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1、第三十七讲 初始对准 概述,惯性导航系统,一、对准的基本概念二、平台锁定三、模拟调平,教学内容,1、定义：系统在尚未进入导航工作状态之前，使惯导平台与理想平台坐标系相重合，建立初始基准的过程。,对准的基本概念,2.任务 输入初始条件 调整平台到预定的坐标系 陀螺的测漂,对准的基本概念,3.对准的指标要求 对准精度：水平精度达10角秒左右 方位精度25角分 对准时间：几至十几分钟以内,对准的基本概念,4、方法及分类：,（1）自主式对准：静基座,对准的基本概念,（3）空中对准：组合导航,（2）传递对准：动基座,对准的基本概念,5、对准过程：,粗对准：对准时间是主要指标,精对准：对准精度是主要指标,
2、平台锁定,一种快速拉平和定向过程。惯导系统利用自身设备，将平台用机械的方法，使平台近似趋于水平和定向，不致使平台环架偏离要求角度过大。,平台锁定,方位锁定,水平锁定,外横滚锁定系统,俯仰锁定系统,内横滚锁定系统,1、组成：,平台锁定,2、工作原理,平台锁定,2、工作原理,模拟调平,惯导系统利用平台上的两个水平加速度计感受平台的水平偏离，通过惯导系统稳定回路的作用，使平台接近水平面的过程。,模拟调平,1、组成：,俯仰环调平稳定回路,内横滚环调平稳定回路,东向加速计,北向陀螺,东向陀螺,北向加速度计,模拟调平,2、工作原理,ACR,1、初始对准的主要工作和任务目标各是什么？,思考作业题,2、简述平
3、台锁定和模拟调平的工作原理？,第三十八讲 指北方位惯导 的初始对准（一）,惯性导航系统,教学内容,一、对准的任务及过程二、误差方程及其简化三、水平对准原理四、方位对准原理五、对准回路的参数选择六、陀螺漂移的测定及方位计算法对准,1、任务：控制平台旋转，使平台轴与地理坐标系的东、北、天指向重合。,对准的任务及过程,对准的任务及过程,2、过 程：（1）水平对准（2）方位对准,3、前提条件：静基座,4、依 据：指北方位惯导系统的误差方程,误差方程及其简化,指北方位惯导的误差方程：,简化条件：,误差方程及其简化,忽略位置误差及其相关项,忽略有害加速度误差项,忽略交叉耦合项,通道,通道,误差方程及其简化
4、,简化的指北系统误差方程：,水平对准原理,1、水平对准基本原理,水平对准的实质是通过加速度计敏感重力加速度分量。即通过垂直找水平。,水平对准原理,水平对准原理,水平对准原理,2、水平对准回路分析,闭环传递函数,水平对准原理,2、水平对准回路分析,特征式和特征根,将、考虑为常值，的时域表达式,水平对准原理,水平对准原理,（1）稳定性,闭环传递函数,水平对准原理,阻 尼 比：,特征多项式：,自 振 频 率：,水平对准原理,水平对准原理,（2）快速性,闭环传递函数,水平对准原理,阻 尼 比：,特征多项式：,自 振 频 率：,水平对准原理,设,和,均为常值，并且仅考虑稳态误差，则：,水平对准原理,（3
5、）精度,二阶水平对准回路误差：,精度：,水平对准原理,（3）精度,特征多项式：,水平对准原理,总结,基本原理：水平对准系统利用了参考量g 由系统自行完成。,任 务：使惯导平台与地理平台坐标系重合。,性 能：增加K1、K2、K3环节提高水平对 准的稳定性、快速性和精确性。,思考作业题,1、根据指北方位惯导误差方程，画出水平对准的原理图，并说明设计二阶，三阶水平对准回路所要解决的问题。,2、为满足对准过程的动态特性要求，三个参数K1、K2、K3如何选择？,第三十九讲 指北方位惯导 的初始对准（二）,惯性导航系统,一、对准的任务及过程二、误差方程及其简化三、水平对准原理四、方位对准原理五、对准回路的
6、参数选择（1）六、陀螺漂移的测定及方位计算法对准,教学内容,1、任务：通过方位对准回路，使平台方位轴自动调整到真北方向。,方位对准原理,方位对准原理,2、罗经效应,（1）产生原因,方位对准原理,（1）产生原因,方位对准原理,（2）的作用,方位对准原理,（2）的作用,方位对准原理,（3）罗经效应,交叉耦合项 对惯导系统姿态的影响称为罗经效应。,方位对准原理,2、罗经对准原理,在方位罗经对准方案中，把从 角开始，经过罗经效应 影响的各个环节到 输出，然后再经过方位控制环节K(s)到方位陀螺，直到平台绕 轴反向转动 角为止的这段回路，称为罗经回路。,3、方位对准精度,方位对准原理,方位对准方程,3、
7、方位对准精度,方位对准原理,经拉氏变换，并写出矩阵形式：,其中：,3、方位对准精度,方位对准原理,设：,方位稳态误差角：,设,、,、,设、均为常值误差源,对准回路的参数选择,1、水平对准回路的参数选择,三阶水平对准回路,令三个根分别为：,特征方程式：,对准回路的参数选择,对应特征方程式为：,：阻尼振荡频率,比较可得：,对准回路的参数选择,存在问题：阻尼振荡频率 很难和对准回路的动态特性直接联系起来。,分析三阶系统中的二阶系统，因要求三阶系统特征式中有一对复根，即相当如下二阶系统,对准回路的参数选择,：衰减系数,若看成标准二阶系统，则,：阻尼比,：无阻尼自然频率,比较可得：,对准回路的参数选择,
8、得：,用阻尼比 及衰减系数 表示的参数选择公式,与 之间的函数关系,总结,基本原理：利用罗经效应，由系统自行完成。,任 务：在水平对准的基础上，使方位轴指北。,方位对准,性 能：与东向陀螺漂移 相关。,总结,水平对准,方位对准,思考作业题,2、为满足水平对准过程的动态特性要求，说明三个参数K1、K2、K3如何选择？,3、游移方位惯导系统初始对准时，是否能借鉴指北方位惯导的初始对准方法？,1、简要说明-zcos 的来源，试说明方位对准的方法。,第四十讲 指北方位惯导 的初始对准（二）,惯性导航系统,教学内容,一、对准的任务及过程二、误差方程及其简化三、水平对准原理四、方位对准原理五、对准回路的参
9、数选择（2）六、陀螺漂移的测定及方位计算法对准,对准回路的参数选择,2、方位对准回路参数选择,系统的特征方程,为使系统特征式不受的影响而成为常系数方程,对准回路的参数选择,对应的特征方程,令特征方程的根,即,当系统阻尼比 时，系统的动态特性最优,，,：衰减系数,：阻尼振荡频率,对准回路的参数选择,令：,得：,在根据方位对准的指标要求确定了衰减系数值之后，回路的参数k1、k2、k3、k4 也就随之确定。,1、问题的提出,陀螺漂移的测定及方位计算法对准,必要性：陀螺漂移影响惯导系统初始对准精度 和导航精度。,方 案：惯性平台 初始对准之后 先水平陀螺，后方位陀螺,陀螺漂移的测定及方位计算法对准,2
10、、水平陀螺漂移的测定及方位计算法对准,方案一：,（1）水平陀螺漂移的测定,陀螺漂移的测定及方位计算法对准,姿态误差方程：,平台完成对准时,陀螺漂移的测定及方位计算法对准,令：,但东向陀螺漂移 无法测出,陀螺漂移的测定及方位计算法对准,加一个信号给方位陀螺，使平台逆时针旋转90,水平陀螺漂移的测定公式：,陀螺漂移的测定及方位计算法对准,（2）方位计算法对准,（实现方位对准）,缺点：为了测定两个水平陀螺的漂移，必须让平台旋转90，费时间。,优点：物理过程、原理清晰。,方案一特点：,方位误差角,方案二：,陀螺漂移的测定及方位计算法对准,：地理系,：平台系,：希望系,希望系 在水平面,与 差方位角,与
11、 差方位角,（1）水平陀螺漂移的测定,陀螺漂移的测定及方位计算法对准,希望系相对惯性空间的角速率为：,陀螺的控制指令为：,陀螺漂移的测定及方位计算法对准,平台系相对惯性空间的角速率为：,设 为平台系相对希望系的偏差角，平台系相对希望系的角速率为,陀螺漂移的测定及方位计算法对准,展开,陀螺漂移的测定及方位计算法对准,忽略交叉耦合项,陀螺漂移的测定及方位计算法对准,代入具体角速率分量,陀螺漂移的测定及方位计算法对准,水平陀螺测漂方块图,陀螺漂移的测定及方位计算法对准,式中,陀螺漂移的测定及方位计算法对准,当平台只有一次定向，即只有一个，两个方程有三个未知数，如果使平台两次定向，则可得四个方程，便可
12、求出。,方案二：,（2）方位计算法精对准对准,陀螺漂移的测定及方位计算法对准,方案二：,（2）方位计算法精对准对准,陀螺漂移的测定及方位计算法对准,取平均值,方位误差角，精确控制施矩施矩可将方位轴指北。,陀螺漂移的测定及方位计算法对准,3、方位陀螺漂移测定,测漂时机：方位轴处于平衡状态。,多次测量,优点：（1）缩短测漂时间（2）可在不同位置多次测漂，提高测漂精度。,方案二特点：,思考作业题,比较两者方案，简述不同方案指北方位惯导系统陀螺漂移的测定及方位计算法对准原理。,第四十一讲 游移方位惯导 的初始对准（一）,惯性导航系统,教学内容,一、对准的定义与任务二、初始对准时的误差方程三、粗对准原理
13、四、精对准原理五、陀螺漂移的测定与补偿六、对准结束标志七、卡尔曼滤波在初始对准中的应用,对准的定义与任务,1、定义：,将平台调整到水平面内精确确定初始游移方位角,对准的定义与任务,2、过 程：（1）粗对准：水平粗对准 方位粗对准（2）精对准：水平精对准 方位精对准,3、前提条件：静基座,4、依 据：游移方位惯导系统的误差方程,1、误差方程：,初始对准时的误差方程,式中：,误差方块图,初始对准时的误差方程,需简化,简化：,忽略交叉耦合项,用已知的当地纬度取代，即,假设,粗对准原理,粗对准原理,水平粗对准方程,式中,1、水平粗对准原理,水平粗对准原理,水平粗对准回路（1）,水平粗对准原理,水平粗对
14、准回路（2）,方位粗对准原理,主要任务是粗略估算游移方位角,2、方位粗对准原理,方位粗对准原理,说明：为了减小外界干扰，可进行平滑处理。,3、粗对准判据推导：,方位粗对准原理,方位粗对准原理,作用：判断陀螺故障和输入纬度的正确性。,总结,粗对准完成的任务：平台粗对准 方位角粗确定,对准的对准依据：简化的误差方程,思考作业题,1、简述游移方位惯导粗对准的原理。,2、粗对准结束标志是什么？,第四十二讲 游移方位惯导 的初始对准（二）,国家精品课程,惯性导航系统,教学内容,一、对准的定义与任务二、初始对准时的误差方程三、粗对准原理四、精对准原理五、陀螺漂移的测定与补偿六、对准结束标志七、卡尔曼滤波在
15、初始对准中的应用,精对准原理,1、精对准任务,进一步减小、，使平台趋于水平,自动检测陀螺漂移并进行补偿,精确估算游移方位角,2、水平精对准,系统施加的控制指令角速度,精对准原理,平台两个水平回路的姿态误差方程：,其中：,精对准原理,水平精对准回路的姿态误差方程：,精对准原理,水平精对准回路方程,精对准原理,水平精对准回路（1）,精对准原理,水平精对准回路（2）,精对准原理,水平精对准精度取决于陀螺漂移和加速度计零偏。,提高对准精度手段：三阶对准回路。,精对准原理,三阶对准回路（1）,精对准原理,三阶对准回路（2）,精对准原理,3、方位精对准方法,精对准原理,为提高精确性,游移方位角,精对准原理
16、,方位精对准误差,忽略了陀螺漂移，所以 有误差,定义计算误差为：,方位误差推导：,相减,精对准原理,：等效东向陀螺漂移,其中,精对准原理,精对准原理,等效东向陀螺漂移,精对准原理,游移方位惯导系统方位误差是由等效东向陀螺漂移引起的。要提高方位对准精度，必须将陀螺漂移、测量出来并加以补偿。,陀螺漂移的测定和补偿,前提条件：水平精对准结束,两者相减,陀螺漂移的测定和补偿,经整理,等效北向陀螺漂移,等效北向陀螺漂移,陀螺漂移的测定和补偿,说明：要准确测定水平陀螺漂移 和，只有在等效北向陀螺漂移 和游移方位角 计算值准确的前提条件才能得到。,因：水平陀螺漂移的测定是在方位精对准之后,陀螺漂移的测定和补
17、偿,游移方位惯导对准方程,速度误差方程,姿态误差方程,游移方位惯导对准方程,陀螺漂移测定方程,游移方位角确定方程,对准结束标志,条件（1）,条件（2）,对准时间：平台锁定和模拟调平 约1min 粗对准 约4min 精对准 约810min,卡尔曼滤波在初始对准中的应用,1、初始对准中的状态方程,指北方位惯导方位误差方程,其中：,卡尔曼滤波在初始对准中的应用,均值：,陀螺漂移的数学模型,方差：,系统的状态向量,控制指令状态向量u,卡尔曼滤波在初始对准中的应用,系统状态方程,状态方程一般形式：,卡尔曼滤波在初始对准中的应用,2、初始对准中的量测方程,指北方位惯导速度误差方程,卡尔曼滤波在初始对准中的应用,一阶马尔科夫过程，用自回归AR(1)数学模型表示：,零位偏差一般形式：,卡尔曼滤波在初始对准中的应用,令观测状态向量为：,量测方程：,量测方程一般形式：,卡尔曼滤波在初始对准中的应用,数学模型：,最优估计准则：,3、初始对准中的数学模型与估计准则,卡尔曼滤波在初始对准中的应用,4、原理与方案,方案：开环对准方案、闭环对准方案,卡尔曼滤波在初始对准中的应用,5、比较,（1）经典罗经对准,（3）次优方位对准,（4）最优对准方案,（2）次优对准,思考作业题,2、简述游移方位惯导陀螺漂移的测定方法。,1、简述游移方位惯导初始精对准的原理。,
