《先进飞行控系统》第六课.ppt

3.7 导航系统 导航（navigation）是引导载体到达目的地的过程。随着应用范围的不同，可分为航空导航、航海导航、陆地导航。 以航空为例，确定飞机的位置并引导其按预定航线航行的整套设备（包括飞机上的和地面上的设备）称为飞机的导航系统。 早期飞机主要靠目视导航。20世纪20年代开始发展仪表导航飞机上有了简单的仪表，靠人工计算得出飞机当时的位置；20世纪30年代出现无线电导航，首先使用的是中波四航道无线电信标和无线电罗盘；20世纪40年代初开始研制超短波的伏尔导航系统； 3.7 导航系统 20世纪50年代初惯性导航系统用于飞机导航；20世纪50年代末出现多普勒导航系统；20世纪60年代开始使用远程无线电罗兰C导航系统、并研制出塔康导航以及超远程的奥米加导航系统；20世纪60年代初出现了卫星导航；20世纪70年代以后发展成为全球定位系统。在此过程中为发挥不同导航系统的特点，出现了组合导航系统。 3.7 导航系统 （1）伏尔导航系统（vor navigation system）是一种近程导航系统，全称为甚高频全向方位导航系统。 （2）多普勒导航系统（doppler navigation system）是利用多普勒效应实现无线电导航的机载系统。 （3）罗兰C导航系统（loran-C navigation system）是一种双曲线无线电导航系统，其全称为远程导航系统。 3.7 导航系统 （4）塔康导航系统（tacan navigation system）是一种近程极坐标无线电导航系统。 （5）奥米伽导航系统（omega navigation system）是一种超远程极坐标无线电导航系统。 本节只介绍飞机上广泛使用的惯性导航系统。 3.7.1 惯性导航系统 惯性导航系统（inertial navigation system）是重要的机载导航设备。惯性导航是通过测量飞机的惯性加速度，并自动进行积分运算，以获得飞机即时速度和即时位置数据的一门综合性技术。组成惯性导航系统的设备都安装在飞机内，工作是不依赖于外界信息，也不向外界辐射能量，是一种自主式导航系统。 3.7.1 惯性导航系统 惯性导航的力学基础是牛顿第二定律，牛顿第二定律叙述了物体的加速度、质量和所受作用力三者之间的关系；当用线加速度及测量到飞机（物体）的运动加速度后，飞机的即时速度和即时位置可由下式获得： 12345 * 11111 * 3.4 惯性量（线加速度）的测量 可得相应的传递函数为： 为典型的二阶振荡环节，阻尼比为： ； 自然振荡频率为： 稳态时 上式表明，当飞机作等加速度运动时，敏感质量块惯性力 与弹簧变形引起的弹簧力 大小相等，方向相反，从而使质量块处于平衡位置x。 3.4 惯性量（线加速度）的测量 将输出电压 （ 为电位计的传递函数）代入上式，可得： 表明，线加速度传感器的输出正比于飞机线加速度，相位差 。 单位加速度所产生的相对位移量定义为线加速度传感器的分辨率，即 由此可见，线加速度传感器的分辨率反比于其固有频率的平方，即弹簧刚度越小，质量块的质量越大，线加速度传感器的分辨率越高，即灵敏度越高。 3.4 惯性量（线加速度）的测量 简单线加速度传感器构造简单、价格较低，广泛应用于增稳控制增稳和电传操纵系统以及自动驾驶仪中。但简单加速度传感器具有电刷与电位计的摩擦力较大的缺点，而且质量块易受振动等因素的影响，线性特性较差。这种线加速度传感器的精度一般为： ，难以满足高精度的要求。为了解决上述问题，可用力矩系统取代弹簧，并增加浮子式阻尼器，这就是目前常用的浮子摆式加速度传感器。 3.5 惯性量（角加速度）的测量 要实现飞行自动控制，首要问题是要精确的测量飞行器的姿态角、航向和角速度等飞行参数。陀螺仪即为测量这类参数的敏感装置。“陀螺仪”是感测旋转的一种装置。陀螺仪（gyroscope）这一术语来自希腊文，其意思是“旋转指示器”随着科学技术的发展，人们发现大约有一百种物理现象可以被用来感测相对于惯性空间的旋转。在此基础上，研制出了许多不同原理和类型的陀螺仪。 3.5.1 测量元件—陀螺仪 （1）陀螺仪的结构 陀螺仪是重要的惯性测量元件，它由陀螺转子、内环、外环和基座（壳体）组成。如图所示： 陀螺仪有三根在空间互相垂直的轴。X轴是陀螺的自转轴，陀螺本身是一只对称的转子，由马达驱动绕自转轴高速旋转陀螺转子轴（X轴）支承在内环上。Y轴是内环的转动轴，亦称内环轴。内框带动转子一起可绕内环轴相对外环自由旋转 3.5.1 测量元件—陀螺