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1、无陀螺惯导导航方法初步研究,主要内容,第一部分 惯性技术发展概述 第二部分 无陀螺惯导的发展概况 第三部分 无陀螺惯导的基本工作原理 第四部分 小结及展望,第一部分 惯性技术发展概述,惯性技术是惯性制导、惯性导航、惯性测量等技术的统称，已有四十多年的发展历史了。惯导系统可分为两大类：平台式惯导系统和捷联式惯导系统，后来在捷联式惯导系统的基础上又发展了无陀螺捷联惯导系(GFSINS)。前一阶段主要以发展平台式惯导为主，后期随着现代数学、现代控制理论与计算机技术的发展，在平台惯导系统的基础上又发展起捷联惯导系统，五十年代以来，捷联惯性技术与平台惯性技术都在以很高的速度并行发展 。,基于捷联惯导自身
2、的特点，它特别适合在飞船、战术导弹、飞机等一些中等或者低精度的飞行器上使用。五十年代中期，美国首先致力于航天飞行器的捷联惯导方案，到了六十年代，捷联技术得到了比较成熟的发展，美国先后在“阿波罗-13”宇宙飞船、“德尔塔”助推火箭、“海盗”火星降落器上成功应用捷联技术。下面重点介绍一下GFSINS的发展过程及国内外发展概况。,第二部分 GFSINS的发展概况,无陀螺惯导的定义:在捷联惯导系统中,用加速度计代替陀螺测量运动载体的角速度,称为无陀螺惯导系统(The Gyroscope Free Strapdown Inertial Navigation System 简称GFSINS)。,DiNap
3、oli于1965年在他的硕士论文中最先提出不用陀螺测量物体角速度的想法.这之后国内外学者开始研究基于六加速度计阵列，八加速度计阵列，九加速度计阵列，十加速度计阵列及十二加速度计阵列的无陀螺惯性测量单元。,国外主要是围绕六加速度计阵列的无陀螺惯性测量单元来开展研究.图 1.1是Berkeley 大学PATH 实验室正在研制的六加速度计无陀螺捷联惯性导航系统，图 1.2是加拿大 Calgary 大学使用数字罗盘与加速度计组合的惯性测量系统辅GPS 进行惯性导航。同时，日本北海道技术学院、悉尼的新南威尔士大学、纽约州立大学等也在做相关方面的研究。,图1.3 吉林大学自制无陀螺惯导系统,目前国内在研究
4、无陀螺微惯性测量组合方面，既有研究六加速度计配置，又有研究九加速度计配置及十二加速度计配置，其中后两种配置结构的研究一直处于理论进一步完善阶段。,第三部分 无陀螺惯导的工作原理,无陀螺惯导系统与常规捷联惯导系统的比较 载体角速度解算方法,无陀螺惯导系统与常规捷联惯导系统的比较,图2.1 无陀螺惯导系统原理图,由图2.1可以看出，无陀螺惯导系统和常规的捷联惯导系统原理基本上是相同的，所不同的是GFSINS的角速度是通过加速度计组合计算得到的，而通常的捷联惯导系统是则是通过陀螺测出载体角速度，所以只要解决怎么样通过对加速计的空间合理配置、设计出一种比较好的计算角速度的方法，无陀螺惯导的关键问题也就
5、解决了。,载体角速度解算方法,无陀螺捷联惯导系统仅使用加速度计测量的信息计算刚体的线运动和角运动参数，必须将加速度计安装在离质心一定距离处，才能由测量得到的载体加速度信息解算出载体的角速度信息。右边图3.1是惯性坐标系和载体坐标系之间的关系图。,图3.1坐标系间转换关系示意图,由理论力学的知识可以推导出载体非质心处的比力方程 ：,式中：,-(3.1),有了这个基本公式，就可以根据加速度计的不同配置方式得出不同的角速度解算方法。下面给出一种基于九加速度计安装方案的角速度求解方法,图3.1 加速度计安装示意图,表一 加速度计坐标位置,-(3.2),设：,则由式(3.1)和式(3.2)可得到加速度计
6、的比力方程如下:,-(3.3),最后可得到下面的方程，通过对它积分可得到三个角速度值。,-(3.4),下面通过仿真来检验下这种角速度解算方法的正确性、合理性。,仿真时间60秒，加速度精度10(-4),角速度误差如图4.1、图4.2和图4.3所示,图4.1沿X轴的角速度误差,图4.2沿Y轴的角速度误差,图4.3沿Z轴的角速度误差,由仿真图可以看出，采用这种积分计算角速度的方法，其误差会随时间积累。但是，对于短程的战术导弹，一般飞行时间在几十秒左右，这时候误差漂移不会太大，能够满足工程应用。当然，我们也可以通过其它辅助导航系统如：GPS、SAR和星光等组合成高精度的组合导航系统。,第四部分 小结及
7、展望,1)在无陀螺捷联惯导系统中，由于舍弃了陀 螺而使得系统具有成本低、高可靠性、低功率等优点； 2)无陀螺惯导系统的加速度是从加速度计输出的比力信号中求解出来的，其角速度误差随时间会不断积累； 3)无陀螺导航系统根据加速度的空间配置方案不同，有不同的角速度解算方法； 4)对于飞行时间只有几十秒或一百来秒的近程导弹，可以使用无陀螺捷联惯导系统,小结,通过以上的介绍，我们可以得出以下几个主要结论：,展望,无陀螺惯导系统的研究，今后主要要开展的方向：,1)对角速度的结算误差充分估计并补偿掉； 2)初始对准技术研究； 3)研制高精度的加速度计； 4)组合导航系统研究。无陀螺捷联惯导系统与其它导航系统组合，是一种很有发展前景的导航方式。,谢 谢 大 家！,谢 谢 大 家！,令,滤波器设计模型的状态方程式为,其中 ， ， 为对应于速度的过程噪声， ， ， 为对应于姿态的过程噪声。,3.量测方程,主惯导的姿态变化量的量测值为,姿态变化量的量测方程为,滤波器测量方程式为,二、使用卡尔曼滤波方法要注意的问题,滤波公式 设状态方程为,滤波算法如下,设有另一系统2，其离散化状态方程与上式相同，而其离散化观测方程为,系统2的协方差阵为,第三部分 未来研究的方向,1.快速传递对准方法研究 2.进一步提高传递对准的速度和精度 3.SINS/GPS组合对准,