惯性测量技术及导航分解课件.ppt
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- 惯性 测量 技术 导航 分解 课件
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1、中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院第一章第一章 导航系统概述导航系统概述l1.1、导航与大地测量、制导的关系。l1.2、导航技术发展简史。l1.3、惯性导航技术的发展简况。l1.4、地球形状及曲率半径。1.1导航与大地测量、制导的关系导航与大地测量、制导的关系l(1)确定载体的位置、引导载体到达目的地的指示和控制过程称为l(2)导航有多种技术途径,如无线电导航、天文导航、惯性导航等,其中惯性导航以其高度自主的突出优点,在导航技术中占有特殊的位置。综合了惯性导航系统和其他导航系统,采用现代控制理论信息融合方法,构成的以惯性导航为主,其他导航手段为辅的组合导航系统,日益广泛。l(
2、3)大地测量学是以获取位置和方向为目标的另外一门学科,测绘学的一个分支。主要研究和测定地球形状、大小和地球重力场,以及测定地面点几何位置。用于解决大地地形测量问题,以及在广大地区内为建立平面和高程控制网所进行的精密测量问题。导航与大地测量的特点和区别项目作用对象定位形式输出物理量实时性要求位置精度要求导航大地测量运动载体大地地物过程定位静态定位速度姿态位置精确位置很高不高米/十米厘米/分米l制导是一个与“导航”相关的概念,也是和导弹、制导炸弹/炮弹、制导鱼雷等带有导航、制导功能的制导武器一起出现的术语。l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,既包含了应用导航的测量
3、值,又包含了自动控制的全部闭环工作过程。1.2导航技术发展简史导航技术发展简史l(1)早期:司南,“水罗盘”,“旱罗盘”,地标l(2)无线电导航:20世纪30年代相继问世l(3)多普勒导航:20世纪60-70年代l(4)惯性导航系统:20世纪40年代,德国研制成功带惯性稳定装置的V-2火箭,标志问世;l(5)卫星导航系统:GPS、GLONASS、伽利略、北斗。l(6)地形辅助/视觉导航系统l(7)组合导航系统1.3惯性导航技术发展惯性导航技术发展l(1)基础理论及早期发展l根据牛顿力学定律,惯性导航系统利用陀螺仪和加速度计的测量值求解载体的姿态、速度和位置信息。l惯性导航技术的产生和发展不是孤
4、立的,其与上百年的天文、机械、数学等技术以及理论发展密切相关。l(2)发展与应用lV-2火箭;l德雷柏证实纯惯性导航在飞机应用的技术可行性;l鹦鹉螺号核潜艇;l。1.4地球形状及坐标系地球形状及坐标系地球形状地球形状地球的形状地球的形状 几乎所有的导航问题都和地几乎所有的导航问题都和地球发生联系。球发生联系。地球表面形状是不规则的。地球表面形状是不规则的。大地水准面:采用海平面大地水准面:采用海平面作为基准,把作为基准,把“平静平静”的海的海平面延伸到全部陆地所形成平面延伸到全部陆地所形成的表面(重力场的等位面)。的表面(重力场的等位面)。最简单的工程近似:半径最简单的工程近似:半径为为 R
5、的球体的球体 进一步的精确近似:旋转进一步的精确近似:旋转椭球体(参考椭球)椭球体(参考椭球)目前各国使用的几种参考椭球目前各国使用的几种参考椭球扁率扁率=(长轴(长轴-短轴)短轴)/长轴长轴 椭球的曲率半径(和纬度有关)椭球的曲率半径(和纬度有关)地球重力场地球重力场地球的重力地球的重力(gravity)(gravity)是地心引是地心引力力(gravitation)(gravitation)和地球自转产和地球自转产生的离心力的合力:生的离心力的合力:FjW离心力比重力小得多,离心力比重力小得多,最多有几个角分最多有几个角分 重力加速度重力加速度 g 的巴罗氏的巴罗氏算法:考虑地球为椭球算法
6、:考虑地球为椭球体时,体时,g 与纬度以及高与纬度以及高度的关系。度的关系。垂线及纬度垂线及纬度纬度纬度:地球表面某点的垂线方向和赤道:地球表面某点的垂线方向和赤道平面的夹角平面的夹角-lattitude垂线垂线:地心垂线地心垂线地球表地球表面一点和地心的连线面一点和地心的连线 测地垂线测地垂线地球椭地球椭球体表面一点的法线方球体表面一点的法线方向向 重力垂线重力垂线重力方重力方向(又称天文垂线)向(又称天文垂线)地球的运动地球的运动对应三种垂线定义,有三种纬度定义对应三种垂线定义,有三种纬度定义 1、地心纬度、地心纬度2、测地纬度(大地纬度)、测地纬度(大地纬度)3、天文纬度、天文纬度后两者
7、偏差角一般很小,不超后两者偏差角一般很小,不超过过 30 角秒,统称地理纬度。角秒,统称地理纬度。地球的运动地球的运动地球相对惯性空间的运动是由地球相对惯性空间的运动是由多种运动形式组成,主要有:多种运动形式组成,主要有:地球绕自转轴的逐日旋转地球绕自转轴的逐日旋转(自转)(自转)相对太阳的旋转(公转)相对太阳的旋转(公转)进动和章动进动和章动极点的漂移极点的漂移随银河系的一起运动随银河系的一起运动地球相对惯性空间的旋转地球相对惯性空间的旋转角速度与地球相对太阳的角速度与地球相对太阳的旋转角速度(区别)。旋转角速度(区别)。坐标系坐标系-惯性坐标系惯性坐标系 一、惯性坐标系一、惯性坐标系(in
8、ertial frame)(inertial frame)太阳中心惯性坐标系太阳中心惯性坐标系 地心惯性坐标系地心惯性坐标系 坐标系坐标系-确定载体位置的坐标系确定载体位置的坐标系确定载体相对地球位置的坐标系确定载体相对地球位置的坐标系 地球坐标系地球坐标系-earth fixed-earth fixed frameframe(运动物体在该坐标系(运动物体在该坐标系中的定位中的定位、R)地理坐标系(东北天坐标系)地理坐标系(东北天坐标系)East-North-Up frameEast-North-Up frame 方向余弦方向余弦 二维情形二维情形方向余弦的物理意义方向余弦的物理意义(Dire
9、ction Cosine)(Direction Cosine)二维平面中,同一个矢量在二维平面中,同一个矢量在两个坐标系两个坐标系OXY 和和 OXY中的投影分别为中的投影分别为 yxVyxV则则 CVV 其中其中 cossinsincosC方向余弦方向余弦 三维情形三维情形类似地,对于三维空间,仍有类似地,对于三维空间,仍有 CVV 只不过只不过 V 和和 V 都是三维矢量,或可写成都是三维矢量,或可写成 zyxzyx321321321coscoscoscoscoscoscoscoscos方向余弦矩阵方向余弦矩阵(Direction Cosine Matrix)为正交矩阵,有为正交矩阵,有时
10、以表格形式给出时以表格形式给出 321321321coscoscoscoscoscoscoscoscoszyxzyx定点定点:刚体转动中的固定不变点:刚体转动中的固定不变点实现方案实现方案:框架(:框架(gimbal)支撑、铰链、悬浮支撑、铰链、悬浮(suspension)等等坐标系坐标系转子(动)坐标系转子(动)坐标系oxyz基座(固定)坐标系基座(固定)坐标系OXYZ方向余弦矩阵方向余弦矩阵(坐标变换阵)(坐标变换阵)XYZxC11C12C13yC21C22C23zC31C32C33绕定点转动绕定点转动 坐标系坐标系直接求取方向余弦矩阵比较困难,因此引入内框架坐标系直接求取方向余弦矩阵比较
11、困难,因此引入内框架坐标系oxyz和外框架坐标系和外框架坐标系ox1y1z1,借助坐标旋转,借助坐标旋转。旋转顺序旋转顺序:外框架坐标系外框架坐标系ox1y1z1绕绕着外框架轴相对固定坐标着外框架轴相对固定坐标系系OXYZ转过转过角角内框架坐标系内框架坐标系oxyz绕着绕着内框架轴相对外框架坐标内框架轴相对外框架坐标系系ox1y1z1转过转过角角转子坐标系转子坐标系oxyz绕着绕着转子轴相对内框架坐标系转子轴相对内框架坐标系OXYZ转过转过角角 绕定点转动绕定点转动 坐标系旋转坐标系旋转求取外框架绕外框架轴相对固定坐标系转过求取外框架绕外框架轴相对固定坐标系转过角,对应的坐角,对应的坐标变换阵
12、:标变换阵:设矢量设矢量 R 在两个坐标系中的坐标分别是在两个坐标系中的坐标分别是(X,Y,Z)和)和(x1,y1,z1),则根据投影关系则根据投影关系 x1=X y1=Ycos+Zsin z1=-Ysin+Zcos ZYXzyxcossin0sincos0001111绕定点转动绕定点转动 坐标变换(固坐标变换(固外)外)类似地,类似地,当内框架绕着内框架轴相对外框架转过当内框架绕着内框架轴相对外框架转过角,可以得到角,可以得到 111cos0sin010sin0coszyxzyx当转子绕着转子轴相对内框架转过当转子绕着转子轴相对内框架转过角,可以得到角,可以得到 zyxzyx1000coss
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