第8章 平台式惯性导航系统原理及应用

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1、2022-5-30惯性导航原理惯性导航原理 中国民航大学电子信息工程学院中国民航大学电子信息工程学院崔崔 铭铭电子信息工程学院2 8.3 8.3 自由方位惯导系统自由方位惯导系统 8.1 8.1 概概 述述 8.5 8.5 平台式惯导系统初始平台式惯导系统初始 对准原理对准原理 第第8 8章章 平台式惯性导航系统原理及应用平台式惯性导航系统原理及应用 8.2 8.2 指北方位惯导系统指北方位惯导系统 8.4 8.4 游动方位惯导系统游动方位惯导系统 电子信息工程学院3一一 惯性导航的分类惯性导航的分类1.1.平台式惯导：三轴陀螺稳定平台，平台式惯导：三轴陀螺稳定平台，加速度计加速度计固固定在平

2、台上，其敏感轴与平台轴定在平台上，其敏感轴与平台轴平行平行，平台的三，平台的三根稳定轴根稳定轴模拟模拟一种导航坐标系。一种导航坐标系。优点优点：直接模拟导航坐标系，计算比较简单；能：直接模拟导航坐标系，计算比较简单；能隔离载体的角运动，系统精度高。隔离载体的角运动，系统精度高。缺点缺点：结构复杂，体积大，制造成本高。：结构复杂，体积大，制造成本高。 8.1 8.1 概概 述述电子信息工程学院42.2.捷联式惯导：捷联式惯导：无无稳定稳定平台平台，加速度计和陀螺仪，加速度计和陀螺仪与载体与载体直接直接固连。载体转动时固连。载体转动时, ,加速度计和陀螺仪加速度计和陀螺仪的的敏感轴指向敏感轴指向也

3、跟随转动。陀螺仪测量载体也跟随转动。陀螺仪测量载体角运角运动动，计算载体，计算载体姿态角姿态角，从而确定加速度计敏感轴，从而确定加速度计敏感轴指向指向。再通过。再通过坐标变换坐标变换，将加速度计输出的信号，将加速度计输出的信号变换到导航坐标系上，进行导航计算。变换到导航坐标系上，进行导航计算。优点优点：无平台，结构简单，体积小，维护方便。：无平台，结构简单，体积小，维护方便。缺点缺点：惯性元件直接装在载体上，环境：惯性元件直接装在载体上，环境恶劣恶劣，对，对元件要求较高；坐标变换中计算量元件要求较高；坐标变换中计算量大大。电子信息工程学院53.3.平台式惯导分类平台式惯导分类（1 1）半解析式

4、：又称）半解析式：又称当地水平当地水平惯导系统，系统惯导系统，系统有一三轴稳定平台，台面始终平行当地水平面，有一三轴稳定平台，台面始终平行当地水平面，方向指地理北（或其它方位）。陀螺和加速度计方向指地理北（或其它方位）。陀螺和加速度计放置平台上，测量值为载体相对惯性空间沿水平放置平台上，测量值为载体相对惯性空间沿水平面的分量，需消除地球自转、飞行速度等引起的面的分量，需消除地球自转、飞行速度等引起的有害加速度后，计算载体相对地球的速度和位置有害加速度后，计算载体相对地球的速度和位置。主要用于飞机和飞航式导弹，可省略垂直通道。主要用于飞机和飞航式导弹，可省略垂直通道加速度计，简化系统。加速度计，

5、简化系统。电子信息工程学院6（2 2）几何式：该系统有）几何式：该系统有两两个平台，一个装有个平台，一个装有陀螺陀螺，相对相对惯性惯性空间稳定；另一个装有空间稳定；另一个装有加速度计加速度计，跟踪，跟踪地理地理坐标系。陀螺平台和加速度计平台间的坐标系。陀螺平台和加速度计平台间的几何几何关系可确定载体的关系可确定载体的经纬度经纬度，故称，故称几何式几何式惯导系统。惯导系统。主要用于主要用于船舶船舶和和潜艇潜艇的导航定位。精度较高，可的导航定位。精度较高，可长时间工作，计算量小，但平台结构复杂。长时间工作，计算量小，但平台结构复杂。电子信息工程学院7（3 3）解析式：陀螺和加速度计装于同一平台，）

6、解析式：陀螺和加速度计装于同一平台，平台相对平台相对惯性空间惯性空间稳定。加速度计测量值包含稳定。加速度计测量值包含重力重力分量，在导航计算前必须先消除重力加速分量，在导航计算前必须先消除重力加速度影响。求出的参数是相对惯性空间，需进一度影响。求出的参数是相对惯性空间，需进一步计算步计算转换转换为相对地球的参数。平台结构较简为相对地球的参数。平台结构较简单，计算量较大，主要用于宇宙航行及弹道式单，计算量较大，主要用于宇宙航行及弹道式导弹。导弹。电子信息工程学院8 导弹依在空中飞行的弹道可分两类：导弹依在空中飞行的弹道可分两类：飞航式飞航式导弹和导弹和弹道式弹道式导弹，也可称有翼导弹和无翼导弹。

7、导弹，也可称有翼导弹和无翼导弹。( (巡航巡航导弹在弹道特征和弹体外形都有导弹在弹道特征和弹体外形都有飞航飞航式的特性，应作为飞航式的特性，应作为飞航式的一种，而不能单独分类。式的一种，而不能单独分类。) ) 飞航式飞航式: :在在大气层大气层中飞行，有弹翼、尾翼和舵中飞行，有弹翼、尾翼和舵面。面。弹翼弹翼用于在大气层中飞行时产生流体用于在大气层中飞行时产生流体升力升力，平衡导弹的重量。平衡导弹的重量。尾翼尾翼用于保持导弹飞行姿态的用于保持导弹飞行姿态的稳定性稳定性。舵面舵面是用来控制导弹飞行姿态和弹道的是用来控制导弹飞行姿态和弹道的调整。调整。 特点：飞行距离较特点：飞行距离较近近，多是战术

8、导弹。长度、弹径和重量，多是战术导弹。长度、弹径和重量较较小小，飞机、舰艇、潜艇和车辆均可作为发射平台。，飞机、舰艇、潜艇和车辆均可作为发射平台。 电子信息工程学院9 弹道式：弹道式：起飞起飞阶段必须在大气层内，阶段必须在大气层内，平飞平飞前前进阶段主要在空气稀少的高空或外层空间，进阶段主要在空气稀少的高空或外层空间，下降下降阶段再入大气层。弹道式导弹不在大气层中长时阶段再入大气层。弹道式导弹不在大气层中长时间平行飞行，间平行飞行，不不需要飞航式导弹那样的弹翼和操需要飞航式导弹那样的弹翼和操纵面，有的则连尾翼都没有。纵面，有的则连尾翼都没有。特点：空气阻力小，飞行速度快，飞行距离远，能进行洲际

9、攻击。特点：空气阻力小，飞行速度快，飞行距离远，能进行洲际攻击。电子信息工程学院104.4.半解析式平台惯导系统分类半解析式平台惯导系统分类 飞机中应用多为半解析式惯导系统，根据平台两个水平轴指向不同可分为（1 1）指北方指北方位惯导系统：位惯导系统：工作时，平台的三个稳定轴分别指向地理东、地理北、当地地平面的法线方向，即平台模拟当地地理坐标系。（2 2）自由自由方位惯导系统：方位惯导系统：工作时，平台的方位可以和北向成任意夹角，始终指向惯性空间的某一个方向，台面仍要保持在当地的水平面内。由于地球的旋转和飞机的运动，平台的横轴、纵轴不指向地理东、北，而是有一定自由夹角，故称它为自由方位惯导系统

10、，其平台称为自由方位平台。（3 3）游动游动方位惯导系统：方位惯导系统：与自由方位类似，平台的台面处于当地水平面，方位轴只跟踪地球自转的分量。电子信息工程学院11平台式惯导的基本组成平台式惯导的基本组成 平台式惯导系统由三轴陀螺稳定平台（包含陀螺仪）、加速度计、导航计算机、控制显示器等部分组成。三三 三种平台式惯导的特点三种平台式惯导的特点(p299)(p299)电子信息工程学院12电子信息工程学院13 8.2 8.2 指北方位惯导系统指北方位惯导系统 指北方位惯导系统是平台惯导中最基本的类型。陀螺平台建立的理想坐标系与地理坐标系完全重合。这样的平台需用一个三轴稳定平台，并对两个水平轴进行舒勒

11、调谐和积分修正控制其在水平面内，对方位轴系统施以控制信号使其指向北方。 本章解决的主要问题：本章解决的主要问题：平台各轴的指令角速度、加速度测量、导航参数解算一一 系统组成（系统组成（P300）电子信息工程学院141.1.外横滚环外横滚环 2.2.俯仰输出同步器俯仰输出同步器 3.3.倾斜输出同步器倾斜输出同步器 4.4.内横滚环力矩器内横滚环力矩器 5.5.俯仰环俯仰环 6.6.平台航向同步器平台航向同步器 7.7.方位环力矩器方位环力矩器 8.8.方位环方位环 9.9.俯仰力矩器俯仰力矩器 10.10.内横滚环同步器内横滚环同步器 11.11.外横滚环力矩器外横滚环力矩器 12.12.外横