飞机惯性导航系统的发展与现状研究.pdf
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1、中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期:2023 年 12 月 22 日 作者简介:陶艺妍(1991),女,汉族,陕西西安人,中级职称,硕士研究生,研究方向为惯性卫星组合导航。-59-飞机惯性导航系统的发展与现状研究 陶艺妍 姜 玥 中航西安飞机工业集团股份有限公司,陕西 西安 710089 摘要:摘要:惯导系统具有无外部环境和能源消耗等优点,是当前最常用的一种自主导航方法。以牛顿动力学为基础,提出了一种利用固定在平台上的加速度传感器来测量平台上的加速度累积,从而计算推导出平台的速度和位置。由此得到平台的速度、位置等信息。惯导系统在航空航天领域发挥着举足轻重的作用。本文通过对惯性导航系统的现状
2、及发展展开了相关内容探究,以供参考。关键词:关键词:飞机导航;惯性导航系统;导航技术 中图分类号:中图分类号:V263 0 引言 以高精度为代表的惯性导航在我国航空航天、航海等各个领域具有重要意义,在军事上具有广阔的应用前景。惯导技术在航空导航、导弹制导等领域中具有代表性。随着科学技术的发展,对惯导系统精度、自动化和智能化的要求也越来越高。大数据技术的发展为提高惯导试验装备的精度提供了有力的途径,在惯导试验装备中的应用对于提高装备性能具有十分重要的意义。1 惯性导航系统发展概述 惯性导航系统(INS)是保障飞艇在平流层安全运行的一种新型自主导航技术,其主要结构包括三个加速度计、三个陀螺,其中加
3、速度计采用积分分解算法获取飞行器的速度,陀螺则通过三个方位的角速度信息来求取飞行器的姿态状态。舒勒调谐原理在 20 世纪初由德国舒勒提出,为惯导系统的研制奠定了基础。第二次世界大战期间,德国人在 V2 型火箭弹上使用了惯性导航系统,这次试验可以说是惯性导航系统实用化的开始。根据其安装位置的差异,INS 可以分为平台型和捷联式两种。捷联惯导是一种通过将惯导传感器固定于飞机上的方法,通过导航解算计算机实时解算出姿态矩阵,通过系统内的加速度数据经基准坐标变换实现导航解算,最终获得姿态信息1。随着计算机运算能力的不断提高,为捷联式惯导技术的发展开辟了新的空间。捷联 INS 与传统的 INS 相比,具有
4、部署简单、可重复使用、可在惯性组件层面进行冗余化等优点。自 80 年代以来,捷联惯导系统进入了高速发展时期。此后,美国空军逐步采用捷联式惯性导航系统,同时,民航领域 90%的惯性装备也被捷联式惯性导航所取代。随着微电子和光学等领域的快速发展,微机电陀螺仪的研究也逐渐走向成熟。相对于传统的机械式陀螺仪,光学和 MEMS 陀螺仪具有价格低廉,结构复杂,体积小,重量轻等诸多优势。自从原子陀螺仪被提出以来,许多大学和研究所都开始了对它的研究。从实际的工程应用来看,随着捷联惯性导航的发展,捷联惯性导航的小型化和低成本化的趋势越来越明显,而与其它传感器的结合也越来越多。捷联惯性导航主要用于定位、步行和运动
5、探测等场合2。以上方案主要采用低精度 INS,配合其它信息系统进行定位、导航和姿态检测。由于地面上仅有 4 个自由度,因此,即使采用简单的捷联式惯导(PartialINS)也能实现导航。简化捷联惯导系统首先采用一台天地陀螺仪与三台加速度计组成,其中一台天向陀螺用于检测载体的航向,三台加速度传感器用于检测载体的各个方向的加速度,此时的捷联惯导系统与全惯导系统的机构设置基本一致。再经验证,简化的捷联式惯导系统可简化为一天向陀螺仪与两个水平加速度计,而将观测数据替换为虚拟观测。相对于完整的 INS,简捷型 INS 虽然不能给出完整的信息,但是很适合与其他传感器(如卫星)进行联合导航,既可以满足常规惯
6、导的要求,又可以满足常规 INS 输出的要求。并且降低了整个体系的财务支出。为提高惯导部件的信噪比,从而提高惯导部中国科技期刊数据库 工业 A-60-件的测量精度,以及惯导系统运行过程中的导航精度,国内外学者对其进行了研究3。此外,在惯导系统的校准与粗配时,由于未采用卡尔曼滤波器,且校准与粗配准耗时过长,难以满足实际应用需求。因此,提高惯导系统的信号信噪比对于校准和粗调都非常重要。在目前的研究中,已有各种方法用于对惯导系统进行信号的分析,并通过对信号分量的分析,选取合适的滤波器进行去噪处理。其中小波分解是一种可用于多分辨信号分析的方法,它是一种通过选择滤波门限函数来对惯导系统输出的原信号作多尺
7、度正向线性预测的方法。在此基础上,提出了一种新的基于小波变换的自适应滤波方法,该方法能有效地消除陀螺的宽频带噪声,消除频率上与陀螺输出角速度信号相叠加而时间域随机特性各异的噪声。对目前的测量结果进行预测。经验模式分解具有时间域自适应的特点,也可用于多分辨的分析。其优点在于实施起来比较容易,缺点是没有严格的理论架构。在此基础上,将人工智能、深度学习等方法引入到惯导系统中,利用神经网络、深度学习等方法对其进行去噪,使其在初始对准、位姿估计等领域具有较好的应用前景。通过上述研究,提出基于惯导系统的自校准、自对准以及短期自主运行等多个环节的方法4。当前,惯导系统正朝着多样化的方向发展,针对不同的应用场
8、合,可选用不同的惯导系统,甚至完全没有。只需将所需的惯导元件结合起来,就可以实现指定的目标。由于测量的准确性,惯导的成本也会有很大的差别。因此,各个产业都会有不同的选择。2 当前惯导测试设备存在的不足 为满足今后惯导系统发展的需要,迫切需要提高惯导试验仪器的精度与自动化水平,而采用计算机进行控制是解决上述问题的有效途径。最大的问题是将来惯性导航试验装置的试验数据规模过大,而现有仪器的数据处理手段已不能满足需求5。介绍一种新型惯性导航试验仪器的设计方法。现有的惯性导航试验装置对数据的处理能力较差,不能有效地处理大量的工程数据。在数据收集过程中,由于测试数据的不完备、测试环境、测试流程等因素,测试
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