– XT and YT are in the equator plane, XT is in the intersection of the equator plane and the Greenwich meridian – ZT is the same axis as the earth rotation axis
XT
YT
返回
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惯导
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Space-fixed or Inertial Frame(惯性 坐标系）
Z
– Space-fixed or inertial frame (Galilean)- (a) or (I) or (X,Y,Z)
– X and Y are in the equator plane, X pointing certain star
第一章 惯性导航中的地球、重力和坐标系
第一节 导航和惯性导航
导航及其种类
导航(Navigation)，就是引导航行的简称，是指将载体从一个位置引 导到另一个位置的过程。通常将飞机、舰船、导弹、坦克及宇宙飞行 器等，统称载体，于是也就有了航空导航、舰船导航、陆地导航及航 天制导之分。 导航的基本要素：即时位置(坐标)、航行速度、航行方位(航向)或飞过 距离等。
• 80年代以后到90年代初，以激光陀螺、光纤陀螺为代表的捷联式惯导 系统，得到极其迅速的发展和非常广泛的应用。 • 90年代惯性技术的发展，在系统方面主要是广泛应用惯导与GPS全球 定位系统，以及惯导与其它导航系统的双重和多重组合。
惯性技术的重要性及发展方向
惯性技术的发展表明，作为导航和制导，使用惯性系统有着其它导 航和制导技术无法比拟的优点，尤其自主性、抗干扰性和输出参数的 全面性等，对于军事用途的飞机、舰艇、导弹等有着十分重要的意义。 例如，惯性制导的中远程导弹，一般来说命中精度70％取决于惯性系 统的精度，它基本上决定了导弹是否能打准的问题。对于核潜艇，由 于潜航时间长，其位置和速度是变化的，而这些数据又是发射导弹的 初始状态参数，直接影响导弹的命中精度，因而需要提供高精度的位 置、速度等信号，而唯一能满足这一要求的导航设备就是惯性导航系 统。又如，战略轰炸机，由于要求它经过长时间远程飞行后，仍能保 证准确投放(发射)武器而命中目标，只有使用惯性导航系统才是最为 合适的，因为这样不依赖外界信息，隐蔽性好，不易受到外界干扰， 又不会因沿途经海洋，过沙漠而影响导航精度。
YT
equator
X XT
Ω*t
Greenwich meridian
– This frame is a rotational frame, it rotate with the earth 返回
惯导 26
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Body Frame (Mobile Frame，机体 坐标系)
ZB • • • Aircraft Body Frame:(XBYBZB) Fixed directions/Aircraft XB :Aircraft longitudinal axis YB :orthogonal to XB,in the wing plan ZB:orthogonal to XB and YB its orientation with respect to the Local-level frame (TGL) is defined by attitude angles - Euler angles: γ - roll - pitch 返回 - heading
equator
– Z is the same axis as the earth rotation axis
– This frame is ‘fixed’ frame
X Y 返回
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惯导
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Terrestrial Frame（地球坐标系）
ZT
Ω
– terrestrial frame - (E) or (ECEF) or WGS-84 or (T) or (XT,YT,ZT)
惯导系统用于各类导弹和各类火箭时，主要是利用惯导输出的位置、 加速度,速度或航向姿态信息，形成指令信号，控制载体姿态、航向或 关闭发动机，使其按预定轨道航行。显然这种控制运行是惯导与控制 系统的紧密结合，类似惯性导航中的自动导航状态。但由于导弹、火 箭均无人监控，所以习惯上把无人操纵和监控的运载体上的惯导系统 叫惯性制导系统。 3、由于惯性制导系统用于无人操纵的载体，所以构成上不同于惯性导航， 不设控制显示器。另外，惯性制导系统工作上还有两个特点：一是由 于导弹、火箭运行时间很短，所以导航精度随时问增长而下降的矛盾 便不突出，通常对其陀螺仪和位置精度的要求低于惯性导航一个数量 级；二是导弹、火箭发射时的冲击振动载荷较飞机、舰船大得多，所 以对惯性制导的强度、抗震及可靠性要求特别高。
惯导
YB
•
XB
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Platform frame (平台坐标系）
•Platform Frame:(XP,YP,ZP) •maintained levelled •ZP=ZG:Vertical,Up •XP,YP,:Horizontal
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Байду номын сангаас
惯导
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坐标系转换关系（二）
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惯导
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Geodetic Navigation Frame(地理 坐标系） Z
T
N
V E
– Geodetic navigation frame ( local-level ) -(TGL) or NED or (e , n,v)
G L
– N and E are horizental, and N pointting to the nother and Epointting to the east direction – V is vertical
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惯导
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Coordinate frames/transforms definitions
Geographic to Body Frame transformation:
XB
Pitch
ZB
ZB XG YG ZG γ:Roll XB YB ZB XB
返回
YB
Roll
:Pitch
针对以上要求，必需大力发展以光学陀螺、微机电陀螺和加速度计 等小型惯性仪表为核心的低成本捷联惯性导航与制导系统，突破系统 总体优化设计，快速对准和动态误差补偿等关键技术，同时与卫星定 位系统或数字地图等定位技术相组合，提高惯性系统定位精度，增加 冗余功能。卫星等航天器利用陀螺仪短时测量精度高和光学敏感器没 有累积误差的特性，采用陀螺仪组成的惯性测量单元与光学敏感器共 同组成卫星的姿态测量系统。以获取卫星等航天器持续的高精度的姿 态和姿态角速率测量信息。因此，卫星除了要求陀螺有较高的精度、 耐冲击、耐强振、小体积、低功耗外，还要求寿命及高可靠。根据我 国空间发展计划，到2020年将发射200多颗卫星，同时也将开展高精 度的战场侦查系统、空间作战平台、移动通讯系统等卫星系统的研制。
我国航空惯性导航系统的研制从70年代开始，经过二十多 年的预研与技术攻关，走过了从液浮(陀螺、加速度计)到挠性、 从平台式到捷联式、从纯惯性导航到惯性／GPS组合导航的过 程。目前，我国基本具备了自行设计、研制和生产惯性仪表及 系统的能力和条件。特别是新型洲际导弹的成功发射、载人航 天工程的圆满成功，标志着我国惯性技术已具有相当的水平。 随着惯性技术的不断发展，通过不断形成批量生产，降低成本， 特别是加快微机电惯性仪表的研究，扩大民用领域。到2020年 国内惯性技术的要求与发展是深入研究高精度惯性仪表和系统， 满足新一代武器装备的需求。战略核导弹武器系统主要采用高 精度惯性制导技术，因此，必须进一步提高惯性制导系统精度， 解决惯性技术发展相对落后的局面。以新一代核潜艇为背景， 开展静电陀螺惯性导航系统、海底地形/地貌匹配技术、重力/ 重力梯度修正匹配技术的研究，提高潜艇的重调周期，确保新 型核潜艇长时间水下无源导航能力。武器系统对惯性系统有特 殊要求，如杭冲击震动能力强、可靠性高，具有工作时间和储 存寿命长、成本低廉，反应时间短，动态范围宽，体积小和重 量轻。
惯性技术的发展阶段
1、惯性技术按陀螺仪的发展来分，最早为滚珠轴承式框架陀螺，以后又 出现液浮、气浮支承陀螺以及静电、挠性、激光、光纤陀螺等。 2、惯性技术按惯导系统所使用的陀螺仪来分，经历了这样几个阶段。 • 1942年德国V一2火箭上，用两个二自由度位置陀螺仪控制箭体 的姿态和航向，用一个陀螺加速度计测量沿箭体纵轴方向的加速度。 • 50年代，以液浮和气浮陀螺构成的平台式惯导系统开始在飞机、舰船 和导弹上广泛应用。 • 60年代动力调谐式挠性陀螺研制成功。挠性加速度计代替液浮摆式加 速度计。 • 70年代，在利用高压静电场支承球形转子、取代机械支承的静电陀螺 研制成功后，先后在核潜艇和远程飞机上装备静电陀螺平台式惯导系 统。 70年代，在利用高压静电场支承球形转子、取代机械支承的静 电陀螺研制成功后，先后在核潜艇和远程飞机上装备静电陀螺平台式 惯导系统。
ψ:True heading
Yaw YB
2018年8月10日
大气数据与惯导
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地理坐标系与惯性坐标系的关系
地理坐标系相对惯性坐标系的运动组成：
– 飞机绕其竖轴转动ψ角，相当于飞机方位发生了变化，即航向 发生了变化 – 飞机绕其纵轴转动γ角，相当于飞机有倾斜角。 – 飞机绕其横轴转动θ角，相当于飞机有俯仰角。
• 姿态角定义
– 航向角：飞机纵轴在水平面内的投影相对地理系指北线夹角 – 俯仰角：飞机纵轴与地平面间的夹角或飞机绕其横轴的转角 – 倾斜角：飞机横轴与地平面间的夹角或飞机绕其纵轴的转角
第二节 惯性和非惯性坐标系