1、导航原理,Navigation,导航的概念及分类,导航：,把航行的载体从起始点引导到目的地的技术,基本类型：,陆标导航（Landmark),推算定位导航（Dead Reckoning）,天文导航（Celestial Navigation）,无线电导航（Radio Navigation）, 惯性导航 （Inertial Navigation System，INS）, 卫星定位导航（GPS, GLONASS，）,GPS 导航概述,提出：始于美国国防部的 NAVSTAR 计划,GPS 卫星及轨道,24颗卫星，位于6个轨道平面,每个轨道与地球赤道夹角55度,各轨道与地球赤道的交线夹角60度,定位思想：
2、用户通过接收机接收卫星信号，提取卫星的距离、方位等信息，利用几何方法解算出用户当前的位置、速度等参数,惯性导航的基本思想,惯性导航是以牛顿定律为基础,第一定律,惯性定律,第二定律,第三定律,作用力与反作用力,任何运动体的运动状态都可以用加速度（Acceleration）来表征,加速度、速度（ velocity ）和航程（Position）之间的关系：,加速度可以由加速度计测量(accelerometer),惯性导航：以加速度测量为基础的导航定位方法,这种不依赖外界信息，只靠对载体(vehicle)本身的惯性测量来完成导航任务的技术称作惯性导航,平面上的惯性导航,在平面上的导航 (Two-Dim
3、ensional Navigation),对加速度计的输出信号进行计算，就可以实时计算出载体在坐标系中的位置和瞬时速度,平台在整个导航过程中，始终模拟平面坐标系 OXY在工程上通过陀螺稳定平台来实现,陀螺仪：定义、缘起,广义概念,Gyroscope 古希腊语：,旋转敏感器,狭义概念,陀螺：,绕自身对称轴高速旋转的刚体,陀螺仪：,陀螺 + 支撑及辅助装置，实现某种测量功能,从玩具陀螺说起,高速旋转的陀螺具有定轴性,定轴性易被破坏,破坏（干扰）因素,非对称支撑带来的干扰力矩,旋转受到的摩擦力,支承改进：框架、支点、自由度,改变支点位置，引入框架支撑,框架嵌套式支承的实现,等效支点（万向支点、定点）
4、,转子的自由度转子轴的自由度二自由度陀螺仪（对转子轴）,单自由度陀螺仪,摩擦及对策、漂移率,摩擦力矩分类及影响,转子受到的摩擦（减速）,框架轴处的摩擦及影响,解决措施,维持转子高速的旋转：电机驱动,改进支撑方式，降低轴承摩擦,漂移、漂移率 漂移：受干扰影响，陀螺转子轴相对惯性空间的转动 漂移率：陀螺转子轴漂移的角速率（度/小时） 惯性级精度：0.01度/小时 陀螺的发展历史： 消除各种有害力矩、降低漂移率的历史,傅科陀螺仪,傅科：法国地球物理学家(1819-1868),验证地球自转,傅科摆(1851),L=67mM=28kgA=6m,傅科陀螺仪 (1852),精度较低，无法验证地球自转,之后轴
5、承工艺得到改进,陀螺罗经航海方面的最早应用,人类早期航海采用磁罗盘（指南针）,19世纪后期，钢质轮船逐渐取代木质轮船，磁罗盘无法再保证精度,在极地附近磁罗盘也会失灵,寻找能够替代磁罗盘的方位指使仪,如果借助陀螺仪，需要解决实时、自主寻北的问题,1908年，德国人安休茨（Anschutz）研制成陀螺罗经,1909年，美国人斯佩里（Sperry）也独立研制成陀螺罗经, 陀螺仪实用技术形成和发展的开端,航空应用地平仪、航向仪,1920s后 陀螺仪开始应用在航空，用来测量飞机的姿态角,飞行器的姿态角：航向、俯仰、横滚,地平仪：建立水平基准，实现对俯仰、横滚的测量航向仪：建立方位基准，实现对航向角的测量
6、,陀螺仪在导弹中的最早应用,30年代被 Goddard 用于火箭试验 二战中用于导弹： V1、V2,1942年12月，德国首次试射V1,V1 巡航导弹V2 弹道导弹,V1 被大量投入到二战,1944年6月，德国从法国北部向英国发射V1,10500,落到英国 3200 枚,伦敦 2500 枚,德国战败后，导弹技术人员大量流向苏美,冯布劳恩,杨格尔,陀螺仪的惯性级应用“舡鱼”之旅,二战后，苏美继续大力发展导弹和火箭技术,50年代初，美国MIT研制出达到惯性级精度的液浮陀螺仪,美国的“Navaho”计划1958年，美国“舡鱼”号潜艇之旅,珍珠港 - 白令海峡 - 北极 - 波特兰 历时 21天，航程 15000 Km, 标志着以陀螺仪为核心的惯性导航技术在 50 年代已经趋于成熟,三浮、静电陀螺高精度的追逐,陀螺仪发展的两个方向：,1、高精度2、低成本、小型化,三浮陀螺 （液浮、气浮、磁悬浮）,最高精度10e-7度/小时,静电陀螺：转子无接触悬浮,1952 提出方案1970s 末进入实用最高精度 10e-7度/小时 国内研制状况,缺点：结构复杂，成本高昂,光学、振动陀螺低成本小型化,激光陀螺,60年代初开始研制，70年代进入实用,光纤陀螺,70年代开始研制，80年代初进入实用,1983-1994美国各类陀螺比例,振动陀螺、微机械陀螺,音叉振动陀螺、压电振动陀螺、半球谐振陀螺,END,
