400-661-5248

Инерциальная навигационная система

Инерциальная навигационная система (INS) - это система, которая выполняет навигационные задачи путем измерения ускорения самого носителя. Он должен состоять, по крайней мере, из инерциального измерительного устройства, цифрового компьютера, контрольного дисплея и специального источника точного питания. Согласно принципу инерции Ньютона, ускорение носителя в инерциальной системе отсчета измеряется с помощью инерционных элементов, таких как гироскопы и акселерометры. После интегрирования и вычисления информация о скорости, углу положения и местоположении в навигационной системе координат может быть получена для навигации. Таким образом, инерциальная навигационная система является автономной навигационной системой, которая не зависит от какой - либо внешней информации и не излучает энергию внешнему миру. Он имеет преимущества высокой скорости обновления данных, высокой краткосрочной точности и хорошей стабильности и широко используется во многих гражданских областях, таких как аэрокосмическая промышленность, авиация и судоходство. Он стал основным навигационным оборудованием для различных типов транспортных средств.

В соответствии с методом установки инерциального измерительного устройства на носителе инерциальную навигационную систему можно разделить на:

(1) Инерциальная навигационная система на базе платформы

(2) Инерциальная навигационная система Jet

Поскольку движение носителя происходит в трехмерном пространстве, движение имеет две формы: линейное и угловое. Прямое и угловое движение находятся в трехмерном пространстве, для создания трехмерной системы координат требуется трехосная инерциальная платформа. С помощью трехосной инерциальной платформы можно обеспечить эталон для измерения линейного ускорения с тремя степенями свободы. Можно измерить три линейных компонента ускорения с известным направлением и вычислить скорость движения и положение носителя с помощью компьютера. Таким образом, первым основным решением для инерциальной навигационной системы является платформенная инерциальная навигационная система. Из - за использования сложных "механических платформ", их производство и обслуживание стоят дорого, большой объем и качество, а надежность не высока. Если « механическая платформа» не используется, то гироскоп с инерционными элементами и акселерометр устанавливаются непосредственно на носителе, а в компьютере создается « математическая платформа», которая получает скорость и положение носителя с помощью сложных вычислений и преобразований. Эта инерциальная навигационная система без механической платформы является вторым по величине решением для инерциальной навигационной системы, известным как инерциальная навигационная система Jet (SINS). Основное их отличие заключается в том, что инерциальная навигационная система платформы имеет физическую платформу, где гироскопы и акселерометры размещены на стабильной платформе, которая отслеживает навигационную систему координат для расчета скорости и положения, а данные о положении получают непосредственно из рамы платформы; В инерциальной навигации Jet гироскоп и акселерометр подключаются непосредственно к носителю, а функции инерциальной платформы выполняются компьютером, так называемой « математической платформой». Из - за отсутствия сложных платформенных системных рамок и сервоприводов для отслеживания гироскопов система Jet значительно упрощает структуру системы и дает ей множество преимуществ: объем и стоимость системы значительно снижаются; Инерциальные приборы легко устанавливать, обслуживать и заменять; Дополнительная навигационная информация; Инерционные приборы облегчают использование избыточной конфигурации, что повышает производительность и надежность системы.

С учетом этих преимуществ система Jet стала основным направлением развития инерциальных технологий. Сообщается, что в 1984 году инерциальные навигационные системы американских военных были основаны на платформах, а к 1989 году половина из них была преобразована в системы Jet. К 1994 году на долю системы & quot; Джет & quot; приходилось 90 процентов.

В 1980 - х и 1990 - х годах гироскопы с настройкой мощности, лазерные гироскопы и волоконно - оптические гироскопы широко использовались в гражданских областях, таких как космические челноки, космические аппараты, спутники, а также в военных областях, таких как стратегические и тактические ракеты, военные самолеты, противолодочное оружие и военные корабли. Лазерные гироскопы и волоконно - оптические гироскопы являются идеальными компонентами инерциальной навигационной системы. Системы позиционирования с использованием волоконно - оптических гироскопов были использованы в бортовых системах вооружения истребителей и самолетов Boeing 777. Благодаря использованию инерциальной навигационной системы на основе волоконно - оптических гироскопов среднее время отказа Boeing 777 может достигать 20 000 часов. Инерциальная навигационная система с использованием волоконно - оптических гироскопов считается весьма перспективной навигационной системой. С развитием космической техники и прорывом в ключевых технологиях новых инерциальных устройств надежность и точность инерциальной навигационной системы Jet будут выше.

На основе инерциальной навигационной системы Jet ошибки дрейфа гироскопа и акселерометра накапливаются со временем, независимо от точности инерционных элементов. Долгосрочная эксплуатация инерциальной навигационной системы неизбежно приведет к объективному накоплению ошибок. Поэтому, помимо постоянного изучения способов повышения точности автономной инерциальной навигационной системы, люди также стремятся внедрить внешнюю информацию для формирования комбинированной навигационной системы, что является важной мерой для устранения недостатков инерциальной навигационной системы. В этой статье не будет обсуждаться комбинированная навигационная система.

Кроме того, инерциальная навигационная система является навигационной системой для расчета курса, поэтому перед навигацией должен быть процесс инициализации. Для инерциальной навигационной системы Jet начальным выравниванием является определение матрицы Jet в начальное время. Первоначальное выравнивание должно проводиться до начала каждой официальной работы, что требует высокой точности и короткого времени выравнивания. Первоначальное выравнивание является одной из ключевых технологий инерциальной навигационной системы Jet, которая не обсуждается в настоящем документе.

принцип инерциальной навигационной системы

Английский термин « Strapdown» изначально имел в виду « связать». Так называемая инерциальная навигационная система Jet - это система, которая напрямую « привязывает» инерционные чувствительные элементы (гироскопы и акселерометры) к основной части носителя для выполнения навигационных задач.

Универсальная система координат

Системы координат, используемые в инерциальной навигации, можно разделить на две категории: инерциальную и неинтегрированную. Основное отличие инерциальной навигации от других типов навигационных схем (например, радионавигации, астронавигации и т. Д.) заключается в том, что принцип навигации основан на законах механики Ньютона (также известных как законы инерции). Однако законы механики Ньютона применимы к инерционному пространству, поэтому сначала необходимо ввести инерциальную систему координат в качестве координатной ссылки для обсуждения основных принципов инерциальной навигации. Основная цель навигации - определить навигационные параметры носителя в реальном времени, такие как положение, положение, скорость и т. Д. Навигационные параметры носителя определяются отношениями между различными системами координат, отличными от инерциальной системы координат, и выбираются в соответствии с навигационными потребностями. Эти системы координат называются неинерциальными системами координат, такими как земные системы координат, географические системы координат, навигационные системы координат, системы координат платформы и системы координат носителя.

В инерциальной навигации обычно используются следующие системы координат:

Геоцентрическая инерциальная система координат (i - System) - сын Окси

Геоцентрическая система координат представляет собой инерциальную систему координат (рис. Исходная точка геоцентрической системы координат Oe выбрана в центре Земли; Ось Zi выбрана в направлении, направленном вдоль оси Земли на Северный полюс, в то время как оси Xi и Yi находятся на экваториальной плоскости Земли, указывая на две звезды в космосе. В результате образовалась система координат правой руки. Три оси координат указывают на инерционное пространство и остаются фиксированными в качестве системы отсчета для измерения с помощью инерционных приборов.

Рисунок 1 Геоцентрическая инерциальная система координат

4. Система координат носителя (система b) - OXbYbZb

Система координат носителя - это система координат, закрепленная на носителе (как показано на рисунке 3). Начальная точка координат системы координат носителя O находится в центре тяжести носителя, Xb указывает на правую сторону носителя, Yb указывает на продольную ось носителя, Zb указывает на продольную ось носителя. Направление системы координат носителя относительно системы географических координат - это угол положения носителя.

Рисунок 3 Система координат носителя

Навигационная система координат (n - система) - OXnYnZn

Навигационная система координат - это система координат, выбранная в качестве навигационной ссылки в соответствии с потребностями навигационной системы во время навигации. При выборе навигационной системы координат, которая совпадает с географической системой координат, она может называться северной системой координат; Для удовлетворения потребностей навигации вблизи полюсов ось Zn навигационной системы координат обычно совпадает с осью Zt, что приводит к различиям в свободном или плавающем азимуте между Xn и Xt и Yn и Yt. В этой статье используется система географических координат в качестве навигационной системы координат.

Система координат платформы (p - система) - OXpYpZp

Система координат платформы - это система координат, полученная при воспроизведении навигационной системы координат с помощью инерциальной навигационной системы. Начальная точка координат системы координат платформы O находится в центре тяжести носителя. Когда инерциальная навигационная система не ошибается, система координат платформы совпадает с навигационной системой координат; В случае ошибки в инерциальной навигационной системе система координат платформы будет иметь угол ошибки относительно навигационной системы координат. Для инерциальной навигационной системы на основе платформы система координат платформы реализуется через корпус платформы; Для инерциальной навигационной системы Jet система координат платформы реализуется с помощью матрицы положения, хранящейся в компьютере, поэтому ее также называют « математической платформой».

Принцип работы инерциальной навигационной системы

Рисунок 4 Блок - схема инерциальной навигационной системы

Чтобы свергнуть математическую модель системы Jet, мы определили следующие параметры:

1. Местоположение

L: Местная широта, Лямбда: Местная широта, h: Местная высота над уровнем моря

2. Угол положения

Сай: курсовой угол авианосца. Угол между проекцией продольной оси носителя на горизонте и географическим меридианом называется курсовым углом. Значение курсового угла рассчитывается с географического севера против часовой стрелки.

Гамма: угол бокового наклона носителя (также известный как угол наклона). Угол между плоскостью продольной симметрии носителя и вертикальной плоскостью

Это угол прокрутки. Наклонение по бокам рассчитывается с вертикальной стороны, правый - положительный, левый - отрицательный.

Тета: угол тангажа носителя. Угол между продольной осью носителя и вертикальной горизонтальной осью - это угол тангажа, положительный вверх и отрицательный вниз.

3. Билли

удельная сила - алгебраическая сумма ускорения смещения и ускорения силы тяжести на единицу массы, то есть алгебраическая сумма внешних сил, действующих на единицу массы. Fn: удельная сила в навигационной системе координат, fb: удельная сила в системе координат носителя.

4. Угольная скорость

Угольная скорость выражается символами с нижней шкалой, такими как омега bibx, в которой нижняя шкала указывает угловую скорость вращения системы b (система координат носителя) относительно системы i (инерциальная система координат), верхняя шкала указывает проекцию этой угловой скорости в системе b (несущая система координат), а x - компонент проекции на ось x. Другие знаки угловой скорости имеют аналогичное значение.

5. Скорость

Скорость также выражается символами с нижней шкалой, такими как Vtetx, где нижняя шкала указывает скорость системы t (системы географических координат) по отношению к системе e (системы земных координат), а верхняя шкала указывает проекцию этой скорости в системе t (системы геологических координат), а x - компонент, проецируемый на ось x.

6. Матрица преобразования системы координат

Матрица преобразования системы координат также представлена символами с нижней меткой, такими как Cnb, что означает матрицу преобразования от системы b (система координат носителя) до системы n (навигационная система координат). Символические значения матриц преобразования других систем координат схожи.

7. Радиус Земли

Если мы рассматриваем Землю как эллипсоид, экваториальный радиус Земли составляет 6 378 393 м, а эллиптическая скорость e 1 / 298.257.

8. Угольная скорость вращения Земли

Омегай = 15.0411° / hr = 7.29212 * 105 rad / s.

9. Ускорение силы тяжести

Формула гравитационного ускорения может быть приближена к следующему уравнению: g = g0 * (1 + 0005271 * sin2L) - 3.086 * 10 - 6h, где g0 представляет собой ускорение гравитации на экваториальной поверхности, g0 = 9.7803267714 м / с2

Математическая модель инерциальной навигационной системы включает в себя в основном уравнения навигационного положения, Уравнения скорости и положения.

Диаграмма 5

Формула расчета каждого модуля выглядит следующим образом:

Мгновенная коррекция кватерниона Q

Существует три широко используемых алгоритма коррекции матрицы в реальном времени: метод угла Эйлера, метод косинуса направления и метод кватернионов. Поскольку матрица Jet получена с помощью компьютерных вычислений, существует проблема ортогонализации в вычислениях Jet Matrix. Критерии оценки преимуществ и недостатков алгоритма должны быть обобщены следующим образом: при одинаковой общей вычислительной нагрузке после ортогонализации алгоритмические исследования и моделирование инерциальной навигационной системы Jet имеют наименьшую арифметическую ошибку. Лучшим методом является четырехзначный алгоритм, который в настоящее время широко используется для коррекции инерциальной навигационной системы Jet в реальном времени.

Выберите метод кватернионов в качестве алгоритма коррекции в реальном времени для матрицы привязки. Четырехэлементное число - это число, состоящее из одного реального первого элемента и трех виртуальных единиц со следующими реальными элементами:

Четырехэлементное число вращения системы координат носителя по отношению к системе координат платформы:

Мгновенная коррекция Q может быть достигнута путем решения следующих квантовых дифференциальных уравнений:

Для решения этой формулы требуется начальное значение кватерниона. Начальное значение кватерниона может быть определено на основе элемента в начальном значении матрицы положения, определенном в первоначальном выравнивании, и с использованием эквивалентных отношений между кватернионами и матрицей положения.

Вычисление матрицы T

После получения кватерниона из уравнения (1) матрица джетов может быть рассчитана на основе уравнения (4).

Оптимальная нормализация кватерниона Q

Из - за ошибки алгоритма в компьютере матрица jet может быть преобразована в неровную матрицу. ортогональная обработка матрицы jet устраняет влияние источника ошибки алгоритма. Нормализовать кватернион, что означает завершение ортогонализации матрицы Jet Ding. Оптимальная нормализация кватернионов на основе минимальной евклидовой нормы может быть получена с помощью следующих уравнений:

4. Преобразование координат конкретных сил

Конкретные силы, измеренные акселерометром, могут быть преобразованы в матрицу T, то есть:

5.Скорость мгновенной коррекции

Основные уравнения инерциальной навигации:

Написано в матричной форме:

6. Расчет скорости положения

В том числе:

Широта L в формуле получена путем коррекции широты в реальном времени, где Re - экваториальный радиус Земли, а e - эллиптическая скорость Земли.

7. Расчет скорости Земли

Выводы

Инерциальная навигация является основным направлением развития навигационных технологий в настоящее время. Использование современных методов моделирования для разработки систем моделирования SINS, которые очень похожи на реальные системы во времени и пространстве, значительно упрощает анализ и исследования различных алгоритмов ориентации и схем выравнивания. Он играет важную роль в оптимизации проектирования инерциальной навигационной системы Jet, экономии затрат на разработку и ускорении разработки.

Благодаря зрелости акселерометрической технологии волоконно - оптический гироскоп является наиболее важным сенсорным элементом инерциальной навигационной системы Jet, и его производительность напрямую влияет на общую производительность системы Jet. Волоконно - оптические гироскопы серии AgileLight Hyundai с технологией IntelliProcess с низким нулевым отклонением и случайным блужданием являются лучшим выбором для инерциальной навигационной системы Jet.