作精神，严谨细致吧，遵纪守法。重点、难点及其解决方法重点：卫星导航系统难点：惯性导航系统解决方法:理实结合，由特殊到一般。教学过程设计概述1序号教学环节主题内容信息化资源时间教学方法1考勤管理考勤。5min2课程回顾多旋翼无人机的控制10min问答法3讲授内容1惯性导航系统的工作原理及构成专业资源库25min讲授法4讲授内容2惯导系统的分类及特点专业资源库25min对比法5教学活动惯导系统的应用20min讨论法6课堂小结总结布置作业5min21考勤管理考勤5m2课程回顾惯性导航系统15m问答法3讲授内容1卫星导航系统的原理专业资源库35m讲授法4讲授内容2卫星导航系统的构成专业资源库30m讲授法5小结总结5m概述法

学过程备注纤维的性能表征450min1主题内容一：课程回顾考勤管理回顾上堂课程的主要内容：多旋翼无人机控制的概念PID控制自动飞行15min主题内容二：卫星导航系统的导航系统是是各类运动器（包括飞机、舰船、航天器，甚至汽车）必不可缺少的子系统。导航系统的主要作用是：“定位”、“目的地选择”、“路径计算”和“路径指导”，有的还具有授时功能。对无人机而言，导航系统更是无人机能否完成任务的关键系统之一。２惯性导航系统的基本组成惯性导航系统（INS：InertialNavigationSystem）是利用惯性测量元件（IMU）测量载体相对于惯性空间的运动参数，并经过计算后实施导航任务的。通常对于靠近地球表面航行的飞机来说，最主要的导航信息是相对地球的即时位置和即时速度。研究三维导航时，表述空间位置的参数是经度（λ）、纬度（φ）和离地高度（H），正好对应地理坐标系沿东向（E）、北向（N）和天向（U）三个方向上的距离。而测量这些参数的最基本信息源是飞机的加速度矢量。加速度可以由加速度计测量。由加速度计测量载体的加速度，并在给定运动初始条件下，由导航计算机算出载体的速度、距离和位置（经度、纬度和高度）；由陀螺仪测量载体的角运动，并经转换、处理，输出载体的姿态角和航向。位置信息可由以下公式来计算：加速度a由加速度计测量提供，速度V和距离Ｓ可分解为飞机的东、北、天三个方向的分量。２惯性导航系统的基本组成通过对惯性导航系统的描述可知，一个完整的惯性导航系统应包括以下几个主要部分：加速度计用于测量飞机运动的加速度，一般应由三个加速度计完成东、北、天三个方向的测量。稳定平台为加速度计提供一个准确的安装基准和测量基准，以保证不管飞机作什么样的机动飞行，三个加速度计的空间指向是不变的。。导航计算机用于进行积分、相加、乘除和三角函数等数学计算。控制显示器一个功用是向计算机输人飞机的初始运动参数和位置参数；另一个功用是显示飞行过程中的导航参数；还可以进行必要的控制操作，以实现惯性导航的更多功能。25min主题内容三：惯导系统的分类及特点平台式惯性导航系统（简称平台式惯导）核心部分是有一个实际的陀螺稳定平台，平台上的三个实体轴，重现了所要求的东、北、天地理坐标系三个轴向，它为加速度计提供了精确的安装基准，保证了三个加速度计测得的值正好是导航计算时所需的三个加速度分量。。捷联式惯性导航系统（简称捷联式惯导），与平台式惯导的主要区别就是不再有实体的陀螺稳定平台，加速度计和陀螺仪直接安装在载体上。“平台”这个概念和功能还是要有的，只是由导航计算机来实现，这时，关键问题是要将陀螺测量的绕机体的三个角速度，通过计算机实时计算，形成由机体坐标系向类似实际平台的平台坐标系转换，即解出姿态矩阵表示式。捷联式惯导系统有如下特点：惯性元件直接安装在机体上，便于安装维护和更换；惯性元件可直接给出机体线加速度和角速度信息，而这些信息是飞控系统所必须的；取消了机械平台，减少了惯导系统中的机械零件，便于采用更多的惯性元件来实现余度技术，从而大大提高系统的可靠性；惯性元件的工作环境比平台式惯导中的惯性元件要差，惯性元件误差对系统误差的影响要比平台式惯导大。捷联式惯导对惯性元件要求比平台式惯导要高；用数学平台取代机械平台，增加了导航计算机的计算量，因机体姿态角的变化很快，可能达到400°/s，因此姿态计算必须有高速度的计算机。20min主题内容四：惯导系统的应用应用领域发展1942年，德国V-2火箭上，用两个三自由度位置陀螺仪控制箭体的姿态和航向。20世纪50年代，液浮陀螺构成的平台式惯导开始在飞机、舰船上广泛使用。20世纪60年代动力谐调式挠性陀螺研制成功。20世纪70年代静电陀螺研制成功，采用高压静电场支承取代机械支撑，并先后在核潜艇和远程飞机上装备静电陀嫘平台式惯导系统。20世纪80年代以后，以激光陀螺、光纤陀螺为代表的捷联式惯导得到了极其飞速的发展和广泛的应用。25min主题内容五：课堂小结平台惯导捷联惯导主题内容五：课后反思及后续改进措施（手写）2主题内容一：考勤课程回顾考勤惯性导航系统15主题内容二：卫星导航系统的工作原理GPS全球定位系统是由美国海、陆、空三军和国防测绘局联合研究、开发、建立的利用卫星进行定位、导航和时间传递的卫星无线电导航系统，其英文全称为NavigationSatelliteTimingandRangingGlobPositionSystem（导航卫星计时和测距全球定位系统），缩写为NAVSTARGPS，简称GPS（全球定位系统）。1.伪距法定位全球定位系统采用多星高轨测距体制，以距离作为基本观测量，通过对四颗卫星同时进行的伪距测量，即可归算出按收机的位置，由于测距可在极短的时间内完成（即定位是在极短的时间内完成的），故可用于动态用户。伪距法测距是GPS接收机接收卫星播发的伪随机码在所测距离上的延迟时间来推算出单程距离的，因此要求卫星与接收机的时钟严格同步。如果两个时钟不同步，那么所测量的传播延迟时间中除了因卫星至接收机之间的距离所引起的传播延迟之外，还包含了两个时钟间的钟差。全球定位系统采用统一的原子时钟系统，以t表示。所观测的第j颗卫星时钟的钟面时以tj表示，接收机时钟的钟面时以tR表示，由于卫星钟与接收机钟与GPS原子时不同步，其钟差分别为设自j卫星发播的时刻为ts，接收机所接收的时刻为tr。显然信号传播延迟的时河为τ=tr-ts，故得卫星至按收机的距离为式中x、y、z—接收机在所采用的地球坐标系中的三维坐标值；xj、yj、zj—卫星在同一坐标系中的坐标，它们可自卫星发播导航电文中卫星位置信息经计算得到。只要对四颗卫星同时进行观测，即可解出上述四个参数，这就是GPS伪距法定位。2.载波相位法定位观测GPS卫星发射的载波相位，测量接收机所接收的卫星载波信号与本地参考信号的相位差。设k接收机在接收机钟面时为Tk时，本地参考信号的相位值为Φk(Tk)所接收的j卫星载波信号的相位为Φkj(Tk)，则其相位观测量为根据需要，经解算便可得到待测点的坐标。3.差分GPS定位设有A、Ｂ两点，且A点选在一控制点，其坐标（ｘＡ，yＡ）为一已知精确值，B点为待恻点，其精确坐标（ｘＢ，yＢ）需通过测量来确定。现分别在A、B两点各放一台GＰＳ接收机，同时接收处手最佳态的四颗卫星发射的信号进行定位，设Ａ、B两点的坐标测量值分别为ｘＡ测，yＡ测和ｘＢ测，yＢ测。由于地面Ａ、B两点间的距离仅为几至几十干米，而卫星至地球的距离为2万多干米，因此在同一时刻四颗卫星对地面两测点的系统随机误差应基本一致。可得A点坐标的测量值与精确值之差ｘＡ测－ｘＡ＝△ｘＡｙＡ测－ｙＡ＝△ｙＡ△ｘＡ与△ｙＡ即为系统在某一时刻的随机误差。B点的精确坐标应为ｘＢ＝ｘＢ测－△ｘＡｙＢ＝ｙＢ测－△ｙＡ35min主题内容三：卫星导航系统的构成全球定位系统由星座（导航卫星）、地面监控系统和用户接收机三个部分组成。星座由均匀分布在六个近圆形轨道上的24颗工作卫星和3颗在轨备份卫星纽成。地面监控系统包括五个监测站、三个注人站和一个主控站。监测站连续对每颗卫星进行跟踪观测，并将测得的数据迸行预处理后传送给主控站。主控站根据各监测站的观测数据计算卫星的星历、钟差修正参数，并将计算结果传送给注入站，注人站每天当每颗卫星运行到它的上空时，再将这些数据注人