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慣性導(dǎo)航原理 1 第五章慣導(dǎo)系統(tǒng)概論 2 5 1導(dǎo)航及其分類 一民航導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀1航路導(dǎo)航1 1慣性導(dǎo)航系統(tǒng) INS InertialNavigationSystem 上世紀(jì) 陸基無線電導(dǎo)航逐漸成為航空的主要導(dǎo)航手段 但需地面設(shè)施的支持 無法實現(xiàn)自主定位和導(dǎo)航 限制了航空發(fā)展 民用飛機(jī)采用INS的主要由于其提供的導(dǎo)航信息連續(xù)性好 導(dǎo)航參數(shù)短期精度高 更新速率高 尤其是可以產(chǎn)生包括飛機(jī)三維位置 三維速度與航向姿態(tài)等大量信息 在民航中得到應(yīng)用 是民航飛機(jī)的基本導(dǎo)航系統(tǒng) 但垂直定位功能不好 誤差是發(fā)散的 不能單獨使用 在現(xiàn)代民用飛機(jī)上通常與氣壓高度表組合使用 確定垂直高度信息 3 1 2陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)陸基無線電導(dǎo)航盡可能把整個導(dǎo)航系統(tǒng)的復(fù)雜性集中到了地面導(dǎo)航臺 使機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備比較簡單 因此價格低廉且可靠性較高 迅速得到了推廣使用 目前支持民航航路空中交通管理的主要地面設(shè)備包括 NDB VOR和DME 1 3星基導(dǎo)航系統(tǒng)目前 民航在GNSS應(yīng)用方面的工作也主要集中于GPS及相關(guān)技術(shù)的研究 試圖解決其在民航應(yīng)用中的特殊性問題 主要是解決完好性監(jiān)測等問題所開展的增強(qiáng)技術(shù) 4 2終端區(qū)進(jìn)近引導(dǎo)2 1大規(guī)模應(yīng)用中的ILS系統(tǒng)ILS的作用是向處于著陸過程中的飛機(jī)提供著陸引導(dǎo)信息 包括航向道信息 下滑道信息和距離信息 目前ILS在民航中廣泛應(yīng)用 根據(jù)性能ILS可以分為I類 II類和III類 我國裝備絕大多數(shù)系統(tǒng)只能達(dá)到I類標(biāo)準(zhǔn) 少數(shù)系統(tǒng)性能可以達(dá)到II類 主要原因除設(shè)備性能外 很大因素取決于場地 場地達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn) 障礙物較多場地不平整 造成航道 下滑道彎曲 超出類別標(biāo)準(zhǔn) 同時周邊地區(qū)的電磁干擾也會導(dǎo)致引導(dǎo)信號超過使用標(biāo)準(zhǔn) 5 2 2重要的輔助設(shè)施助航燈光系統(tǒng)助航燈對飛機(jī)的安全起降有著至關(guān)重要的作用 曾經(jīng)對飛機(jī)的安全降落起到關(guān)鍵作用 隨著ILS等著陸引導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用 現(xiàn)在的助航燈光系統(tǒng)更多地承擔(dān)輔助引導(dǎo)或備份的功能 2 3局域衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)為將GPS用于飛機(jī)精密進(jìn)近和著陸 FAA在1994年以前主要著力發(fā)展LAAS 它屬于GBAS 由地面設(shè)施和機(jī)載設(shè)備組成 以提高機(jī)載GPS設(shè)備的精度 完好性 連續(xù)性和可用性等性能 用以滿足I類 II類和III類精密進(jìn)近與著陸的要求 一套LAAS地面設(shè)施不僅可以覆蓋一個機(jī)場的所有跑道 而且可以覆蓋相距不遠(yuǎn)的幾個機(jī)場 6 二慣性導(dǎo)航的發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢1世界范圍內(nèi)慣性導(dǎo)航的發(fā)展歷程以及現(xiàn)狀2 1第一代慣性技術(shù)1930年以前的慣性技術(shù) 自1687年牛頓三大定律的建立 并成為慣性導(dǎo)航的理論基礎(chǔ) 到1852年 傅科提出陀螺的定義 原理及應(yīng)用設(shè)想 再到1908年由安修茨研制出世界上第一臺擺式陀螺羅經(jīng) 以及1910年的舒勒調(diào)諧原理 第一代慣性技術(shù)奠定了整個慣性導(dǎo)航發(fā)展的基礎(chǔ) 7 2 1第二代慣性技術(shù)開始于上世紀(jì)4O年代火箭發(fā)展的初期 其研究內(nèi)容從慣性儀表技術(shù)發(fā)展擴(kuò)大到慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用 首先是慣性技術(shù)在德國V II火箭上的第一次成功應(yīng)用 到50年代中后期 單自由度液浮陀螺平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)研制并應(yīng)用成功 2 3第三代慣性技術(shù)7O年代初期 出現(xiàn)了一些新型陀螺 加速度計和相應(yīng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 研究目標(biāo)是進(jìn)一步提高INS的性能 并通過多種技術(shù)途徑來推廣和應(yīng)用慣性技術(shù)這一階段的主要陀螺包括 靜電陀螺 動力調(diào)諧陀螺 環(huán)形激光陀螺 干涉式光纖陀螺等 8 2 4第四代發(fā)展階段當(dāng)前 慣性技術(shù)目標(biāo)是實現(xiàn)高精度 高可靠性 低成本 小型化 數(shù)字化 應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛的導(dǎo)航系統(tǒng)一方面 陀螺的精度不斷提高 另一方面 隨著新型固態(tài)陀螺儀的逐漸成熟 以及高速大容量的數(shù)字計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步 9 10 2我國慣導(dǎo)的發(fā)展歷程我國從 六五 開始 原國防科工委就把慣性技術(shù)納人預(yù)先研究和應(yīng)用發(fā)展中 經(jīng)過多年的建設(shè) 已經(jīng)形成一定規(guī)模的研發(fā)與生產(chǎn)能力 建成了比較現(xiàn)代化的中心實驗室 擁有一批慣性技術(shù)研究與生產(chǎn)隊伍 已經(jīng)研制出了種類豐富的有自主知識產(chǎn)權(quán)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 在人造地球衛(wèi)星 運載火箭 飛機(jī) 艦艇上都采用了我國自主研制的慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 雖然我們進(jìn)步不小 但像慣導(dǎo)這樣的高技術(shù)產(chǎn)品 我們與國外的差距有十年左右 美國九十年代就開始淘汰撓性陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng) 我們現(xiàn)在還在大量使用 國外的激光陀螺技術(shù)已經(jīng)實用 尤其是美國 現(xiàn)役的飛機(jī)幾乎全部裝備或者正在換裝激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng) 而我們到這一步還得幾年時間 11 3慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展方向慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計和發(fā)展須要考慮權(quán)衡的主要因素 1 必須針對并滿足應(yīng)用的需求 其中導(dǎo)航性能和價格成本是首要的兩個特性指標(biāo) 價格成本包含系統(tǒng)自身成本 維護(hù)成本和使用壽命 因此對于很多導(dǎo)航應(yīng)用 合理的價格仍然被置于應(yīng)用要求的最前面 導(dǎo)航性能包括 導(dǎo)航的精確性 連續(xù)性 完整性 易用性 易用性是指系統(tǒng)易于使用和維護(hù) 系統(tǒng)的自主性等 2 實際的應(yīng)用環(huán)境是最大的挑戰(zhàn) 系統(tǒng)的體積 功耗 可靠性和可用性會關(guān)系到慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能否在具體的應(yīng)用環(huán)境中被采用 12 3 提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的通用性 拓展應(yīng)用領(lǐng)域 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步呈現(xiàn)以下特點 1 在無法接收GNSS信號或需要高度導(dǎo)航可靠性的應(yīng)用場合 高性能的自主INS仍具有不可替代的作用 2 GNSS技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步將取代部分傳統(tǒng)的INS應(yīng)用領(lǐng)域 3 INS與其他多種導(dǎo)航手段組合 尤其是GNSS INS組合導(dǎo)航系統(tǒng) 受到普遍關(guān)注 4 地面車輛導(dǎo)航等民用市場發(fā)展迅速 價格低廉的一體化 小型化 多模式組合導(dǎo)航設(shè)備成為市場發(fā)展的三個重要方向 這既是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的機(jī)遇 也是挑戰(zhàn) 13 1 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)功能自動測量飛機(jī)各種導(dǎo)航參數(shù)及飛機(jī)控制參數(shù) 供飛行員使用與飛機(jī)其他控制系統(tǒng)相配合完成對飛機(jī)的控制 2 基本導(dǎo)航參數(shù)即時位置 地速 航向角 航跡角 航跡誤差 偏流角 風(fēng)速 風(fēng)向 待飛時間 待飛距離 飛機(jī)姿態(tài)角 角速率 5 2慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本功能 14 基本導(dǎo)航參數(shù) 15 慣性導(dǎo)航組件 自動駕駛儀 氣象雷達(dá) 自動信號引進(jìn)組件 更新 不更新 信號器 真航向 磁航向 備用電池組件 大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng) 調(diào)協(xié)頭 航路 進(jìn)近轉(zhuǎn)換 測距器 DME 全向信標(biāo) VOR 控制顯示組件 方式選擇組件 水平狀態(tài)指示器 姿態(tài)指引指示器 慣導(dǎo)系統(tǒng)與飛機(jī)其它系統(tǒng)的連接 16 5 3慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本組成和簡要原理 1 基本組成1 慣導(dǎo)組件 INU 包括傳感器 平臺 導(dǎo)航計算機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航數(shù)據(jù)計算2 控制顯示組件 CDU 包括導(dǎo)航參數(shù)顯示 初始數(shù)據(jù)的引入 系統(tǒng)實驗 故障顯示和告警3 方式選擇組件 MSU 主要用來控制系統(tǒng)的工作狀態(tài) 4 備用電池組件 BU 包括交流電源失效時 作為備用電源 17 2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)簡要原理 假設(shè)飛機(jī)在一個平面上飛行 建立平臺使y軸始終指北 x軸始終指東 沿xy軸分別放置加速度計 測出兩個軸的加速度 則可得到飛機(jī)的速度和位置 即 18 19 用經(jīng) 緯度表示的簡化慣導(dǎo)系統(tǒng)方框圖 20 3 實現(xiàn)慣導(dǎo)要解決的幾個問題 1 平臺跟蹤的坐標(biāo)系平臺跟蹤什么樣的坐標(biāo)系是平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)的首要問題2 舒勒擺原理在慣導(dǎo)系統(tǒng)中的應(yīng)用普通地平液體擺做敏感元件受加速度影響較大 需用舒勒擺原理3 有害加速度的消除消除由于地球自轉(zhuǎn) 飛機(jī)飛行引起的牽連 哥氏 重力加速度等4 初始對準(zhǔn)問題慣導(dǎo)系統(tǒng)要正確而精確的工作 必須精確給定初始條件5 捷聯(lián)慣導(dǎo)解算問題數(shù)學(xué)平臺代替機(jī)電平臺 21