武汉大学：《惯性导航》课程教学课件（讲稿）第4章 平台式惯性导航系统

第四章平台式惯性导航系统概述4.14.2平台式惯性导航系统的基本原理4.3指北方位惯导系统的机械编排方程4.4自由方位惯导系统及其机械编排方程4.5游动自由方位惯导系统及其机械编排方程武汉大学测绘学院卫星应用研究所

武汉大学测绘学院 卫星应用研究所 第四章 平台式惯性导航系统  4.1 概述  4.2 平台式惯性导航系统的基本原理  4.3 指北方位惯导系统的机械编排方程  4.4 自由方位惯导系统及其机械编排方程  4.5 游动自由方位惯导系统及其机械编排方程

概述4.1要想在工程上实现一套惯性导航系统，至少要考虑解决以下几方面的问题：■第一，必须采用一组高精度的加速度计作为测量元件。第二，必须依靠一组高性能的陀螺仪来模拟一个稳定的导航坐标系。第三，必须有效地将运动加速度和重力加速度分离开，并补偿掉其它不需要的加速度分量。第四，必须建立全面细致的计算和补偿网络，采用的计算装置要有足够的计算精度和运算速度。武汉大学测绘学院卫星应用研究所

武汉大学测绘学院 卫星应用研究所 4.1 概述 要想在工程上实现一套惯性导航系统，至少要考虑解 决以下几方面的问题 ：  第一，必须采用一组高精度的加速度计作为测量元件。  第二，必须依靠一组高性能的陀螺仪来模拟一个稳定 的导航坐标系。  第三，必须有效地将运动加速度和重力加速度分离 开，并补偿掉其它不需要的加速度分量。  第四，必须建立全面细致的计算和补偿网络，采用的 计算装置要有足够的计算精度和运算速度

导航计算是个复杂的过程，主要包括以下几方面的计算。口（1)从加速度信息到位置信息必不可少的两次积分运算;口（2)为提取信息而进行的补偿运算。口（3)线量转换为角量的运算。口(4)方向余弦矩阵的计算。口（5)对陀螺仪和加速度计的常值和随机误差进行统计计算，以作为下次工作补偿的依据。武汉大学测绘学院美卫星应用研究所

武汉大学测绘学院 卫星应用研究所  导航计算是个复杂的过程，主要包括以下几方 面的计算。  (1)从加速度信息到位置信息必不可少的两次积分运 算;  (2)为提取信息而进行的补偿运算。  (3)线量转换为角量的运算。  (4)方向余弦矩阵的计算。  (5)对陀螺仪和加速度计的常值和随机误差进行统计 计算，以作为下次工作补偿的依据

由此可见，为能正确地设计导航计算网络，需要有一个全面细致的计算流程图，而形成流程图的依据乃是联系各个运动参量的力学方程组，称为机械编排方程。我们在研究某一种方案的惯导系统时，首先要列出它的机械编排方程，这是分析和设计惯导系统的基础。武汉大学测绘学院美卫星应用研究所

武汉大学测绘学院 卫星应用研究所  由此可见，为能正确地设计导航计算网络，需 要有一个全面细致的计算流程图，而形成流程 图的依据乃是联系各个运动参量的力学方程 组，称为机械编排方程。我们在研究某一种方 案的惯导系统时，首先要列出它的机械编排方 程，这是分析和设计惯导系统的基础

4.2平台式惯性导航系统的基本原理一、平台式惯导系统的基本组成原理、比力方程和加速度信息的提取三、平台的水平控制回路及其舒勒调谐四、惯导系统高度通道的问题武汉大学测绘学院卫星应用研究所

武汉大学测绘学院 卫星应用研究所 4.2 平台式惯性导航系统的基本原理  一、平台式惯导系统的基本组成原理  二、比力方程和加速度信息的提取  三、平台的水平控制回路及其舒勒调谐  四、惯导系统高度通道的问题

一、平台式惯导系统的基本组成原理平台式惯导系统的核心是一个惯性级的陀螺稳定平台，它确定了一个平台坐标系(用p来标识)oxpypp。三个惯性级的加速度计的敏感轴分别沿三个坐标轴的正向安装，测得载体的加速度信息就体现为比力f在平台坐标系中的三个分量JP、JP和fP。如果使平台坐标系精确模拟某一选定的导航坐标系(用n来标识)ox,y,zn，也便得到了比力f在导航坐标系中的三个分量fP、fP和f.P。通过必要的计算和补偿，可从中提取出载体相对导航坐标系的加速度失量i（即速度v的一阶导数）的三个分量。再通过两次积分，可得到载体相对导航坐标系的速度和位置。武汉大学测绘学院卫星应用研究所

武汉大学测绘学院 卫星应用研究所 一、平台式惯导系统的基本组成原理 平台式惯导系统的核心是一个惯性级的陀螺稳定平台，它确定了一个平 台坐标系(用 p 来标识)ox y z p p p 。三个惯性级的加速度计的敏感轴分别沿三 个坐标轴的正向安装，测得载体的加速度信息就体现为比力 f 在平台坐标系 中的三个分量 p p x y f f 、 和 p z f 。如果使平台坐标系精确模拟某一选定的导航坐 标系(用 n 来标识) n n n ox y z ，也便得到了比力 f 在导航坐标系中的三个分量 p p x y f f 、 和 p z f 。通过必要的计算和补偿，可从中提取出载体相对导航坐标系 的加速度矢量 v(即速度 v 的一阶导数)的三个分量。再通过两次积分，可得到 载体相对导航坐标系的速度和位置

平台式惯导系统按所选定的导航坐标系的不同又可分为：口1.当地水平面惯性导航系统口2.空间稳定惯导系统武汉大学测绘学院卫星应用研究所

武汉大学测绘学院 卫星应用研究所  平台式惯导系统按所选定的导航坐标系的不同 又可分为：  1. 当地水平面惯性导航系统  2. 空间稳定惯导系统

1.当地水平面惯性导航系统由于两个水平轴可指向不同的方位，故这种系统又可分为口（1)指北方位惯导系统。这种系统在工作时oxn指向地理东向(E)，Oyn指向地理北向(N)即平台系模拟当地地理坐标系(用t来标识)ox,y,z,。口(2)自由方位惯导系统。在系统工作中，平台oy，轴不跟踪地理北向而是与北向夹某个角度α(t)，称自由方位角。由于α(t)可以有多种变化规律，因此又有自由方位、游动方位等区分。武汉大学测绘学院卫星应用研究所

武汉大学测绘学院 卫星应用研究所 1. 当地水平面惯性导航系统  由于两个水平轴可指向不同的方位，故这种系 统又可分为  (1)指北方位惯导系统。  (2)自由方位惯导系统。 在系统工作中，平台 oyp 轴不跟踪地理北向而是与北 向夹某个角度(t)，称自由方位角。由于(t)可以有多 种变化规律，因此又有自由方位、游动方位等区分。 这种系统在工作时 oxp 指向地理东向(E)，oyp 指向地理北向(N)， 即平台系模拟当地地理坐标系(用 t 来标识) ox y z t t t

2.空间稳定惯导系统这种系统的导航坐标系为惯性坐标系(用i来标识），一般采用原点定在地心的惯性坐标系ox,y,z,。ozi轴与地轴重合指向北极，oxivoyi轴处于地球赤道平面内，但不随地球转动。与当地水平面惯导系统相比，平台所取的空间方位不能把运动加速度和重力加速度分离开，而要依靠计算机进行补偿武汉大学测绘学院卫星应用研究所

武汉大学测绘学院 卫星应用研究所 2. 空间稳定惯导系统 这种系统的导航坐标系为惯性坐标系(用 i 来 标识)，一般采用原点定在地心的惯性坐标系 i i i ox y z 。ozi 轴与地轴重合指向北极，oxi、 oyi 轴处于地球赤道平面内，但不随地球转 动。与当地水平面惯导系统相比，平台所取 的空间方位不能把运动加速度和重力加速度 分离开，而要依靠计算机进行补偿

惯导系统各组成部分相互关系的示意图控制器加速度信息导航计算机显示器指令角速率信息导航参数陀螺加速度计稳定回路平台武汉大学测绘学院卫星应用研究所

武汉大学测绘学院 卫星应用研究所 惯导系统各组成部分相互关系的示意图