武汉大学导航学复习

《武汉大学导航学复习》由会员分享，可在线阅读，更多相关《武汉大学导航学复习（9页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、武汉大学导航学复习导航 : 确定载体的位置和姿态，引导载体到达目的地的指示和控制过程导航参数 : 由导航仪表或导航系统提供的载体在空间的即时位置、速度和航向信息。导航系统: 实现导航任务的设备或装置称为导航系统。导航系统有两种工作状态:指示状态: 不直接对载体进行控制，仅提供导航信息供驾驶员操纵和引导载体。自动导航状态: 直接提供导航信息给载体的自动驾驶控制系统，从而操纵和引导载体。制导 : 是指自动控制和导引飞行器按预定轨迹和飞行路线准确到达目标的过程制导参数 : 是综合利用预定航迹参数和导航参数（ 绝对参数 ） 计算出来的各种可用来纠正载体航向偏差 / 偏航的参数（ 相对目标的参数） 如

2、: 应飞航迹角、偏航角、航迹角误差、偏航距等。制导系统 : 实现导引和控制飞行器按预定规律调整飞行路线导向目标的全部装置制导系统的功能: 根据起始点、目标点和有关约束信息，建立航迹参数（ 如航路点、航线等）; 由导航系统测量载体的实际运动，确定载体的真实运动导航参数（ 如位置、速度、姿态等）; 根据航迹参数与实际运动参数，自动产生制导信息，传输给运动载体的相应控制部件傅科摆实验验证了什么现象，是怎么样来验证的傅科的演示直接证明了地球自西向东的自转。法国物理学家让?傅科在巴黎国葬院安放了一个钟摆装置，摆的长度为67 米，底部的摆锤是重28 千克的铁球。摆动过程中摆动平面沿顺时针方向缓缓转动，摆动

3、方向不断变化。分析这种现象，摆在摆动平面方向上并没有受到外力作用，按照惯性定律，摆动的空间方向不会改变，因而可知，这种摆动方向的变化，是由于观察者所在的地球沿着逆时针方向转动的结果，地球上的观察者看到相对运动现象，从而有力地证明了地球是在自转。惯性导航系统: 根据牛顿力学定律，利用惯性器件来测量运载体本身的加速度，经过一次积分得到运载体的速度，再经过一次积分得到运载体的地理位置。优点 : 隐蔽性好，工作不受气象条件的限制。 惯性坐标系 : 是牛顿定律在其中成立的坐标系，相对恒星确定的参考系为惯性空间 日心地心发射点 地球 （ 地心地球固联）坐标系 : 原点地心， z 地球自转轴， xy 都在赤

4、道平面内 x 与零度子午线相交 地理坐标系 （ 当地垂线坐标系 ）: 原点为运载体所在点， z 地理垂线方向， xy 经线和纬线的切线方向 ; 其相对于惯性参考坐标系转动角速度包括: 地理坐标系相对于地球坐标系的转动角速度和地球坐标系相对于惯性参考坐标系的转动角速度。载（机）体坐标系 :原点载体质心，其和地理或地平坐标系之间的相对角位置关系可以确定载体姿态角 描述刚体在空间的角位置: 刚体在空间的角位置用与刚体固联的坐标系相对于所选用的参考坐标系的角度关系来描述，通常采用方向余弦法和欧拉角法; 方向余弦 : 确定刚体固连坐标系的 3 个轴在参考坐标系中的 9 个方向余弦，即可唯一确定刚体的角位

5、置。欧拉角 : 在刚体上确定一个与刚体固连的向量，刚体相对于空间的角位置可由 : 此向量的两个独立转动角和刚体绕这一空间向量的转动角确定。 方向余弦作用 : 描述坐标系之间的角位置关系 ; 用于坐标变换，其也称坐标变换阵。两种定位方式原理: 推算是定位: 依靠自身的加速度计和陀螺实现对速度，位置和姿态的推算; 几何式定位: 相对于多个已知点进行测距的几何定位技术爆过无线电导航定位 （ 卫星定位 ） 和路标定位 地心垂线和地心纬度: 从该店指向地心的连线矢量，即参考椭球上Po点到地球中心的连线称为地心（几何）垂线；其与赤道平面的夹角为地心纬度。地理 （ 测地 ） 垂线和纬度: 参考椭球上点的法线

6、为地理垂线，其与赤道平面的夹角为地理纬度。其最常用 天文垂线和纬度: 参考椭球上Po 点法线方向对应的大地水准面P点的重力方向为天文垂线；其与赤道平面的夹角在子午面内的分量可用天文测量的方法测定，故为天文纬度重力异常 : 地球某点实际测量的重力数值与理论值直插; 真实地球重力被分成正常重力和重力异常。 垂线偏差 : 实测的重力方向与该点在参考椭球处的法线方向的差别 ;对导航的影响 : 垂线偏差一般为角秒数量级，最大不超过20”，但与g 有关的精密导航方法必须考虑这种影响 ; 重力异常和两个垂线偏斜角都是大地测量工作中所需测量的参数载体姿态角的定义: 根据载体坐标系和地理坐标系之间的相对角位置关

7、系，可以定义并确定载体的姿态角 （ 俯仰角、横滚角和航向角 ） 航向角 : 定义载体绕垂线方向转动、载体的纵轴在水平面上的投影与地理北向之间的夹角为航向角，数值以地理北向为起点，顺时针方向为正，其定义域为 0?到 360? 俯仰角 : 定义载体绕横向水平轴转动产生的纵轴与纵向水平轴的夹角为俯仰角，俯仰角以水平轴为起点，向上为正，向下为负，定义域为 -90?到 90?横滚角: 定义载体绕纵轴相对于铅垂平面的转角为横滚角，从铅垂平面算起，右倾为正，左倾为负，定义域为 -180?到 180?什么是大地坐标系 , 同一地点在不同大地坐标系中坐标差异是由于两个坐标系的哪些差异造成的 , 各坐标系间的转换

8、如何实现, 我国采用那种大地坐标系 ,大地坐标系：以旋转椭球为参照体建立的坐标系统。用大地经度 L、大地纬度B和大地高 H 表示某一点的位置。差异原因 : 椭球的定位、定向参数不同 ; 平差方法不同。坐标转换: 不同大地坐标系的换算，包含 :3 个平移参数、 3 个旋转参数、一个尺度变化参数、 2个地球椭球元素变化参数。根据3个以上公共点的两套大地坐标值，列出 9 个以上广义大地坐标微分公式，采用最小二乘求出上述9 个转换参数。我国目前采用CGCS200曾家大地坐标系。曾用过的大地坐标系有 :1954 北京坐标系、 1980年国家大地坐标系、新1954北京坐标系。哥氏加速度: 当动点对某一动参

9、考系作相对运动，同时这个动参考系又在作牵连运动，则该点具有。 形成原因 : 当动点的牵连运动为转动时，牵连转动会使相对速度方向不断发生改变，而相对运动又使牵连速度的大小不断发生改变; 这两种原因都造成了一方向上附加的速度变化率，该附加加速度变化率即为哥氏加速度。简言之，其是由于相对运动与牵连转动的相互影响而形成的。比力 : 载体相对惯性空间的绝对加速度和引力加速度之差; 量纲为加速度量纲，即米 / 秒次方舒勒摆 : 一个自然振荡周期等于84.4min 能指示垂线的装置，其不受支点加速度的干扰，这样的摆称作。 舒拉调整条件的数学意义表明了此时的运动微分方程是齐次的，aN不出现在方程中；物理意义表

10、明了惯导平台在有运动加速度时能始终保持在当地水平。二自由度陀螺仪的基本特性: 陀螺仪的进动性; 定轴性 ; 表现进动 ; 产生进动原因在陀螺仪上施加外力矩M会引起脱落动量矩矢量H相对惯性空间转动的特性，称为陀螺仪的进动性。陀螺仪的定轴性: 二自由度陀螺仪的转子绕自转轴高速旋转具有动量矩H 时，如果不受外力矩作用，自转轴将相对惯性空间保持方向不变的特性。两种重要表现瞬时冲击力矩作用在陀螺仪上，自转轴在原来的空间方位附近绕垂直于自转轴的两个正交轴做震荡运动，称为章动 ; 在干扰力矩作用下陀螺仪将产生进洞，使自转轴在惯性空间中逐渐偏离原来的方位，这种方位偏移称为漂移。陀螺 （ 单轴 ） 稳定平台 :

11、 利用陀螺仪特性保持平台台体方位稳定的装置。由二自由度陀螺仪、力矩器、信号器、减速器、稳定电机、放大器以及平台组成。基本原理：平台在力矩Md作用下相对于惯性空间产生干扰角速度，旋转一个角度 9 ;陀螺绕输出轴进动，旋转一个角度8 ;绕输出轴的传感器产生电压S并将信号传输至稳定电机 ; 稳定电机产生控制力矩，平衡干扰力矩。特点 : 对于指令信号，平台是一个快速跟踪系统; 对于陀螺漂移，平台系统同样会快速跟踪，因此陀螺漂移会直接产生平台的漂移角速率；对于干扰力矩Md:当Md为常值时，平台不会出现漂移角速率，但会出现常值偏差角，且与Md成正比，与回路中的静态增益成反比；当干扰力矩与时间成正比，平台出

12、现漂移角速率和常值偏差角。 平台式惯导 : 吧加速度计放在实体导航平台上，导航平台由陀螺保持稳定; 捷联式惯导 : 把加速度计和陀螺仪直接固联在载体上。主要区别 : 是否有实体的导航平台惯导系统按导航坐标系的不同分为 : 当地水平惯导系统: 采用当地水平坐标系作为导航坐标系，包括: 指北方位、自由方位、游动方位惯导系统等; 空间稳定惯导系统 : 采用惯性坐标系平台式惯导系统的核心是惯性级的陀螺稳定平台，它确定了一个平台坐标系。说明指北方位、自由方位。游动方位三种导航系统的异同指北方位惯导系统工作时，OXpt向地理东向，OYp-向地理北向，平台系模拟当地地理坐标系。自由方位惯导系统工作中，平台O

13、Yp轴不跟踪地理北向而与北向夹某个角度a(t),称自由方位角。由于a(t)有多重变化规律，因此又有自由方位，游动方位等区分。惯导系统所要解决的问题 :如何由比力信息中提取所需的加速度信息 ; 如何使平台回路满足舒勒调谐 ; 如何完成导航参数和平台指令加速率的计算; 如何进行精确的初始对准垂直通道阻尼回路的作用 : 阻尼回路也叫互补滤波器，使两种高度信息起互补作用，这样可以取长补短，得到动态品质好而误差不随时间发散的组合高度系统捷联惯导的优缺点 : 优点 : 省去了导航平台，整个系统的体积，重量和成本大大降低 ; 惯性仪表便于安装维护，也便于更换; 捷联式系统可以提供更多的导航和制导信息 ; 可

14、提高系统的性能和可靠性缺点 : 惯性仪表固联在载体上，直接成熟载体的震动和冲击，工作环境恶劣 ; 要求捷联式陀螺有大的施矩速度和高性能的再平衡回路 ; 捷联陀螺不可以相对重力加速度和地球自转角速度任意定向来进行测试，因而装机标定比较困难，从而要求捷联陀螺有更高的参数稳定性。捷联式惯导系统的主要特征是用计算机来完成导航平台的功能，采用所谓数字平台。数学平台中，最重要的问题是实时获得载体坐标系相对地理坐标系的关 系。捷联式导航系统中的姿态计算主要完成以下三大功能:(1) 利用捷联陀螺测量的载体相对于惯性空间的角速度采用四元数法计算姿态矩阵;(2)从姿态阵的元素中提取载体的姿态信息于8 丫(3)利用

15、Cbn把加速度计输出 f 从载体坐标系变换到导航坐标系 f ，即 f=Cf惯性导航系统的误差可分为 : 元件误差 : 加速度计和陀螺仪的测量误差 ; 安装误差 : 加速度计和陀螺仪在平台上的安装误差 ; 初始条件误差: 初始对准计输入计算机的初始位置、初始速度不准所形成的误差 ; 运动干扰 : 冲击和震荡造成的 ; 其他误差 :地球曲率半径的描述误差等。研究惯导系统误差的目的 : 通过分析确定各种误差因素对系统性能的影响，对关键元器件提出适当的精度要求; 另外，借助误差分析，可以对系统的工作情况和主要元部件的质量进行评价静基座惯导系统误差分析条件: 惯导系统的力学编排以东北天指北方位系统为考虑

16、，其余类似；2 6人是独立的，因此单独考虑。不放在方程组中处理;3高度通道是不稳定的，因此高度通道不考虑;4 陀螺和加速度计误差均考虑为常值误差，不考虑其随机性。惯导的基本误差特性是哪三种振荡运动合成的 , 说明三种振荡运动产生的原因。由舒勒周期振荡cos,地球周期振荡和付科周期振荡合成的。产生原因：s是由于平台倾斜，存在误差角xy,安装在平台上的加速度计感受到重力加速度分量，构成了二阶负反馈回路，从而表现出振荡特性; 付科周期振荡是由于有害哥式加速度补偿误差造成的；地球周期振荡是由于系统中存在平台误差角和纬度误 差，他们的交叉耦合将地球自转角速度分量引入了惯导系统。惯导系统误差分析结论: 陀

17、螺漂移是惯导系统误差的主要误差源; 加速度计零偏 误差只产生舒拉和付科周期振荡，不产生地球周期振荡，它使惯性平台产生常值误差角分量；初始条件误差 。与6 Lo激励三种周期振荡，除 yozo入。产生6入 的常值误差分量外，其余均为振荡性误差；误差方程是在误差量为小量，一阶线性化条件下推出的 ; 较大周期看，惯导的误差大部分是振荡的，但短时间工作，误差特性将会出现上升趋势; 误差源的性质不同，结论会有差别 ;常值和随机误差源引起的惯导系统误差的区别 : 确定性的误差可以设法通过补偿加以消除，之后随机误差源就成为影响系统精度的主要误差源惯导系统初始对准: 任务 : 研究如何使平台坐标系按导航坐标系定

18、向。为加速度计提供一个高精度的测量基准，并为载体提供精确的姿态信息。平台式惯导初始对准的基本思想: 利用惯导系统的姿态角误差方程，分析引起误差的主要因素，采用零极点配置控制算法，在短时间内，使姿态角误差下降从而达到平台惯导系统初始对准的目的。其主要目的 : 平台调整到预订的坐标系内 ; 而捷联式惯导初始对准目的是精确确定姿态矩阵。平台的水平对准精度只和加速度计的零偏有关方位罗经对准精度受东向陀螺漂移的影响。四条影响误差的曲线：第一条：曲线表明误差角y(t)受ex的影响，其中包含 地转周期和舒勒周期，全为周期振荡。第二条曲线表明 : 误差中含有三个分量: 地转周期分量、舒勒周期分量以及随时间积累的分量。显然第三种是系统中性质最严重的误差分量。第三条曲线表明加速度计零偏对平台误差角的影响，包含两个周期分量: 一为常值分量，一舒勒周期分量。第四条曲线表明yo对z(t)的影响包含两个周期分量：地球周期分量和舒勒周期分量惯性导航系统组成部分: 加速度计 ; 惯导平台 ; 导航计算机; 控制显示器。