【文章內(nèi)容簡介】 航發(fā)展的的趨勢，發(fā)展非?？?。回顧捷聯(lián)慣導的發(fā)展，早在1956 年美國就有了捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的專利，但當時由于缺乏適用于捷聯(lián)式的導航元件和計算機，所以無法實現(xiàn)。60 年代初期，美國聯(lián)合飛機公司哈密爾頓標準中心研制的 L入 fASA 捷聯(lián)系統(tǒng)，首先在“阿波羅”登月艙中得到應用，隨后 Honewen 公司的 H 一401 型 S 則 S，成功地制導了普萊姆飛行器。60 年代后期，捷聯(lián)系統(tǒng)有了很大的發(fā)展。1966 一 1973 年，美國聯(lián)合公司制造的 SINS，先后裝備了登月艙、三級火箭、登月艦等。美國海軍、空軍于 1969 年決定為飛機和導彈研制捷聯(lián)式導航慣性導航系統(tǒng)，其中較為出色的有:洛克韋爾公司研制的采用靜電陀螺的中等精度低成本機載捷聯(lián)式系統(tǒng)MTCRON；Honeywell公司的激光陀螺捷聯(lián)系統(tǒng) LINS。前者定位精度為 1nmile/h，測速精度為 5ft/s，平均無故障時間為 200Oh。后者的定位精度也是 1nmile/h，測速精度則為 3ft/s，平均無故障時間為 2500h。由于捷聯(lián)慣導系統(tǒng)有諸多的優(yōu)點，國外先進國家己在各類飛機(包括預替機，戰(zhàn)略轟炸機，運輸機斗機以及民航客機等)，水面艦艇，航母和潛艇普遍裝備有慣導，甚至坦克，裝甲車以及地面車輛也都打算裝備慣導。我國慣導系統(tǒng)起步較晚，慣性導航系統(tǒng)的研制從 70 年代開始，經(jīng)過三十多年的預研與技術(shù)攻關(guān)，走過了從液浮(陀螺、加速度計)到撓性、從平臺到捷聯(lián)、從純慣性導航到慣性/GPS 組合導航的過程。目前，我國自行研制的第一代中等精度、高等精度撓性平臺式慣性導航系統(tǒng)己發(fā)展成一個系列，并已經(jīng)批量裝機使用，低成本、中等精度的小型捷聯(lián)慣導系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究撓性捷聯(lián)慣導己經(jīng)進入生產(chǎn)。但由于受國內(nèi)制造工藝技術(shù)水平的限制和國外技術(shù)先進國家的技術(shù)封鎖，高等精度的激光陀螺、光纖陀螺還處在研制階段，微機械慣性儀表還處在萌芽期 121?，F(xiàn)在我國自行設(shè)計的導彈和衛(wèi)星用的慣性儀表與系統(tǒng)已投入小批量生產(chǎn)。運載火箭向太平洋發(fā)射的成功，標志著這些慣性技術(shù)己經(jīng)達到了相當?shù)乃健? 本課題的主要研究內(nèi)容本課題在闡述捷聯(lián)慣導系統(tǒng)算法的原理下，提出了基于單片機的數(shù)據(jù)采集的導航數(shù)據(jù)輸出器的方案，即通過單片機輸出解算后的的導航數(shù)據(jù)，并在 VB 環(huán)境下建立仿真界面，直接將導航數(shù)據(jù)直觀的顯示出來。通過本系統(tǒng)能更好理解各個導航數(shù)據(jù)量之間的關(guān)系，在已知導航解算數(shù)據(jù)的情況下，也可作為直觀顯示界面一種方案。第二章 捷聯(lián)慣導系統(tǒng)原理 常用坐標系慣性導航系統(tǒng)用到了大量的坐標系的變換及角度變換運算，因此在介紹慣性導航原理之前有必要明確幾種常用坐標系的定義及關(guān)系。(l)慣性坐標系 —— eiOXYZ坐標系的原點選在地球的中心。 軸沿地軸指向北極的方向 ， 軸則在e eOXeY地球的赤道平面內(nèi)，并與 軸構(gòu)成右手直角坐標系，該坐標系相對慣性空間靜止或e保持勻速直線運動。(2)地球坐標系—— eYZ坐標系原點位于地心 。軸與地球極軸重合 。軸指向格林尼治經(jīng)線 。OeXeY軸指向東經(jīng) 90 度，該坐標系與地球固連，并相對慣性坐標系以地球自轉(zhuǎn)角速度 旋i?轉(zhuǎn)， =。ie?(3)地理坐標系—— tXYZ坐標系的原點選在載體重心處，地理坐標系的坐標軸有幾種不同的設(shè)置方式，一般情況下有兩種:東北天坐標系和北東地坐標系，不管哪種設(shè)置方式都采用右手坐標系。本文采用東北天坐標系，即 水平指東， 水平指北， 沿垂線方向指天。tOtYtOZ(4)導航坐標系—— 導航坐標系是在導航時根據(jù)導航系統(tǒng)工作的需要而選nYZ取的作為導航基準的坐標系。一般情況下把導航坐標系選得與地理坐標系重合，也可選為水平面 。與地理坐標系重合，方位上有一個夾角。本文的導航坐標系選為nX地理坐標系。(5)平臺坐標系—— pYZ平臺坐標系的說法來源于平臺式慣性導航，即慣導系統(tǒng)中與物理平臺臺體固連的坐標系。在慣導的整個工作過程中，平臺坐標系在原理上跟蹤導航坐標系，當慣導系統(tǒng)不存在誤差時，此坐標系與導航坐標系重合:當存在誤差時，兩坐標系之間的夾角即為對小型捷聯(lián)慣導系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究準誤差角，或稱失準角。而在捷聯(lián)慣導中，平臺坐標系是通過存儲在計算機中的姿態(tài)矩陣來實現(xiàn)的。(6)艦船坐標系—— bOXYZ艦船坐標系的作用是體現(xiàn)艦船相對與當前地理坐標系的搖擺(偏航、縱搖、橫搖)程度。因此，這種坐標系與艦船固連，原點為艦船重心，同時，在坐標軸方向設(shè)置時要考慮與地理坐標系的設(shè)置相符，因此選定 、指向艦船右舷 。軸沿艦船舷尾線bXbOY方間并指向艦舷， 垂直于艦船甲板面向上，構(gòu)成右手坐標系。bOZ 慣性導航基本原理慣性導航系統(tǒng)是一種典型的自主推算定位系統(tǒng)。假設(shè)載體的初始位置已知，利用慣性測量元件( 陀螺儀、加速度計等)測得的運載體相對慣性空間的線加速度和角速度，根據(jù)牛頓慣性定理就可推算出載體當前時刻的速度和位置。設(shè)載體從初始位置 沿地球表面以航向 C、航速 航行，東向和北向速度分0,()??0V量分別為 和氣 經(jīng)過時間 t 后到 點，t 時間內(nèi)載體在南北、東西方向的航程0EVN(,)分量分別為 和 ，如視地球是一半徑為 R 的圓球體，則有：S ()0tNSd???? ()0*coscstEEVtR??得到當前經(jīng)緯度: ()00*costNtEdVtR??????????同理，對于速度分量可采用以上方式類推: ()00tNNtEEVad???????因此如果己知載體初始經(jīng)緯度及初始速度，只要測得當前載體相對地球的加速度分量經(jīng)過兩次積分過程即可確定載體的位置。設(shè)載體相對地球運動的轉(zhuǎn)動角速度為 、直線速度 、直線加速度 ，地球自轉(zhuǎn)ep?eVeV?角速度 ，重力加速度 g，引力加速度 ，地心到載體的向徑 r。慣導系統(tǒng)使用加速ie?mg度計來獲得載體相對地球的加速度的，但實際上加速度計測量到的加速度包括:l)載體相對地球運動的加速度: ()*cepeVa????2)哥氏加速度: ()2cie3)重力加速度重力加速度包括引力加速度和向心加速度: ()*()mieig????依據(jù)以上分析，加速度計感測的單位質(zhì)量物體的力為: ()(2)eiepVVgf???這個力稱之為比力。式()稱為慣性導航系統(tǒng)的比力方程，將這個方程重新寫為： ()(2)*eiepefg?????式()即為慣導系統(tǒng)的基本方程。 從但從比力方程看，加速度計所感測到的物理量除了我們想知道的這個加速度以外，還有其他一些物理量: 。這些量顯然是我們所不需要的。它們(2)*iepeVg?????小型捷聯(lián)慣導系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究的存在，將嚴重影響加速度計測量的準確性。因此，通常把它們稱為有害加速度。加速度計無法分辨出載體相對加速度和有害加速度。因此必須從加速度計的輸出中將有害加速度補償?shù)?，才能準確測出載體相對運動的直線加速度。其實，只要我們合理地選擇加速度計的安裝方式，是可以大大簡化補償工作的。如將加速度計水平安放在一個平臺上，其敏感軸與平臺太面平行，并讓該平臺始終保持水平。這時，該加速度計能感受到的比力中已經(jīng)不含重力加速度這一項了。 ()(2)*eiepVVf????只要從加速度計測得的比力中將有害加速度 補償?shù)簦纯傻玫綔蔵e確的載體相對地球運動的直線加速度 。e? 捷聯(lián)慣導系統(tǒng)原理 捷聯(lián)慣導系統(tǒng)基本原理捷聯(lián)慣導和平臺慣導之間的主要差別就是捷聯(lián)慣性敏感元件(陀螺儀和加速度計)直接安裝在載體上，不再需要穩(wěn)定平臺和常平架系統(tǒng)。陀螺儀測量的是角速率而不是角位移，加速度計的輸入軸也不是保持在已知的確定方向(導航坐標系的軸向)，測量的是沿載體坐標系軸向的比力信息。計算機根據(jù)慣性元件的測量值進行實時的姿態(tài)矩陣解算，并通過姿態(tài)矩陣把加速度計測得的比力信息變換到導航坐標系后再進行導航計算，并從姿態(tài)矩陣的有關(guān)元素中提取航向和姿態(tài)角信息。捷聯(lián)慣導的基本系統(tǒng)組成和信號流程可以用圖 描述。捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)的工作概意大致如下:圖 捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)啟動后，首先依據(jù)陀螺儀組件和加速度計組件的輸出信息對姿態(tài)矩陣的初值進行校準，這個過程稱為初始對準。初始對準完成后，系統(tǒng)正式進入工作狀態(tài)。陀螺儀組件輸出的載體相對慣性空間轉(zhuǎn)動的角速度在載體坐標系上的分量bi?和導航計算機計算的導航坐標系相對慣性空間的轉(zhuǎn)動角速度bin?，對載體的姿態(tài)矩陣實時更新。從更新后的姿態(tài)矩陣中提取出載體的姿態(tài)角和航向信息。再用更新后的姿態(tài)矩陣將加速度計組件測得的載體相對慣性空間的比力在載體坐標系三個軸上的分量變換到導航坐標系上，對有害加速度進行補償后，就可以得到相對所選定的導航坐標系的速度和位置等信息。將該信息轉(zhuǎn)換到地球坐標系上，可以得到地球上的速度和位置信息。其中載體的姿態(tài)量包括：航向角 ： (0,2)?；橫滾角 ： ?；俯仰角 ： ；地理位置信息包括：經(jīng)度、緯度、海拔高度。(,)第三章 系統(tǒng)方案的確定 上下位機通信方式 基本通信方式計算機的數(shù)據(jù)傳送有并行數(shù)據(jù)傳送和串行數(shù)據(jù)傳送兩種方式。并行數(shù)據(jù)傳送的特點：在同一時刻，多個數(shù)據(jù)位同時傳送，傳送速度快，效率高。但并行數(shù)據(jù)傳送有多少數(shù)據(jù)位就需要多少根數(shù)據(jù)線，因此傳送成本高。并行數(shù)據(jù)傳送比較適用于短距離、大批量的數(shù)據(jù)傳送，如計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳送一般是采用并行方式的。串行數(shù)據(jù)傳送的特點是：數(shù)據(jù)傳送按位順序進行，最少只需一根傳輸線即可完成，成本低但速度慢。計算機與外界的數(shù)據(jù)傳送大多數(shù)是串行的，其傳送的距離可以從幾米到幾千公里。 串口通信方式的基本原理串口通信的概念非常簡單，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)。它很簡單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離通信。比如 IEEE488 定義并行通行狀態(tài)時，規(guī)定設(shè)備線總常不得超過 20 米，并且任意兩個設(shè)備間的長度不得超過 2 米；而對于串口而言，長度可達 1200 米。典型地，串口用于 ASCII 碼字符的傳輸。通信使用 3 根線完成：（1）地線， （2）發(fā)送， （3）接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)同時在另一根線上接收數(shù)據(jù)。其他線用于握手，但是不是必須的。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進行通行的端口，這些參數(shù)必須匹配：a，波特率：這是一個衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的 bit 的個數(shù)。例如 300 波特表示每秒鐘發(fā)送 300 個 bit。當我們提到時鐘周期時，我們就是指波特率例如如果協(xié)議需要 4800 波特率，那么時鐘是 4800Hz。這意味著串口通信在數(shù)據(jù)線上的采樣率為 4800Hz。通常電話線的波特率為 14400，28800 和 36600。波特率可以遠遠大于這些值，但是波特率和距離成反比。高波特率常常用于放置的很近的儀器間的通信，典型的例子就是 GPIB 設(shè)備的通信。b，數(shù)據(jù)位：這是衡量通信中實際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當計算機發(fā)送一個信息包，實際的數(shù)據(jù)不會是 8 位的，標準的值是 7 和 8 位。如何設(shè)置取決于你想傳送的信息。比如，標準的 ASCII 碼是 0～127（7 位） 。擴展的 ASCII 碼是 0～255（8 位） 。如果數(shù)據(jù)使用簡單的文本（標準 ASCII 碼） ，那么每個數(shù)據(jù)包使用 7 位數(shù)據(jù)。每個包是指一個字節(jié)，包括開始/停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位。由于實際數(shù)據(jù)位取決于通信協(xié)議的選取，術(shù)語“包”指任何通信的情況。c，停止位：用于表示單個包的最后一位。典型的值為 1， 和 2 位。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時的，并且每一個設(shè)備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計算機校正時鐘同步的機會。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時也越慢。d，奇偶校驗位：在串口通信中一種簡單的檢錯方式。有四種檢錯方式：偶、奇、高和低。當然沒有校驗位也是可以的。對于偶和奇校驗的情況，串口會設(shè)置校驗位（數(shù)據(jù)位后面的一位） ，用一個值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個或者奇?zhèn)€邏輯高位。例如，如果數(shù)據(jù)是 011，那么對于偶校驗，校驗位為 0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個。如果是奇校驗，校驗位位 1，這樣就有 3 個邏輯高位。高位和低位不真正的檢查數(shù)據(jù)，簡單置位邏輯高或者邏輯低校驗。這樣使得接收設(shè)備能夠知道一個位的狀態(tài)，有機會判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數(shù)據(jù)是否不同步。 系統(tǒng)通信方式在單片機芯片中，已經(jīng)集成了全雙工的串行接口電路——通用的異步接收/發(fā)送器（UART） 。綜合本系統(tǒng)設(shè)計要求，利用單片機現(xiàn)成的串口資源與 PC 端的上位機通信，既可以滿足通信速率上的要求，又能減少并行通信的成本和電路的復雜度。綜上從實際出發(fā)本設(shè)計采用串口通信，波特率 14400 bit/s，數(shù)據(jù)位 8 位，停止位 1位，無奇偶校驗位。 下位機系統(tǒng)方案確定 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖前面介紹了捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的基本原理，可知經(jīng)捷聯(lián)慣導算法解算出來姿態(tài)參數(shù)（俯仰角，橫滾角，航向角） ，以及空間位置參數(shù)（經(jīng)度，緯度，海拔高度） 。下位機是通過單片機來模擬解算后的導航數(shù)據(jù)輸出器。結(jié)合本人現(xiàn)有的一些硬件資源（一個玩具的遙控