《惯性导航简介》
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光纤陀螺捷联惯性导航系统The Fiber Optical Gyroscope Strap-down InertialNavigation System中文摘要光纤陀螺捷联惯性导航系统由于具有结构简单、无运动部件、动态范围宽等特点,在导航领域里深受关注,并且正在迅速发展。
光纤陀螺捷联惯性导航系统研发的关键技术在于光纤陀螺惯性测量组件的硬件设计、初始对准技术以及光纤陀螺惯性测量组件的测试与误差标定技术。
【关键词】光纤陀螺惯性导航捷联惯性导航系统AbstractThe Strap-down Inertial Navigation System (SINS) can provide location and attitude. It has inertial sensors combined on the body, including gyros and accelerometers. And an on-board computer realizes the navigation algorithm. The mainstream of recent navigation sensor research is that about gyros without rotor. While in comparison with ring laser gyro or fiber optical gyro, hemispherical resonator gyro (HRG) is competitive due to the optimum cost VS degree of required accuracy, reliability and longevity.Key words: Fiber Optical Gyroscope; Inertial navigation; Strap-down Navigation System一、惯性技术的发展(一)惯性技术的重要性惯性技术是对载体进行导航的关键技术之一,惯性技术是利用惯性原理或其它有关原理,自主测量和控制运载体运动过程的技术,它是惯性导航、惯性制导、惯性测量和惯性敏感器技术的总称。
消防单兵惯性导航系统的设计消防单兵护卫惯性导航系统是一种智能化的产品,可准确计算和预测消防员在紧急情况下的位置、速度和方向等相关信息,以帮助消防员有效地执行任务。
随着科技的不断发展,这种智能化的装备已经被广泛应用于消防工作中,成为了消防员们必不可少的装备之一。
一、消防单兵惯性导航系统简介消防单兵惯性导航系统是一种基于微小惯性导航仪和全球卫星定位系统(GPS)技术的装备,可以记录并显示消防员在复杂环境中的运动轨迹和位置信息,实现更加高效和安全的消防应急响应。
该装备包括一个小型传感器、一个微处理器和一个显示器。
传感器可以接收来自消防员身上的运动信号,微处理器则根据这些信号计算出消防员的位置和方向,将这些信息传输到显示器上,帮助消防员更好地控制局面。
二、消防单兵惯性导航系统的作用1. 帮助消防员快速找到火场的位置在高层建筑内,火灾往往很难被发现。
消防员在火场搜索时很难辨别方向和位置,会引起迷惑和增加救援时间。
如果将惯性导航系统与空间地图结合起来,消防员可以在大楼中快速找到火灾的位置,合理指挥人员救援。
2. 帮助消防员避免误入危险区域消防工作中经常涉及到火势、瓦斯等因素,消防员可能会误入危险区域而受到风险威胁。
狭隘而不稳定的空间,如隧道、地下停车场等,极易使消防员迷失方向。
使用消防单兵惯性导航系统可以在实时监测火势和烟雾分布的同时,避免消防员误入危险区域。
3. 提高作业效率和安全在救火过程中,消防员需要进行一系列操作和行动,如高空落体、投射水流和进行上下爬升等。
在这些任务中,有时受到环境和情况的制约,消防员往往需要快速作出决策和动作,用最短的时间实现任务。
消防单兵惯性导航系统的使用可以大大提高消防员的行动效能和水平,实现更真实、稳定、准确的运动控制。
三、消防单兵惯性导航系统在实际工作中的应用1. 北京首都机场消防局该机构在母机场范围内实行24小时动态监控和安全管控,引入惯性导航系统可以对监测区域进行定点摆放,对应不同消防类别、不同方向的立点布控,进一步提升了监测及防灭火效果。
惯性导航系统的发展及应用绪论惯性导航是一门重要的学科技术,它是飞机、船舶、火箭等载体能顺利完成导航和控制任务的关键性技术之一。
1942年德国在V-2火箭上首次应用了惯性导航原理;1954年纯惯性导航系统在飞机上试飞成功。
30余年来,惯性导航技术获得迅速发展。
在我国惯性导航技术已在航空、航天、航海和陆地车辆的导航和定位中得到应用。
1970年以来,我过多次发射的人造地球卫星和火箭都采用了本国研制的惯性导航系统。
不仅如此,70多年以来,这门科学技术还在大地测量、海洋勘测、石油钻井、航空测量和摄影等国民经济领域里获得成功应用。
惯性导航简介惯性导航(Inertial Navigation)是20 世纪中期发展起来的完自主式的导航技术。
通过惯性测量组件(IMU)测量载体相对惯性空间的角速率和加速度信息,利用牛顿运动定律自动推算载体的瞬时速度和位置信息,具有不依赖外界信息、不向外界辐射能量、不受干扰、隐蔽性好的特点,且惯导系统能连续地提供载体的全部导航、制导参数(位置、线速度、角速度、姿态角)。
惯性导航技术,包括平台式惯导系统和捷联惯导系统。
平台式惯性导航系统将陀螺通过平台稳定回路控制平台跟踪导航坐标系在惯性空间的角速度。
捷联惯性导航系统利用相对导航坐标系角速度计算姿态矩阵,把雷体坐标系轴向加速度信息转换到导航坐标系轴向并进行导航计算。
惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。
惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪,又称惯性导航组合。
3个自由度陀螺仪用来测量飞行器的三个转动运动;3个加速度计用来测量飞行器的3个平移运动的加速度。
计算机根据测得的加速度信号计算出飞行器的速度和位置数据。
控制显示器显示各种导航参数。
陀螺仪陀螺仪是惯性系统的主要元件。
陀螺仪通常是指安装在万向支架中高速旋转的转子,转子同时可绕垂直于自转轴的一根轴或两根轴进动,前者称单自由度陀螺仪,后者称二自由度陀螺仪。
陀螺仪具有定轴性和进动性,利用这些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角偏差的位置陀螺。
惯性导航技术简介什么是惯性导航系统?惯性导航系统(INS,Inertial Navigation System)是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。
其工作环境不仅包括空中、地面,还可以在水下。
惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础,通过测量载体在惯性参考系的加速度,将它对时间进行积分,且把它变换到导航坐标系中,就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
发展进程第一代惯性导航技术指1930 年以前的惯性技术,奠定了整个惯性导航发展的基础。
牛顿三大定律成为惯性导航的理论。
第二代惯性技术开始于上世纪 40 年代火箭发展的初期,其研究内容从惯性仪表技术发展扩大到惯性导航系统的应用。
70 年代初期,第三代惯性技术发展阶段出现了一些新型陀螺、加速度计和相应的惯性导航系统,其研究目标是进一步提高INS 的性能,并通过多种技术途径来推广和应用惯性技术。
当前,惯性技术正处于第四代发展阶段,其目标是实现高精度、高可靠性、低成本、小型化、数字化、应用领域更加广泛的导航系统。
技术组成惯性导航技术主要包括陀螺技术、加速度计技术和航位推测技术。
陀螺技术是利用高速旋转的陀螺提供运载体角位移或角速度技术。
机电陀螺是告诉旋转的转子,载体发生角运动时,转子绕垂直于自转轴的一根轴或两根轴发生进动,从而敏感处载体的角运动。
这种装置具有极高的稳定性。
根据这一原理,将陀螺作为惯性导航的基准和稳定系统。
加速度计技术是测量用在体线加速度的技术。
可以测量出运载体线加速度,并输出与加速度成比例的电信号,供计算和控制运载体位置使用。
航位推测技术是根据已知运载体的初始位置,利用由陀螺和加速度计敏感出的运载体运动航向和加速度推算出运载体当前位置的技术。
其原理是从一已知点的位置根据连续测得的运动体航向角和速度推算出其下一点的位置,因而可连续测出运动体的当前位置。
惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系,使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中,并给出航向和姿态角;加速度计用来测量运动体的加速度,经过对时间的一次积分得到速度,速度再经过对时间的一次积分即可得到位移。
惯性导航导资料内容1、2、3、4、5、6、7、8、9、概述目标系统叙述全面的系统综合程序导航方程机动化卡尔曼滤波任务目标系统设计与仿真仪器校准10、后期任务评估11、将来趋势12、设备市场需求13、个人市场需求14、时间表1、简介惯性导航系统(ins)始于第二次世界大战。
它最初就是由dr.robertgoddard为icbm 设计而变成。
ins主要用作测量边线、速度和姿态,测量车辆的加速度和角速度。
如果晓得了边线、速度和姿态参数,车辆就能够被鼓励。
在过去的60年里,ins技术发展非常快速。
在系统方面:为了最小化运动机械部件,它由万向架系统发展至捷联系统。
在仪器方面:由机械陀螺发展至激光陀螺,再发展为光纤陀螺。
系统和仪器发展的目的可以归咎于下面几个方面:价格、体积、重量、精度和可靠性。
为了最优化应用,系统需要特殊设计为了将资源减至至最轻,须要创建设计程序和数据库2、目标完备的ins/gps系统光纤陀螺加速计gps(c/a码)高度计雷达为航空测量和sar应用进行特殊的用户化结构设计系统设计和结构密切有关,比如:常规的飞机导航系统结构无法用作陆地测量;因此,理解和用户化系统设计和结构将使应用性能最优化,而且实现最理想的目标。
创建标准的设计程序系统的设计程序可以最优化资源并使工程师和学生的培训和自学资源最佳化并使指导者须要花费的精力减至至最轻?创建设计数据库积累设计经验文件标准化设计共同组成数据库模块化避免重复工作缩短系统执行时间和能量需求为以后的项目精简系统共同组成/挑选过程3、系统描述4、全面的系统综合程序任务定义惯性测量装置(imu)定义/挑选外部探测器定义/挑选导航系统方程机械化增量系统设计电子硬件/软件设计系统综合工厂/静态测试公路测试飞行测试修正优化、精细化设计任务定义任务目的和目标系统特点任务环节系统定义硬件定义/选择imu定义/选择imu挑选imu差错分析及细分imu差错建模外部传感器外传感器挑选外传感器差错分析外传感器系统及差错建模增量系统设计卡尔曼滤波器设计?状态选择?动态方程?测量方程系统及外传感器噪声原产?滤波调整?微调外传感器综合导航机械化综合电子硬件/软件设计及同时实现功率、cpu等接口实时软件工作循环导航方程机械化捷联机械化方向和北向机械化wgs84数据选择其他参数选择地球参数、地球引力模型、海拔模型导航系统方程同时实现仿真及脱机系统实现、实时实现系统综合综合imu,外传感器,机械化方程,卡尔曼滤波,电子硬件工厂/静态测试系统单元部件检查粗队列算法检查精细队列算法检查系统性能预测公路测试地面车辆测试系统单元部件检查高等级动态鞭策飞行测试最后检查检查环节实测飞行环节定义修正和精化系统设计如果需要,根据测试结果修改系统测试结果分析问题解答5、导航系统方程机理ins机理的目的是为了利用加速计和陀螺测量的加速度和角速率信息计算新的位置、速度、和姿态。
惯性导航技术在测绘中的应用指南随着科技的不断发展,惯性导航技术已经逐渐渗透到各个领域当中。
测绘行业作为其中之一,也开始广泛应用惯性导航技术来提高测绘精确度和效率。
本文将介绍惯性导航技术在测绘中的应用指南,并探讨其优势和挑战。
一、惯性导航技术简介惯性导航技术是一种基于惯性传感器的导航方法,通过测量物体的加速度和角速度来推算物体在空间中的位置和姿态。
它不依赖于外部参考物,因此具有独立性和实时性的优势。
目前主要采用的惯性传感器包括加速度计和陀螺仪。
二、惯性导航技术在测绘中的优势1. 精确度高: 惯性导航技术能够在测绘过程中提供高精度的位置和姿态信息,可以满足测绘行业对于精确度的需求。
传统的GPS测绘在信号受阻或遮挡时容易失去定位,而惯性导航技术可以弥补这一不足。
2. 实时性强: 惯性导航技术能够实时检测物体的运动状态,并根据检测结果进行即时调整,提高了测绘的效率和准确性。
在复杂地形环境下,实时性的重要性尤为突出。
3. 可靠性好: 惯性导航技术不依赖于外部参考物,因此不会受到信号干扰、天气条件等因素的影响。
这使得它在恶劣环境下的可靠性要远远高于传统的测绘方法。
三、惯性导航技术在测绘中的应用场景1. 动态测绘: 惯性导航技术可以用于测绘动态目标的运动轨迹,例如飞机、汽车和船舶等。
通过结合GPS或其他传感器,可以实现更加精确的位置信息。
2. 地下测绘: 惯性导航技术在地下隧道、地铁建设等地下工程中具有重要应用价值。
无需外部信号,能够精准测量和记录地下结构的位置和姿态。
3. 混合导航系统: 惯性导航技术可以和其他导航技术结合使用,例如GPS、激光测距仪等,形成混合导航系统,提高测绘的精确度和可靠性。
四、惯性导航技术在测绘中的挑战1. 高成本: 惯性导航技术的设备成本较高,对于个体测绘者或小型测绘机构来说可能难以承担。
因此,在推广应用过程中需要考虑成本效益的问题。
2. 累积误差: 惯性导航技术的一个挑战是存在累积误差,长期使用后会导致测绘结果的偏差。
惯性导航简介——《导航概论》课程论文专业:测绘工程A组姓名:师嘉奇学号:2015301610091一.摘要与关键字1.本文摘要:本文主要对导航工程的基本内涵,方法与原理进行简单介绍,主要介绍有关惯性导航的相关内容,并且根据在本学期《导航概论》这门课程上所学习的内容谈一谈自己对导航应用的设想以及对本课程教学的建议。
2.关键字:惯性导航,定位技术,应用与服务,发展与前景二.导航工程基本内涵导航定位的历史与人类自身发展的历史一样久远。
人类的导航定位活动源自于其生活和生产的需要。
陆地上的导航定位最早发生在人类祖先外出寻找食物或狩猎的过程中,那时,他们通常在沿途设置一些特殊的“标记”来解决回家迷路的问题。
随着探索遥远地域的愿望与行动的出现,他们则通过观察和利用自然地标(如山峰、河流、树木、岩石等)以及自然天体(恒星)来解决导航定位问题这也使得他们能够翻越高山、跨越河流。
谈到导航,很多人会认为这是一个在近现代才提出的词汇,但是,导航的历史已经非常久远了。
从古代黄帝作战使用的指南车,到战国时期的司南,从近代航海使用的指南针,再到当今社会人手一部的智能手机,导航已经有了很悠久的历史。
那么,导航工程的基本内涵到底是什么呢?首先,我们可以通过两个英文的句子来大概了解一下到底什么是导航“when am I?”和“How and when to get there?”,这两个问题问的是我现在在哪?我要怎么到那里去?它们也指出了导航的内涵,那就是在哪,怎样去,多久到达。
因此,通过科学的定义,将航行载体从起始点引导到目的地的过程称为导航,导航系统给出的基本参数是载体在空间的即时位置、速度和姿态、航向等,导航参数的确定由导航仪或导航系统完成。
通过这种技术引导载体方向的过程即为导航。
导航是解决人,事件,目标相互位置动态关系随时间变化的科学,技术,工程问题。
在室外或者自然环境中的导航,按照载体运动的范围,可分为海陆空天(海洋、陆地、空中、空间)导航四类;按照所采用的技术,常用的导航方法有,天文导航、惯性导航、陆基无线电导航、卫星导航、特征匹配辅助导航(如地形匹配、地磁匹配、重力匹配)等,以及上述导航方法之间的不同组合(组合导航)。
室内定位导航作为当今导航技术发展的个重要分支,它借鉴室外导航的相关技术,同时结合现代通信技术、网络技术传感器技术以及计算机技术的最新发展,已经成为一个重要的研究热点并在人们日常工作和生活中逐步得到应用。
室内导航与自然环境中的导航既有联系又有其自身的特点,其主要差异是来自于应用环境及所采用的技术方法不同。
导航系统有两种工作状态:指示状态和自动导航状态。
如导航设备提供的导航信息仅供驾驶员操纵和引导载体用,则导航系统工作为指示状态,在指示状态下,导航系统不直接对载体进行控制,如果导航系统直接提供信息给载体的自动驾驶控制系统,由自动驾驶系统操纵和引导载体,则导航系统工作于自动导航状态。
在这两种工作状态下,导航系统的作用都只是提供导航参数,“导航”的含义也侧重于测量和提供参数。
导航有很多种技术途径,如无线电导航,天文导航,惯性导航等可实现相应的导航任务,在这些导航技术中,惯性导航占有特殊的地位,惯性导航具有高度自主的突出优点,以牛顿力学为理论基础,只依靠安装在载体内的惯性测量传感器陀螺,加速度计和相应的配套装置建立基准坐标系,进而获得载体的加速度,推算速度位置等导航参数。
另外,现代运载体的高精度、长时间、远程导航等导航要求不断提高,单纯惯性导航不能完全满足,采用现代控制理论信息融合方法,以软硬件迅速发展的计算机为计算工具,将惯导系统和其他导航系统综合,构成以惯性导航为主,其他导航手段为辅的组合导航系统,应用日益广泛。
以制导技术为例,制导技术可以分为航路规划和目标跟随两部分,其中航路规划是根据地理参考系,物体所在的位置和目标方位计算物体到达目的地的合理路径,目标跟随是通过导引系统测量物体与目标相对位置,计算导航参数,最后到达目标的过程。
在当今社会,制导技术有着非常广泛的应用。
当然,谈到导航,也不完全都是高科技,在我们的身边,就有非常多的导航原理的应用,以动物界的导航现象为例,动物界存在着主动式和被动式两种导航的方式,具体来说,例如蝙蝠采用回波定位的方式进行导航,沙蚁通过偏振光导航,信鸽则采用的是地磁导航;当然,作为高等生物的人类,也具有很强的导航能力,人们通过太阳高度角认识季节,通过昼夜交替判断时间,通过日出日落判断东南西北,在人类的身体中,具有位置细胞,头部方向细胞和网格细胞,这些细胞都可以帮助人类进行导航。
因此,导航在我们生活的世界里无处不在,是一门非常重要的学科。
三.惯性导航简介通过上面的介绍,我们可以发现,在现代导航技术中,惯性导航具有非常重要的地位,这是因为惯性导航是一种完全自主式的先进的导航系统,它是根据牛顿力学定律,利用惯性器件来测量运载体本身的加速度,经过一次积分得到物体的速度,在经过一次积分得到物体的位移即地理位置。
他能提供运载体姿态,速度和位置的导航信息,并且和外界不发生任何光电关系,因此隐蔽性好,工作不受气象条件的限制。
这一独立的优点使其成为航空航天航海领域中的一中广泛应用的主要导航方法。
下面对惯性导航进行介绍。
1.导航系统的理论基础(1)1687年牛顿提出了力学和引力定律,是惯性技术的基础;(2)1765年俄国欧拉院士出版了“刚体绕定点转动的理论”的书,是陀螺仪理论的基础。
2.观星测量的基本原理(1)牛顿第一定律:物体在不受外力的情况下,始终保持静止后匀速直线运动状态;(2)牛顿第二定律:在宏观低速的情况下,物体的合外力等于物体的质量与加速度的乘积即F=m*a;(3)牛顿定律在惯性空间始终成立。
3.惯性导航主要内容惯性导航所要解决的基本问题是不断确定载体的姿态、速度和位置。
任何物质的运动和变化,都是在空间和时间中进行的。
物体的运动或静止及其在空间的位置。
是指它相对另一物体而言。
这就是说,在描述物体的运动时,必须选定一个或几个物体作为参考系。
当物体对于参考系的位置有了变化时,就说明该物体发生了运动;反之,如果物体对于参考系没有发生任何位置变化,就说明该物体是静止的。
惯性导航是通过采用惯性仪表或装置(陀螺和加速度计),实时测量载体运动相对某一空间基准的三维空间导航坐标系中的加速度,经计算得到载体的实时速度、位置以及姿态信息。
为了保证加速度计的输出是导航坐标系中的矢量,根据构建导航坐标系方法和途径的不同,可将惯性导航系统分为两种类型:一种是采用物理平台模拟导航坐标系的系统,称为平台式惯性导航系统;另一种是采用数学算法确定导航坐标系的系统,称为捷联式惯性导航系统。
平台式惯性导航系统采用陀螺稳定平台来始终跟踪所需要的导航坐标系,以解决安装在稳定平台上的加速度计输出信号的基准问题。
例如,当选择当地水平坐标系为导航坐标系时,通过陀螺的作用使平台始终跟踪当地水平面,三个直角坐标轴始终指向东、北、天方向,沿这三个坐标轴安装的加速度计分别测量出载体沿东西、南北和垂直方向的运动加速度。
将这三个方向上的加速度分量分别积分,便可以得到载体沿这三个方向的速度分量,即将这三个方向上的速度分量再分别积分,便得到载体沿这三个方向的位置分量。
载体在地球上的位置用经度L 、纬度B 和高程H 表示,它们的时间变化率可由载体沿东、北和垂直方向的运动速度计算得到:)()()()t (Φcos )()()(...t v t H h M t v B h N t v t L u ne =+=+= 其中,M,N 分别为地球参考椭球的子午圈曲率半径和卯酉圈曲率半径。
当将地球近似看成一个半径为R 的圆球时,则有M=N=R 。
在惯性导航系统中,陀螺提供载体的姿态改变量或它相对惯性空间的转动速率。
但是,加速度计却不能够将载体的总加速度即相对惯性空间的加速度与地球引力场引起的加速度分离。
这些传感器实际上提供的测量值是相对惯性空间的加速度与引力场吸引产生的加速度的代数和,简称比力(Specific Force)。
不论是平台式惯导系统,还是捷联式惯导系统,都要用到比力方程。
所以,对于惯性导航系统而言,需要联合有关载体转动测量值、比力和引力场的知识来计算相对于事先定义的参考框架中姿态、速度和位置的估计值,以实现其导航功能。
dt t a t v t v k t t e e k e )()()(00⎰+=dt t a t v t v dt t a t v t v k kt t u u k u t t n n k n )()()()()()(0000⎰⎰+=+=作为一种导航系统,惯性导航也有自己的不足之处,它也存在误差在分析惯导系统的工作原理时,是将惯导系统看成为一个理想的系统。
比如,认为指北方位系统的平台系真实地模拟了地理系。
但在实际惯导系统中,惯性元件、元件安装以及系统的工程实现中各个环节都不可避免地存在误差。
在这些误差因素影响下,惯导系统输出的导航参数不可避免地会有或大或小的误差,没有误差的导航系统是不存在的。
研究惯导系统误差的目的在于: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;另一方面,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;误差分析的结论是建立初始对准的理论基础,使惯导系统开始工作时有一个精确的初始条件;通过分析误差源对系统的影响,采取有效措施进行补偿,达到提高惯导输出参数精度的目的。
惯性导航系统性能的误差因素称为误差源,根据误差产生的原因和性质,惯性导航的误差源可以分为下面几种:(1)元件误差:它包括加速度计和陀螺仪的不完善所引起的误差,主要指陀螺的漂移和加速度计的零位偏差,以及两个元件的刻度因数误差。
(2)安装误差:指加速度计和陀螺安装到平台台体上的不准确性造成的误差。
(3)初始条件误差:指初始对准及输入计算机的初始位置、初始速度不准所形成的误差。
(4)计算误差:测由于导航计算机的字长限制和量化器的位数限制等所造成的计算误差。
(5) 原理误差:也叫编排误差。
是由于力学编排中数学模型的近似,地球形状的差别和重力异常等引起的误差。
例如、用旋转椭球体近似作为地球的模型,在导航参数的计算中就会造成误差;力学编排时忽略高度通道造成误差等。
(6)外干扰误差:包括两个方面:一是由于飞机机动飞行时的冲击及振动引起的加速度干扰;二是与惯导系统交联的其他导航设备带来的方位误差和位置及速度误差。
惯性导航的误差源不是彼此孤立的。
根据他们的来源、性质和对系统的影响,可以将其中的某几类归划到另几类中去,也可舍去一些次要因素,从而使问题的分析简单明了。
理论和实践证明,对惯性系统的工作性能影响较大的还是元件误差、安装误差和初始条件误差。
因此,为了减弱这些误差对惯性导航系统的影响,我们需要通过误差改正方程去提高导航的精度。