导航系统-中国民航大学-飞机导航.ppt

导航系统,孙淑光中国民航大学-电子工程系2018/9/7,2018年9月7日,导航系统,2,讲述内容,概论 惯性导航系统 卫星导航系统 其他导航系统 导航系统最优综合方法 GPS/INS组合导航 导航系统中的容错技术,2018年9月7日,导航系统,3,参考书目,愈济祥，卡尔曼滤波及其在惯性导航中的应用 以光衢，惯性导航原理，航空工业出版社 袁信，郑谔，捷连式惯导原理，航空专业教材编审组 魏光顺，无线电导航原理，东南大学出版社 刘基余，GPS导航原理及应用，科学出版社 陆元九，卡尔曼滤波及组合导航系统，西北工业大学出版社,2018年9月7日,导航系统,4,导航及其分类,导航的基本概念 导航：导航（Navigation）是引导载体达到预定目的地的过程 制导：根据导航系统提供的数据，由控制系统来自动引导载体到达目的地 导航分类 导航仪表：导航仪表单独测出飞机的一些参数，如磁航向、空速、高度等，供给飞行员操纵飞机完成导航任务 无线电导航：利用无线电技术测量导航参数的系统 天文导航系统：利用天体来实现导航 卫星导航系统：利用导航卫星来导航 惯性导航系统：惯性导航利用惯性敏感元件测量航行体相对惯性空间的线运动和角运动参数 ，在给定的运动初始条件下，由计算机推算出航行体的姿态、方位、速度和位置等参数 组合导航系统：将上述两种以上的导航系统组合成为组合式导航系统。

导航系统的发展,2018年9月7日,导航系统,5,导航系统基本功能,导航系统功能 测量飞机各种导航参数及飞机控制参数，供飞行员使用 与飞机其他控制系统相配合完成对飞机的人工或自动控制 基本导航参数 即时位置 地速 航向角 航迹角 航迹误差 偏流角 风速、风向 待飞时间、待飞距离 飞机姿态角、角速率,,2018年9月7日,导航系统,6,导航系统基本导航参数,2018年9月7日,导航系统,7,导航系统与飞机其它系统的连接,,惯性导 航组件,自动驾驶仪,气象雷达,自动信号引进组件,（更新/不更新） 信号器,真航向、磁航向,备用电池组件,大气数据系统,调协头,航路/进近转换,测距器（DME）,全向信标（VOR）,控制显示组件,方式选择组件,水平状态指示器,姿态指引指示器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2018年9月7日,导航系统,8,地球几何形状,地球形状 地球真实形状 大地水准体 参考椭球体 垂线与纬度 地心垂线与地心纬度（与地心连线） 地理垂线与地理纬度（参考椭球体法线） 天文垂线与天文纬度（参考椭球体法线方向对应的大地水准面的重力方向）,2018年9月7日,导航系统,9,地球几何形状,高度 飞行高度(PP0) 海拔高度（或绝对高度）(PP’) 相对高度(PP’’) 大地起伏(P0P’) 当地海拔(P’P’’) 气压高度,2018年9月7日,导航系统,10,参考椭球体,长短半径(Re , Rp ) 扁率 : f= (Re- Rp )/ Re 第一偏心率 第二偏心率,2018年9月7日,导航系统,11,参考旋转椭球体曲率半径,曲率与曲率半径 参考椭球体主曲率半径(子午圈与卯酉圈),2018年9月7日,导航系统,12,任意方向的曲率半径,2018年9月7日,导航系统,13,重力场,重力异常：实际测量重力数值与理论有差别 垂线偏斜：实测重力方向与参考椭球体法线不一致,2018年9月7日,导航系统,14,地球导航定位方法,,,大地坐标系向地球直角坐标系转换：,2018年9月7日,导航系统,15,地球坐标系及其转换,地球直角坐标系向大地坐标系转换：,,2018年9月7日,导航系统,16,大地坐标系,不同大地坐标系的相互变换微分后写成小量,2018年9月7日,导航系统,17,直角坐标变化对应的经纬度变化,不同坐标系下的经纬度计算,2018年9月7日,导航系统,18,导航坐标系定义,陀螺坐标系 地理坐标系 惯性坐标系 地球坐标系 机体坐标系 平台坐标系 导航坐标系 计算坐标系 游动坐标系,2018年9月7日,导航系统,19,陀螺坐标系,陀螺坐标系 ox轴：与陀螺内环轴一致，固连于内环上 oz轴：与陀螺转子轴一致，固连于内环上，但不随转子转动 oy轴：与oxy平面平行，大方向与外环一致，但一般不与外环轴一致陀螺仪,,2018年9月7日,导航系统,20,地理坐标系,返回,2018年9月7日,导航系统,21,惯性坐标系,返回,2018年9月7日,导航系统,22,地球坐标系,返回,2018年9月7日,导航系统,23,机体坐标系,返回,2018年9月7日,导航系统,24,平台坐标系,2018年9月7日,导航系统,25,陀螺原理陀螺力学基础 陀螺及其基本特性 陀螺力矩,2018年9月7日,导航系统,26,补充知识 陀螺原理,复合运动绝对运动：动点相对于定参考系的运动相对运动：动点相对于动参考系的运动牵连运动：动参考系相对于定参考系的运动例：人在运动的车厢内行走,2018年9月7日,导航系统,27,陀螺运动基础,复合运动由一个直线运动和一个圆周运动组成时：牵连切线速度使相对速度发生变化而产生的加速度a1：相对速度使牵连速度发生变化而产生的加速度a2：附加加速度和附加惯性力：ak=a1+a2,,,,,,ω,,,直杆,,,Vr,Veτ,x,y,,,滑块,2018年9月7日,导航系统,28,陀螺简介,陀螺定义：绕支点高速旋转的物体 陀螺结构：转子、内框、外框 陀螺种类：三自由度陀螺二自由度陀螺垂直陀螺、方位陀螺新型陀螺,2018年9月7日,导航系统,29,陀螺的应用,陀螺的应用： 指示仪表 传感器 把陀螺本身作为一个元部件，与其他自动控制元部件组成各种陀螺装置,2018年9月7日,导航系统,30,Inertial Reference systems:3 classes:,Sensors,Sensors blocks,Attitude and Heading Systems,Inertial Navigation Systems,,,,,,2018年9月7日,导航系统,31,陀螺简介,,,三自由度陀螺,二自由度陀螺,返回坐标系,2018年9月7日,导航系统,32,陀螺特性（一）,稳定性三自由度陀螺保持其自转轴（或动量矩矢量）在空间的方向不发生变化的特性 定轴性当三自由度陀螺转子高速旋转后，若不受外力矩的作用，不管基座如何转动，支承在万向支架上的陀螺仪自转轴指向惯性空间的方位不变 章动陀螺受到瞬时冲击力矩作用后，自转轴在原位附近做微小的圆锥运动，其转子轴的大方向基本不变,2018年9月7日,导航系统,33,陀螺特性,2018年9月7日,导航系统,34,三自由度陀螺定轴性,,假视运动（视在运动）,2018年9月7日,导航系统,35,三自由度陀螺章动,,章动,2018年9月7日,导航系统,36,决定稳定性好坏的因素,稳定性与陀螺转子的自转角速度、转子相对自转轴的转动惯量以及陀螺三轴是否垂直等因素有关自转角速度越高，转子相对自转轴的转动惯量越大，稳定性越高陀螺三轴不垂直时，稳定性降低,2018年9月7日,导航系统,37,三自由度陀螺特性（二）,进动性 进动性 当三自由度陀螺受到外力矩作用时，陀螺仪并不在外力矩所作用的平面内产生运动，而是在与外力矩作用平面相垂直的平面内运动 进动方向 陀螺受外力矩作用时，自转角速度矢量沿最短的路线向外力矩矢量运动 将外力矩矢量沿转子自转方向转90度,2018年9月7日,导航系统,38,进动特点,,进动,2018年9月7日,导航系统,39,进动方向,2018年9月7日,导航系统,40,三自由度陀螺进动角速度,进动角速度大小：α为转子轴从与外框轴垂直的位置向上或向下偏离的角度；M为外加力矩，JΩ为转动惯量决定进动角速度大小的因素 转子自转角速度越大，进动角速度越小 转子对自转轴的转动惯量越大，进动角速度越小 外力矩越大，进动角速度越大,2018年9月7日,导航系统,41,进动的特点,进动的特点 运动不是发生在力矩作用的方向，而是发生在和它垂直的方向 进动角速度，在角动量一定时，对应于一个力矩只有一个进动角速度 外力矩停止作用时，进动运动停止稳定性与进动性的关系 稳定性越好的陀螺，进动就越不明显 进动越明显的陀螺，稳定性就越差,2018年9月7日,导航系统,42,陀螺力矩实验,物体同时绕两个互不平行的轴旋转时，会产生陀螺力矩 陀螺力矩的矢量垂直于两个转轴所组成的平面,,,2018年9月7日,导航系统,43,陀螺力矩,,陀螺力矩的方向,陀螺力矩的方向 牵连角速度矢量沿转子 自转轴的方向转动90度陀螺力矩大小,2018年9月7日,导航系统,44,第二篇 惯性导航系统,第五章 惯性导航概论导航及其分类 惯性导航系统基本功能 惯性导航系统基本组成和简要原理,2018年9月7日,导航系统,45,惯性导航系统组成,基本组成 惯导组件 传感器、平台、导航计算机进行导航数据计算 控制显示组件 导航参数显示、初始数据的引入、系统实验、故障显示和告警 方式选择组件 控制系统的工作状态 备用电池组件 交流电源失效时，作为备用电源,2018年9月7日,导航系统,46,Exploded view of a sensor block,top,Gyro(RLG),Acceleros,Housing,Electronics board,Power supply,High Voltage Power Supply,,,,,,,,2018年9月7日,导航系统,47,惯性导航系统简要原理,,,2018年9月7日,导航系统,48,惯导原理,2018年9月7日,导航系统,49,二自由度导航系统简要原理,,,2018年9月7日,导航系统,50,用经、纬度表示的简化惯导系统方框图,,,,2018年9月7日,导航系统,51,实现惯导要解决的几个问题,平台跟踪坐标系 平台跟踪什么样的坐标系是平台式惯导系统的首要问题 舒勒摆原理在惯导系统中的应用 普通地平液体摆做敏感元件受加速度影响较大，需用舒勒摆原理 有害加速度的消除 消除由于地球自转、飞机飞行引起的牵连、哥氏、重力加速度等 初始对准问题 惯导系统要正确而精确的工作，必须精确给定初始条件 捷联惯导解算问题 数学平台代替机电平台,2018年9月7日,导航系统,52,坐标系转换关系（二）,在飞机上模拟惯性坐标系或地理坐标系 利用三自由度自由陀螺或定位陀螺来模拟惯性系或地理系坐标系转换关系 地理坐标系与机体坐标系的关系（姿态角） 地理坐标系与惯性坐标系的关系（位置） 地球坐标系与惯性坐标系的关系,2018年9月7日,导航系统,53,地理坐标系与机体坐标系的关系,设起始时地理坐标系与机体坐标系重合。

飞机绕其竖轴转动ψ角，相当于飞机方位发生了变化，即航向发生了变化 飞机绕其纵轴转动γ角，相当于飞机有倾斜角 飞机绕其横轴转动θ角，相当于飞机有俯仰角姿态角定义 航向角：飞机纵轴在水平面内的投影相对地理系指北线夹角 俯仰角：飞机纵轴与地平面间的夹角或飞机绕其横轴的转角 倾斜角：飞机横轴与地平面间的夹角或飞机绕其纵轴的转角,2018年9月7日,导航系统,54,Coordinate frames/transforms definitions,Geographic to Body Frame transformation:,XG γ:Roll XBYG  :Pitch YBZG ψ:True heading ZB,,,,,,,XB,Pitch,ZB,,,YB,ZB,,Roll,,YB,,XB,,Yaw,返回,2018年9月7日,导航系统,55,地理坐标系与惯性坐标系的关系,地理坐标系相对惯性坐标系的运动组成：地球自转飞机运动,,2018年9月7日,导航系统,56,。