光学惯性测量与导航系统第四章光学惯性导航系统

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1、光学惯性测量与导航系统杨功流教授主讲：OpticInertialMeasurement&NavigationSystem9664，6542-823电话：晁代宏讲师张小跃讲师第四章光学惯性导航系统4.1惯性导航系统常用坐标系4.2捷联惯导系统基本算法4.3光学惯导系统误差分析4.4光学惯导系统设计4.1惯性导航系统常用坐标系在惯性导航中采用各种坐标系的必要性惯性导航中所采用的坐标系可分为惯性坐标系与非惯性坐标系两类。惯性导航区别于其它类型的导航方案（如无线电导航、天文导航等）的根本不同之处就在于其导航原理是建立在牛顿力学定律—又可称为惯性定律—的基础之上的。“惯性导航

2、”也因此得名。然而牛顿力学定律是在惯性空间内成立的，这就是首先有必要引入惯性坐标系，作为讨论惯导基本原理的坐标基准。我们知道，对飞行器进行导航的主要目的是要实时地确定其导航参数，如飞行器的姿态、位置、速度等。飞行器的导航参数就是通过各个坐标系之间的关系来确定的。这些坐标系是区别于惯性坐标系，并根据导航的需要而选取的。我们将它们统称为非惯性坐标系，如地球坐标系、地理坐标系、导航坐标系、平台坐标系及载体坐标系等。4.1惯性导航系统常用坐标系常用坐标系1、地心惯性坐标系（i系）惯性坐标系是符合牛顿力学定律的坐标系，即是绝对静止或只做匀速直线运动的坐标系。由于宇宙空间中的万

3、物都处于运动之中，因此想寻找绝对的惯性坐标系是不可能的，我们只能根据导航的需要来选取惯性坐标系。对于在地球附近运动的飞行器选取地心惯性坐标系是适合的。由于在进行导航计算时无需在这个坐标系中分解任何向量，因此惯性坐标系的坐标轴定向本无关紧要，但习惯上我们可以将Z轴选在沿地轴指向北极的方向上，而X、Y轴则在地球的赤道平面内，并指向空间中的两颗恒星。4.1惯性导航系统常用坐标系常用坐标系2、地球坐标系（e系）地球坐标系是固连在地球上的坐标系，它相对惯性坐标系以地球自转角速率旋转，。地球坐标系的原点在地球的中心，Z轴与惯性坐标系的Z轴重合，X轴指向格林威治经线，Y轴指向东经

4、方向。4.1惯性导航系统常用坐标系常用坐标系地心惯性坐标系（i系）地球坐标系（e系）4.1惯性导航系统常用坐标系常用坐标系3、地理坐标系（g系或t系）地理坐标系是在飞行器上用来表示飞行器所在位置的东向、北向和垂线方向的坐标系。地理坐标系的原点选在飞行器的重心处，X轴沿当地纬线指向东，Y轴沿当地经线指向北，Z轴沿当地垂线指向天，此即常用的东-北-天地理坐标系。4.1惯性导航系统常用坐标系常用坐标系4、导航坐标系（n系）导航坐标系是在导航时根据系统工作的需要而选取的作为导航基准的坐标系。当把导航坐标系与地理坐标系相重合时，这种导航坐标系称为指北方位系统；为了适应在极区附

5、近导航的需要往往将导航坐标系的Z轴仍选的与地理坐标系的Z轴相重合，而使导航坐标系的X轴与地理坐标系的X轴及导航坐标系的Y轴与地理坐标系的Y轴之间相差一个自由方位角或游动方位角，这种导航坐标系可称为自由方位系统或者游动自由方位系统。4.1惯性导航系统常用坐标系常用坐标系5、平台坐标系（p系）平台坐标系是用惯导系统来复现导航坐标系时所获得的坐标系。平台坐标系的坐标原点位于飞行器的重心处。当惯导系统不存在误差时，平台坐标系与导航坐标系相重合；当惯导系统出现误差时，平台坐标系就要相对导航坐标系出现误差角。对于平台惯导系统，平台坐标系是通过平台台体来实现的。对于捷联惯导系统，

6、平台坐标系则是通过存储在计算机中的方向余弦矩阵来实现的，因此又叫做“数学平台”。4.1惯性导航系统常用坐标系常用坐标系6、载体坐标系（b系）载体坐标系是固连在机体上的坐标系，其通常的取法为：载体坐标系的原点位于飞行器的重心处，X轴沿载体横轴指向右，Y轴沿载体纵轴指向前，Z轴与X、Y轴成右手坐标系。也可以这样取：载体坐标系的原点位于飞行器的重心处，X轴沿载体纵轴指向前，Y轴沿载体横轴指向左，Z轴与X、Y轴成右手坐标系。4.1惯性导航系统常用坐标系常用坐标系当地地理坐标系（t系）载体坐标系（b系）12旋转矩阵沿x轴旋转13旋转矩阵沿y轴旋转14旋转矩阵沿z轴旋转15旋转

7、矩阵假设先绕轴转角，再绕轴转角，最后绕轴转角。转换矩阵可表示为16各坐标系之间的转换矩阵惯性系（系）绕轴转角到地球系（系）。17各坐标系之间的转换矩阵地球系先绕轴转角，再绕轴转角18各坐标系之间的转换矩阵地理系绕轴转角到导航系19各坐标系之间的转换矩阵导航系先绕轴转角，再绕轴转角，最后绕轴转角到载体系20各坐标系之间的转换矩阵其它坐标系之间的转换与上面类似4.2捷联惯导系统基本算法捷联系统基本构成与工作原理“捷联（Strapdown）”这一术语的英文原义就是“捆绑”的意思。因此，所谓捷联惯性系统也就是将惯性敏感元件（陀螺与加速度计）直接“捆绑”在飞行器的机体上，