美康粉黛丰胸霜怎么样:初识惯导系统 - Qzone日志

初识惯导系统

本贴旨在对惯导系统有个初步了解



基本概念及常识




  惯性导航是一种完全自主式的导航。它不要向外界发信号，也不要接收任何外界信号，就能独立地确定自己的位置，就好象把一个人的眼睛蒙上，耳朵堵上，别人带他出门旅行，使用了步行、火车、轮船、飞机等各种交通工具，经过了曲折的旅行路线，数月后要他判断自己在地球上的位置，神奇吗？惯性导航就能作到这一点。

相对性原理：



  牛顿惯性定律适用的参考系叫做惯性参考系；要求精度不太高时，地球就是一个惯性系，相对此系作等速直线运动的参考系都是惯性系。
  在一个静止或作等速直线运动的密闭车厢中，从天花板吊悬的单摆总是铅垂向下，垂直上抛的小球总能重新落回手中，只有打开车窗观看外面的地标才能判断车厢是静还是运。
  因此不依赖外部信息，在惯性系中的任何动力学实验都无法测出参考系的速度，这就是伽利略相对性原理。


惯性导航原理


 

  但是，当车厢有了加速度，情况就不同了。单摆会向后偏离铅垂线，垂直上抛的小球也会落到抛出点的后方，因此不依赖外部信息，在运动体的内部可以测出物体的加速度。考虑相对运动，加上牵连惯性力 ，可以解释为：是牵连惯性力Q向后拉动小球，如能测出单摆偏角θ ，则运动物体加速度是 a=gtanθ




在运动物体内部能测出物体加速度的仪器叫做加速度计，单摆就可作加速度计使用，但不方便。右图的弹簧质点系统，是一种可行方案，当壳体（安装在载体上）沿仪器敏感轴有加速度时，惯性力作用在惯性质量上，使其移动，直至与弹簧恢复力平衡，电位计即有与惯性力成正比的信号输出，因而可测出载体的加速度a。




对所测得的加速度 ，积分一次可得速度v，积分两次得载体在积分时间间隔中的位移。如果再考虑初始条件，就能完全确定载体在任一时刻的位置与速度。

加速度计的缺点：




加速度计有个缺点，就是不能区分惯性力与引力。当载体静止，而加速度计相对水平面有一安装倾斜角 ，作用在惯性质量上的重力分量将引起加速度计的输出，就好象载体有了加速度 一样。这是虚假信号，由此而产生的定位误差还随时间而积累。所以加速度计一般不直接安装在载体上，而要安装在一个高精度的水平平台上（捷联式惯导航系统中，加速度计直接装在载体上，但要经过复杂的计算将引力分量补偿掉）。


惯导系统分类

目前，惯导可分为两大类：平台式惯导和捷联式惯导。它们的主要区别在于，前者有实体的物理平台。



平台惯导系统原理方块图

  利用惯导平台可以保证加速度计永处于惯性空间水平面内，并有确定的指向，不受地球重力加速度影响，但构造复杂，造价昂贵。


  “捷联（Strapdown）”这一术语的英文原义就是“捆绑”的意思。因此，所谓捷联惯性系统也就是将惯性敏感元件（陀螺仪和加速度计）直接“捆绑”在运载体的机体上，从而完成制导和导航任务的系统。
在捷联式惯导中，惯性平台的功能由计算机完成，故有时也称作"数学平台"，它的姿态数据是通过计算得到的。




捷联惯导系统原理方块图

  捷联式惯性导航系统在开始导航之前，必须进行初始对准，也就是确定导航计算的初始条件。捷联式系统数学平台的水平基准是计算机根据加速度计所测量到的重力加速度水平分量用数学计算方法确定。
  在完成水平基准的确定以后，根据陀螺仪跟随地球转动所测量的信息，利用与平台式惯导系统计算罗经法相同的关系确定出数学平台所处的方位，也就完成了捷联式惯导系统的初始对准。



明确坐标系的概念

地理坐标系

  惯导中所涉及的有地理坐标系（即通常的经纬度坐标）和平面坐标系等。经纬度坐标可以确定地球上任何一点的位置。如果我们将地球看作一个椭球体，经纬网线就是加在这个椭球表面的地理坐标参照系格网。
  由于经纬度坐标系是一种球面坐标系，而度并不是衡量长度的单位，不能来用它测量长度和面积，所以我们需要通过一定的数学方法将这样的球面坐标投影到二维平面，进而形成平面坐标系，也就是航图、地图中采用的坐标系。这样我们才能对距离、面积进行测量和计算。把形状不是几何椭球体的地球进行数模化，我们可以得到用严格数学公式表示的地球数学模型即参考椭球体，随着人们对地球的不断认识和探索，对于地球形状的数学模型也在不断地改进，不同时期采用的地球数学模型造成不同时期的坐标基础不同。
不同的参考椭球体使用不同的投影方法在二维平面上得到不同的平面坐标系，进而导致同一个物体在不同的坐标系中的经纬度位置不同。所谓投影方法就是通过特定的数学方程式将经纬坐标转换为平面坐标。
　　民航机组目前使用的国内航图，如高空航线图、中低空航线图等均使用北京54国家坐标系。该坐标系是参照前苏联的克拉索夫斯基参考椭球体所建立。而在国际上，目前大多数国家普遍采用WGS-84坐标系。该坐标系由美国国防部研制确定，以国际大地测量与地球物理联合会（IUGG）第 17届大会所确定的WGS-84参考椭球体为参照。

地平坐标系




  也称为当地垂线坐标系，原点位于运载体所在点，z轴沿的当地地理垂线的方向，x、y轴在当地水平面内沿当地经线和纬线的切线方向。根据坐标轴方向的不同，地理坐标系的x、y、z的方向可选为“东北天”，“北东地”，“北西天”等右手直角坐标系。以 “东北天(ENU)”坐标系为例，x轴指向东，y轴指向北，z轴垂直于当地水平面，沿当地垂线向上。

载体坐标系

原点与载体质心重合，对于飞机、舰船等巡航载体，x沿载体横轴向右，y沿载体纵轴向前，z沿载体竖轴向上。   








  根据载体坐标系和地平坐标系之间的相对角位置关系，可以定义、并确定载体的姿态角（俯仰角、横滚角和航向角）。

平台坐标系

描述平台式惯导系统中平台指向的坐标系，它与惯导平台固连。如果平台无误差，指向正确，则这样的平台坐标系称为理想平台坐标系。

导航坐标系

导航坐标系是惯导系统在求解导航参数时所采用的坐标系。通常，它与系统所在的位置有关。对平台式惯导系统来说，理想的平台坐标系就是导航坐标系。 对捷联式惯导系统来说，导航参数并不在载体坐标系内求解，它必须将加速度计信号分解到某个求解导航参数较为方便的坐标系内，再进行导航计算，那么这个坐标系就是导航坐标系。例如将加速度计信号分解到地平坐标系内进行导航计算，则地平坐标系为此捷联惯导系统的导航坐标系。

  惯导有固定的漂移率，这样会造成物体运动的误差，因此长射程的武器通常会采用指令、GPS等对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位置参数。比如中距空空弹中段采用捷联式惯导+指令修正，JDAM采用自主式的卫星定位/惯性导航组合(GPS/INS)，战斧也采用了GPS/INS+地形匹配的技术，多数运载火箭采用平台式惯导等。