先进导航技术第二讲惯导系统的物理概念说明
先进导航技术 第二讲 惯导系统的物理概念说明
一、基于惯性测量的导航系统基于陀螺测量的角速度（或角度）信息在运动载体上构建有确定指向的惯性测量平台（物理的或数学的）同时给出载体的俯仰、横滚、航向角对于在地球表面运动的载体，常用当地水平地理参考系（指北型或游移方位型），在理想情况下惯性平台的绝对角速度应包括两部分：地球自转角速度：由载体运动产生的牵连角速度
一、基于惯性测量的导航系统 ➢ 基于陀螺测量的角速度（或角度）信息在运动载体上 构建有确定指向的惯性测量平台（物理的或数学的）， 同时给出载体的俯仰、横滚、航向角； ➢ 对于在地球表面运动的载体，常用当地水平地理参考系 （指北型或游移方位型），在理想情况下惯性平台的绝对 角速度应包括两部分： ⚫ 地球自转角速度； ⚫ 由载体运动产生的牵连角速度
一、基于惯性测量的导航系统（续）在惯性测量平台上的加速度计提供载体绝对加速度的测量，该加速度在去除有害加速度后才是用于定位计算的载体相对加速度；沿测量轴的相对加速度要转换到地理坐标系后才能进行相对速度以及即时位置计算惯性导航的三大特点实时性好；分辨率高；自主性强
一、基于惯性测量的导航系统（续） ➢ 在惯性测量平台上的加速度计提供载体绝对加速度的 测量，该加速度在去除有害加速度后才是用于定位计 算的载体相对加速度； ➢ 沿测量轴的相对加速度要转换到地理坐标系后才能进 行相对速度以及即时位置计算。 ➢ 惯性导航的三大特点： ⚫ 实时性好； ⚫ 分辨率高； ⚫ 自主性强
二、在地球表面导航的惯性系统原理（续）1、开环积分的基本误差导航误差（米）/速度误差美（米秒）误差表达式误差源1小时2小时1分钟1,600(120)27(2)3,200(240)Φ0=6dVt0.450.450.450.93,24012,960Na=5×10-gAat?21.80.033.60.023,88831,104Aorgt3D8=0.01°/h60.0013.2412.962103,3590.00016中Ae.gont4A8=0.01°/h0.2330.000011.86624此处：V，800公里小时，十（V2=60公里/小时）
1、开环积分的基本误差 二、在地球表面导航的惯性系统原理（续） Vt z 0 = 6 z 2 2 1 at a g 5 5 10− = 3 6 1 gt x h x 0.01 / = 4 24 1 g t z N h z 0.01 / = 3,359 1.866 210 0.233 0.00016 0.00001 31,104 12.96 3,888 3.24 0.02 0.001 12,960 3.6 3,240 1.8 0.9 0.03 3,200(240) 0.45 1,600(120) 0.45 27(2) 0.45 1分钟 1小时 2小时 导航误差（米）/速度误差（米/秒） 误差表达式 误差源 此处：V1=800公里/小时，（V2=60公里/小时）
二、在地球表面导航的惯性系统原理（续）从上表中不难看出：短时间导航时惯导精度相当高，使地/地导弹和地面车高精度定位成为可能；短时问导航时瞄准精度极关键，对加速度计要求也更为苛刻；如果导航时问为几十分钟，误差明显增加考察一下可观测性，短时问很难估计陀螺漂移
二、在地球表面导航的惯性系统原理（续） ➢ 短时间导航时惯导精度相当高，使地/地导弹和地面车高 精度定位成为可能； ➢ 短时间导航时瞄准精度极关键，对加速度计要求也更为 苛刻； ➢ 如果导航时间为几十分钟，误差明显增加； ➢ 考察一下可观测性，短时间很难估计陀螺漂移。 从上表中不难看出：
二、在地球表面导航的惯性系统原理（续）2、舒拉原理在地球表面上导航要求惯性测量参考系跟踪地理水平面，其角速度为：E.tanoWiesin+=wcos0R跟踪地理水平面不准将造成负反馈效应，结果形成“舒拉量，相应的振荡周期为84.4分;振荡，其固有频率のs=在舒拉振荡条件下的误差：R.Aa.(1-coso,t),5×10-g →0~637米;OR·A6(t-二sina,t),0.01 /小时→1.15公里/小时；0R.A,2Nl(1-coswt)l，→第一小时100m2
二、在地球表面导航的惯性系统原理（续） 2、舒拉原理 在地球表面上导航要求惯性测量参考系跟踪地理水平 面，其角速度为： = − , = cos + , = sin + tan R V R V R V E i e Z E i e N N E ( ) (1 cos t)], 100m. 1 2 t R [ sin t), 0.01 / 1.15 / 1 R (t 1 cos , 5 10 0 ~ 637 2 2 y N x s 5 s 第一小时 小 时 公 里 小时； 米 ； − − → − → − → − t g g R a ➢ 跟踪地理水平面不准将造成负反馈效应，结果形成“舒拉” 振荡，其固有频率 ，相应的振荡周期为84.4分； ➢ 在舒拉振荡条件下的误差：
二、在地球表面导航的惯性系统原理（续）ACV01O卤一卤ASIAS.-- ---R@cos@R-cos一区0￥0snNa一日日日日-RcosOtanp
二、在地球表面导航的惯性系统原理（续） S N 1 S 1 g g S 1 R 1 S 1 S 1 R 1 2 cos cos + R VE ie ie sin R cos 1 R 1 tan z x N z y Z x x ay VN Z VE − SN SE Z VN VE x Z − y S 1 S 1 y － － － － x a
（续）二、在地球表面导航的惯性系统原理3、长周期振动长周期振动的成因：因纬度误差造成的跟踪角速度补偿不精确因水平失谐角中造成的跟踪角速度补偿不精确因速度和角速度误差引起的有害加速度补偿不准。陀螺漂移oxAc引起的纬度误差Ap,方位误差z不再发散，但陀螺北向漂移引起的入仍发散
二、在地球表面导航的惯性系统原理（续） 3、长周期振动 ➢ 长周期振动的成因： ➢ 陀螺漂移 引起的纬度误差 方位误差 不再发 散，但陀螺北向漂移引起的 仍发散。 ⚫ 因纬度误差 造成的跟踪角速度补偿不精确； ⚫ 因水平失谐角 造成的跟踪角速度补偿不精确； ⚫ 因速度和角速度误差引起的有害加速度补偿不准。 x y , x y , , z
三、惯导系统的高度回路发散高度误差引起的重力加速度补偿不准导致正反馈效应AVDa2gR+h高度回路需引进气压高度或GPS高度对惯导的发散予以阻尼，然后仍由惯导系统输出高分辨率的高度信息
➢ 高度回路需引进气压高度或GPS高度对惯导的发散予以阻 尼，然后仍由惯导系统输出高分辨率的高度信息。 ➢ 高度误差引起的重力加速度补偿不准导致正反馈效应； 三、惯导系统的高度回路发散 s 1 s 1 R h 2g + Vz h + △a