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一文帶你全面解讀慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與技術(shù)


  來源: 傳感器專家 時間:2019-12-16 編輯:儀商WXF
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但在實(shí)際應(yīng)用慣性導(dǎo)航中,慣性測量器件是直接安裝在運(yùn)動載體上的,因此慣性器件測得的角速度和加速度的數(shù)值都是在載體運(yùn)動坐標(biāo)系下的量,即傳感器得到的是以物體的固連坐標(biāo)系為參照的數(shù)據(jù)(也叫地理坐標(biāo)系),但我們?nèi)粘6ㄎ挥玫氖堑厍蜃鴺?biāo)系,因此如何把測得的固連坐標(biāo)系數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成地球坐標(biāo)系數(shù)據(jù),是慣性導(dǎo)航重要的第一步。


此時,需要引入一個第三者才能實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換,即相對靜止的慣性坐標(biāo)系——地心慣性系。


地心慣性系:以地球的地心為原點(diǎn),以地心指向春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)的連線為X軸、Y軸,以地球自轉(zhuǎn)軸指向北極為Z軸組成的右手坐標(biāo)系。因為春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)不是地球表面上和地球固定的兩個點(diǎn),而是地球所屬宇宙空間中兩個固定的點(diǎn)(因為赤道面和黃道面是固定的面)。所以,春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)不會因為地球的自轉(zhuǎn)而移動,故地心慣性系是相對靜止的,不會隨地球自轉(zhuǎn)而移動。



地球坐標(biāo)系:同樣以地球的地心為原點(diǎn),x 軸穿過本初子午線(0度經(jīng)線)和赤道的交點(diǎn),z 軸沿著自轉(zhuǎn)軸指向北極點(diǎn),xyz 軸成右手系。明顯,x 軸是隨地球自轉(zhuǎn)而移動,故地球坐標(biāo)系是相對運(yùn)動的,會隨地球自轉(zhuǎn)而移動。


 


地理坐標(biāo)系:以運(yùn)載體(如下圖的P)的中心為坐標(biāo)原點(diǎn),x 軸指向正東方向,y 軸指向正北方向,z 軸垂直指向天上。地理坐標(biāo)系會隨運(yùn)載體的移動而移動。


 


當(dāng)運(yùn)載體運(yùn)行到地球的 P 點(diǎn)位置時,對應(yīng)的地球坐標(biāo)是什么呢?地理坐標(biāo)系需要怎樣旋轉(zhuǎn)才能和地球坐標(biāo)系重合呢?即兩者如何實(shí)現(xiàn)變換?


其實(shí)就是地理坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系都以相對靜止的地心慣性系為參照物,進(jìn)行一系列復(fù)雜的數(shù)字運(yùn)算。簡單而言,便是通過對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣實(shí)現(xiàn)兩個坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)變換。


慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要的優(yōu)點(diǎn)


1、完全依靠運(yùn)動載體自主地完成導(dǎo)航任務(wù),不依賴于任何外部輸入信息,也不向外輸出信息的自主式系統(tǒng),所以具備極高的抗干擾性和隱蔽性;


2、不受氣象條件限制,可全天候、全天時、全地理的工作。慣導(dǎo)系統(tǒng)不需要特定的時間或者地理因素,隨時隨地都可以運(yùn)行;


3、提供的參數(shù)多,比如GPS衛(wèi)星導(dǎo)航,只能給出位置,方向,速度信息,但是慣導(dǎo)同時還能提供姿態(tài)和航向信息;


4、導(dǎo)航信息更新速率高,短期精度和穩(wěn)定性好。目前常見的GPS更新速率為每秒1次,但是慣導(dǎo)可以達(dá)到每秒幾百次更新甚至更高。


慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要的缺點(diǎn)


1、導(dǎo)航誤差隨時間發(fā)散,由于導(dǎo)航信息經(jīng)過積分運(yùn)算產(chǎn)生,定位誤差會隨時間推移而增大,長期積累會導(dǎo)致精度差;


2、每次使用之前需較長的初始對準(zhǔn)時間。慣性導(dǎo)航需要初始對準(zhǔn),且對準(zhǔn)復(fù)雜、對準(zhǔn)時間較長;


3、不能給出時間信息;


4、精準(zhǔn)的慣導(dǎo)系統(tǒng)價格昂貴,通常造價在幾十到幾百萬之間。


慣性導(dǎo)航的分類


從結(jié)構(gòu)上分,慣導(dǎo)可分兩大類:平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)。


平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有實(shí)體的物理平臺,陀螺和加速度計置于由陀螺定的平臺上,該平臺跟蹤導(dǎo)航坐標(biāo)系,以實(shí)現(xiàn)速度和位置解算,姿態(tài)數(shù)據(jù)直接取自于平臺的環(huán)架。


由于平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)框架能隔離運(yùn)動載體的角振動,儀表工作條件較好,原始測量值采集精確,并且平臺能直接建立導(dǎo)航坐標(biāo)系,計算量小,容易補(bǔ)償和修正儀表的輸出,但是其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,體積大,成本高且可靠性差。


捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)沒有實(shí)體的物理平臺,把陀螺和加速度計直接固定安裝在運(yùn)動載體上,實(shí)質(zhì)上是通過陀螺儀計算出一個虛擬的慣性平臺,然后把加速度計測量結(jié)果旋轉(zhuǎn)到這個虛擬平臺上,再解算導(dǎo)航參數(shù)。

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