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惯性导航原理的系统解析 发布时间:2020-06-15   浏览量:77次

惯性导航原理基于牛顿的惯性定律,所以惯性导航可以理解是利用加速度计测量出物体的加速度,然后乘以时间得到速度,然后再乘以时间就得到位移,从而确定物体的位置。另一方面,用陀螺仪测量物体的角速度,然后乘以时间得到角度,从而确定物体的朝向。

惯性导航系统有着以下优点:

隐蔽性好,因为它不向外发射信号,也不接收外部信号,所以不容易被发现;

全天候,惯导系统不需要特定的时间或者地理因素,随时随地都可以运行;

提供的参数多,比如GPS卫星导航,只能给出位置,方向,速度信息,但是惯导同时还能提供姿态和航向信息;

导航信息更新速率高,目前常见的GPS更新速率为每秒1次,但是惯导可以达到每秒几百次更新甚至更高。

但是惯性导航由于其积分式的运算方式,存在以下缺点:

需要初始对准,且对准复杂,对准时间较长,如果没有给定准确地初始位置等信息,计算误差只会越来越大;

导航误差随时间发散,因为是积分式(累加)运算,所以再小的误差,随着时间的累计,误差也会越来越大;

价格昂贵,当然这个说的是很精准的惯导系统,通常造价在几十到几百万之间。

那么,惯性导航原理是怎么工作的呢?

假设三轴加速度计,x轴一直指向东方,y轴一直指向北方,z轴一直指向天上,那么惯性导航的任务就变得特别简单,x轴方向上加速度的积分,就是经度的变化率,y轴方向上加速度的积分,就是纬度的变化率,z轴方向上加速度的积分,就是高度的变化率。有了经纬度的变化率以及经纬度的初始值,我们就很容易能够求得物理当前所在的位置。

这样看来,如果不关注物体的朝向,只用加速度计就能实现惯性导航。然而实际上,我们还必须借助陀螺仪,最简单的原因就是,你如何不借助陀螺仪就能让三轴加速度计x,y,z三个轴的指向一直保持东,北和天呢?

根据上面的原理想法分析,人们就设计出了一款平台式惯性导航系统(GINS)。这个系统说简单点,就是设计了一个会自动调节的惯性平台,不管物体怎么转动,平台能始终保持姿态不变。

这个惯性平台需要借助陀螺仪来实现。平台式惯性导航原理图如下:

惯性导航原理

首先,加速度计测量加速度,传送到导航计算机中,导航计算机中解算分离出有害加速度,有害加速度包括运载体相对地球运动和地球旋转引起的加速度,运载体在地球表面圆周运动的向心加速度,以及重力加速度等。导航计算机根据加速度解算出指令角速度,反馈给陀螺仪,用来补偿地球转动引起的陀螺自转轴的表观运动。然后陀螺仪输出角速度,通过修正回路修正后,输出平台施矩给惯性平台,惯性平台以此调整自己的姿态,并将自己的姿态参数传送给导航计算机,然后导航计算机最终计算出运载体的速度和位置以及姿态和航向。

根据测量的数值(加速度计和陀螺仪)调节惯性平台,实现加速度计和角运动的隔离,再利用加速度积分求解速度甚至是位置。由于惯性平台的调节是靠硬件实现的,所以,整个系统相对于后面所说的捷联式惯导而言,计算量是非常小的。

在平台式惯导系统中,惯性平台是很关键的元件,它主要有以下作用:

为加速度计提供测量基准,不管怎样运动,加速度计的三个轴指向是不会变的;

隔离运载体角运动的干扰,由于平台是稳定的,运载体角运动不会影响到加速度的测量;

测量姿态航向,运载体相对于惯性平台的偏角,反映出了运载体的航向和姿态。

但是,由于惯性平台的引入,这就导致了平台式惯导系统的缺点:结构复杂,体积大,制作成本高,维护困难。实际上,平台式惯导系统是早期惯性导航的产物,当时,计算机计算速度远没有现在这么快,从而限制了惯导系统的实现方法,只能使用平台式惯导系统。但是到了20世纪90年代,美国军工方面已经90%以上都替换成了捷联式惯导系统了。

什么是捷联式惯性导航系统(SINS)呢?就是陀螺仪和加速度计都直接固定在运载体上,运载体怎么运动,陀螺仪和加速度计就怎么运动。这个系统结构上非常简单,但是会引入几个问题。

首先,如果在飞机上做惯性导航,由于飞机的角运动速度可以达到每秒400度以上,这就要求了陀螺仪的测量量程要非常大,这在早期的机械陀螺仪上是很难实现的,后来引入了激光陀螺仪之后,这个问题才得到解决。

此外,由于加速度计三轴的指向任意,需要将加速度值变换到之前说的东北天的坐标系中,才能准确地计算出物体的位置。这个过程,计算量是非常大的,早期的计算机很难承载这么大的计算量,从而导致早期的捷联式惯导实时性很难保证。


标签: 惯性导航原理

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