导航原理之简介

InertialTechnology惯性技术付振宪SchoolofAstronautics,HIT1Lecture1--Introduction课程内容惯性导航：器件:陀螺仪(Gyroscopes)加速度计(Accelerometers)系统(InertialNavigationSystems–INS):平台式惯导系统(PlatformINS)捷联惯导系统(StrapdownINS–SINS)2Lecture1--Introduction1.0导航的概念导航：提供载体的运动信息,如位置、速度、姿态等导航、制导与控制之间的关系:控制器执行器位置速度姿态导航（信息反馈）3Lecture1--Introduction2.1惯性导航的基础惯性导航以牛顿第二定律为基础动力学(dynamics)惯性导航以对载体的加速度的测量为起点(使用加速度计–accelerometers).m敏感轴万有引力的影响4Lecture1--Introduction2.2*惯性导航的基本思想位置、速度和加速度之间的关系:惯性导航的特点:自主(Autonomous,

self-contained)

无需外部信息

只依赖于对载体的惯性测量(借助加速度计、陀螺仪)5Lecture1--Introduction2.3二维导航例子平面二维导航载体平台加速度计的输出经一次积分得速度，二次积分得位置.Acc.XAcc.Y

导航过程中，平台需要跟踪导航参考坐标系OXY.

平台的稳定是借助于陀螺仪(gyroscope)实现的.平台式vs捷联式6Lecture1--Introduction3.1*陀螺仪广义概念

来自古希腊语:

旋转敏感器（相对惯性空间的绝对转动）狭义概念陀螺:高速自旋的刚体陀螺仪:陀螺+支撑装置,以便实现对旋转的测量陀螺的定轴性:

高速自转的刚体具有定轴性

定轴性易受破坏

7Lecture1--Introduction3.2支撑的改进框架(gimbals)

外环轴外环

内环

内环轴转子轴转子基座等效支撑点自由度(DOF)---转子的---转子轴的二自由度陀螺仪(自转轴)转子轴转子基座内环内环轴单自由度陀螺仪8Lecture1--Introduction3.3漂移和漂移率

漂移–由干扰导致的转子轴相对惯性空间缓慢的方向变化

漂移率–漂移的快慢（deg/h）漂移(Drift)和漂移率

惯性导航的精度–惯性级:0.01deg/h

陀螺仪的历史–设法减少有害力矩、降低漂移的历史9Lecture1--Introduction4.1历史:傅科陀螺仪Foucaultgyroscope

(1852)Earth利用陀螺验证地球自转后期的技术改进10Lecture1--Introduction4.2历史:在航海的应用磁罗盘(Magneticcompass)被用于早期的航海19世纪后期，大量的木质轮船被钢铁材质的轮船取代，使磁罗盘的效能受到影响.

磁罗盘的使用在地球两极附近受到限制

寻找替代的方向指示装置11Lecture1--Introduction4.2历史:陀螺罗经陀螺仪被寄予希望,但面临着自动寻北的挑战1908年,Anschutz(德国)发明了陀螺罗经(gyrocompass)1909年,Sperry(美国)也独立研制出陀螺罗经.——陀螺罗经的出现标志着陀螺仪技术现代应用的发端12Lecture1--Introduction4.3历史:航空中的应用1920s,应用于早期的飞机测量飞机的姿态方位滚动俯仰

陀螺地平仪

陀螺航向仪13Lecture1--Introduction4.4历史:早期导弹中的应用1930s,Goddard(US)的先期研究1940s,V-1、V-2V-1V-214Lecture1--Introduction4.5历史:液浮陀螺二战后，德国导弹专家大量转移到美国和前苏联(VanBraun)冷战期间苏美竞赛1950s早期，MITDraper实验室研制出液浮陀螺(Fluidsuspensiongyro)转子内环(陀螺房)外环15Lecture1--Introduction4.6历史:Argonaut号之旅1958，潜艇Argonaut号之旅珍珠港–白令海峡–北极–Portland港21days，15000Km——标志着惯性导航技术的成熟16Lecture1--Introduction5.0两种趋势60年代后，陀螺仪的发展趋势呈现出两种分支：

追求更高的精度

低成本小型化(forSINS)5.1对更高精度的追求框架支撑系统的改进–液浮,气浮,磁悬浮精度优于10e-7deg/h17Lecture1--Introduction5.1*高精度:静电陀螺静电悬浮陀螺：非接触支撑陶瓷壳体球形转子自转轴球形电极钛离子泵1952Nordsieck提出1970s后期投入实用

用于惯导，优于10e-7deg/h

用于太空望远镜10e-11deg/h18Lecture1--Introduction5.2低成本、小型化环形激光陀螺(Ringlasergyro--RLG)

1960s早期开始研制,1970s后期进入实用光纤陀螺(FiberOpticalGyro–FOG)1970s开始研制,1980s早期进入实用19Lecture1--Introduction5.2振动陀螺振动(vibratory)陀螺

音叉(Tuningfork)

压电(Piezoelectric)陀螺

半球谐振陀螺(Hemi-sphericalresonantgyro,HRG)

微机电(MEMS)MicroElectro-MechanicalSystemsMicromachinedElectro-MechanicalSystems20Lecture1--Introduction6.0两类惯导系统的发展平台式惯导系统(PINS,orINS)(后来的Draper实验室)1950s–MIT研制出首套惯导系统1960s,1970s–广泛应用1980s–应用逐渐缩减，限于战略高端捷联式惯导系统(SINS)1960s–思想提出1970s–理论已完善，产品还不成熟1980s–应用迅速增长.21Lecture1--Introduction课程资源PPTdownloading:(仅校园网访问)Textbooks：