[发明专利]一种框架式捷联惯性导航系统

说明书

技术领域

本发明属于导航、制导与控制技术领域，特别涉及高转速下惯性导航系统的应用技术，适用于各种低成本、低测量范围的惯性导航系统。

背景技术

惯性导航系统的核心设备是IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)，它由三只陀螺仪和三只加速度计组成，三只陀螺仪的敏感轴在空间两两互相垂直并且分别与对应的三个导航坐标轴平行，而三只加速度计则分别安装在三个导航坐标轴上。

惯性导航系统利用惯性敏感器(包括陀螺仪和加速度计)组成的IMU、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式航位推算导航系统。它工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，这一独特优点，使其成为运载体，尤其是航天、航空和航海领域中运载体的一种广泛使用的主要导航方法。

运载体的运动是在三维空间里进行的，它的运动形式，一是线运动，一是角运动。不论线运动还是角运动都是三维空间的，要建立一个三维空间坐标系，势必要建立一个三轴惯性平台。有了三轴惯性平台，才能提供测量三自由度线加速度的基准，利用IMU中的加速度计测得已知方位的三个线加速度分量，通过计算机计算出运载体的运动速度及位置。但是，三轴惯性平台的建立，在工程上是一个复杂的问题，由惯性平台的建立方式将惯性导航系统分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统两大类。

平台式惯性导航中的IMU安装在真实物理平台上，平台通过内外框架与舰船、飞机等运载器相连，利用三环或四环式的机械框架系统，可以从外到里分别隔离了运载体横滚、俯仰和偏航三个方位角运动对IMU的影响，解除了这三个约束，使IMU在三维空间的运动完全自由。因而可以测量出运载体的航向角、俯仰角和横滚角。

捷联式惯性导航系统(SINS，Strapdown Inertial Navigation System)将惯性元件，即陀螺仪和加速度计直接固定在运载体上，陀螺仪和加速度计分别测量运载体相对惯性空间的三个转动角速度和三个线加速度沿运载体坐标系的分量，经过坐标变换，把加速度信息转化为沿导航坐标系的加速度。经过计算，得到运载体的位置、速度、航向和水平姿态等各种导航信息。在捷联惯导系统中，用计算机来完成导航平台的功能，以数学平台代替了平台惯导系统中的物理平台。捷联惯导系统没有平台系统复杂的框架结构和框架跟踪陀螺的伺服系统，因而大大简化了系统结构，给系统带来许多优点：1)整个系统的体积和成本大大降低；2)惯性仪表便于安装、维护和更换；3)能够提供更多的导航和制导信息；4)惯性仪表便于采用余度配置，提高系统性能和可靠性。由于捷联惯导系统具有的系列优点，在许多方面正逐步取代平台式惯导系统。

目前有一种广泛应用的低空飞行运载体，需要装备惯性导航系统以提高运动精度。这种运载体具有很高的自转角速度，达到每秒钟自转5转至30转，折合为1800度/秒～10800度/秒；飞行速度快、距离短，飞行时俯仰角很小，几乎为水平发射，飞行过程中，飞行轨迹近似为水平，俯仰角的值很小；运载体的重量轻、体积小，承载能力弱。这种低空飞行运载体如果装备平台式惯性导航系统，存在以下缺点：其一，平台式惯导系统结构复杂，为了保证平台能够实时跟踪当地水平和真北方向，需要配备复杂的框架结构和框架跟踪陀螺的伺服系统；其二，平台式惯导系统体积太大，不适合上述运载体；其三，平台式惯导系统成本高；其四，平台式惯导系统中惯性仪表的安装、维护和更换程序复杂；其五，平台式惯导系统中惯性仪表不便于采用余度配置，使系统性能和可靠性较低。这种低空飞行运载体如果装备现有的捷联式惯性导航系统，虽然可以克服装备平台式惯性导航系统带来的上述诸多问题，但是也具有本身难以逾越的缺点。由于捷联惯性导航系统的惯性器件与运载体固联在一起，所以，整个系统随着运载体一起做同样的运动，而这种运载体为了提高飞动轨迹的稳定性，在飞行的同时，具有很高的自转角速度，每秒钟通常能自转5转至30转，折合为1800度/秒～10800度/秒，这远远超出了普通陀螺仪的角速度测量范围。而捷联惯性导航系统的各个导航参数的解算过程相互耦合，如果测量不出运载体的自转角速度，则捷联解算就无法进行下去。目前有个别昂贵的特殊陀螺仪具有较大的角速度测量范围，但是，陀螺仪测量范围越大，陀螺仪的分辨率越低，所以即使在这里应用了大测量范围的陀螺仪，也会带来的很大的测量误差。同样因为捷联惯性导航系统的各个导航参数解算过程之间相互耦合，如果自转角速度分辨率低、测量误差大，将会降低整个导航系统的导航精度。

所以，目前无论是平台式惯性导航系统还是捷联式惯性导航系统都难以满足上述低空飞行运载体的导航要求。