导航学习题讲解

—制导 • 意义：制导是一个与“导航”相关的概念。制导是 指自动控制和导引飞行器按预定轨迹和飞行路线准 确到达目标的过程，既包含了应用导航的测量值， 又包含自动控制的闭环的全部工作过程。 • 制导参数：是综合利用预 定航迹参数和导航参数 （绝对参数）计算出来的 各种可用来纠正载体航向 偏差/偏航的参数（相对目 标的参数）如：应飞航迹 角、偏航角、航迹角误差、 偏航距等。
30年代
80年代
90年代
21世纪
— 导航发展趋势 •导航系统历经演变，正朝着“高精度、高可靠性、智 能、自主导航系统”的方向发展。 •下一代导航系统：全信息自适应融合导航系统
1-4.傅科摆实验验证了什么现象，是怎样来验证的？
•傅科的演示直接证明了地球自西向东的自转。
•1851年，法国物理学家让•傅科在巴黎国葬院安放了一个钟摆装置，摆 的长度为67米，底部的摆锤是重28千克的铁球。摆动过程中摆动平面 沿顺时针方向缓缓转动，摆动方向不断变化。分析这种现象，摆在摆 动平面方向上并没有受到外力作用，按照惯性定律，摆动的空间方向 不会改变，因而可知，这种摆动方向的变化，是由于观察者所在的地 球沿着逆时针方向转动的结果，地球上的观察者看到相对运动现象， 从而有力地证明了地球是在自转。
• 进动方向：右手定则判 定。即伸直右手，大拇 指与食指垂直，手指顺 着自转轴的方向，手掌 朝外力矩的正方向，然 后手掌与4指弯曲握拳， 则大拇指的方向就是进 动角速度的方向。
陀螺仪进动方向
2-17. 如何理解陀螺仪的定轴性？请举例说明？
—定轴性
•二自由度陀螺仪的转子绕自转轴高速旋转即具有动量矩 时，如果 不受外力矩作用，自转轴将相对惯性空间保持方向不变的特性，称 为陀螺仪的定轴性。 •陀螺仪定轴性的重要表现：瞬时冲击力矩作用在陀螺仪上时，此时 自转轴是在原来的空间方位附近绕垂直于自转轴的两个正交轴做振 荡运动（章动）。只要具有较大的动量矩H，章动的频率就很高(一 般高于100HZ)，振幅却很小(一般小于角分量级)，因而自转轴在惯 性空间中的方位改变是极其微小的。
1-3.简述导航系统的发展历史及发展趋势
—发展简史
• 早期导航方法：依靠罗盘、 地标、速度表和时钟等单一 功能的导航仪表，大致确定 载体的路径、航向和速度。
组合导航：惯导 和GPS组合等
中国古代 罗盘针
无线电导航
惯性导航和 多普勒导航 40-70年代
卫星导航：GPS、 GLONASS、北斗
新型导航和融合 合导航：景象、 视觉、脉冲星等
夹角为俯仰角，俯仰角以水平轴为 起点，向上为正，向下为负，定义 域为-90°到90° • 横滚角：定义载体绕纵轴相对于铅 垂平面的转角为横滚角，从铅垂平 面算起，右倾为正，左倾为负，定 义域为-180°到180°
2-5了解大地水准面、大地水准体，参考椭球体 的概念和各自的含义
—概念 •大地水准面：自由、静止的海水面扩展延伸形成的闭合曲面； •大地水准体：大地水准面包围的球体； •参考椭球体：具有确定的参数（长半轴和扁率），经过局部定位 和定向，同某一地区的大地水准面最佳拟合的旋转椭球体； —含义 •大地水准面具有水准面特性，即处处与铅垂线正交； •大地水准体体现了地球各处重力矢量的分布情况，用来表示地球 形状。 •参考椭球可用数学模型表达，逼近大地水准体。
2-2.如何理解方向余弦和坐标变换阵的含义，及其 在导航中的用途？
—方向余弦与坐标变换矩阵
刚体坐标系o-xyz， 参考坐标系OX0Y0Z0。刚体坐标 系三个轴向矢量 在参考坐标系中 的9个方向余弦
方向余弦：矢 量R与X,Y,Z正向 夹角的余弦
• 坐标变换矩阵： —在导航中的用途 • 描述坐标系之间的角位置关系； • 用于坐标变换
•大地坐标系：以旋转椭球为参照体建立的坐标系统。用大地经度L、 大地纬度B和大地高H表示某一点的位置。 •差异原因：椭球的定位、定向参数不同；平差方法不同。
• 坐标转换：不同大地坐标系的换算，包含：3个平移参数、3个旋 转参数、一个尺度变化参数、2个地球椭球元素变化参数。根据3 个以上公共点的两套大地坐标值，列出9个以上广义大地坐标微分 公式，采用最小二乘求出上述9个转换参数。 • 我国目前采用CGCS2000国家大地坐标系。曾用过的大地坐标系有： 1954北京坐标系、1980年国家大地坐标系、新1954北京坐标系。
2-18 理解单轴稳定平台的基本原理
•陀螺稳定平台：利用陀螺仪特性保持平台台体方位稳定的 装置。 •基本原理：
2-20.在三轴稳定平台中为什么需要方位坐标分解 器和正割分解器？
•两元件担任了三轴平台信号分配的任务，控制平台三个 基本环的转动。
• 方位坐标分解器：安装在平台上的 陀螺Ⅰ与Ⅱ相对外环轴与内环轴的 相对位置是变化的，由于方位轴与 俯仰轴轴相对平台的外环轴与内环 轴的角位置是变化的，所以外环稳 定回路与内环稳定回路中陀螺、控 制信号的来源也应是变化的。
•
为使平台在俯仰环的转角θ变化时保持横滚稳定回路 的总增益不变，须接入正割分解器。
导航学习题讲解
2013.12.10
第一章：导航系统概述
1-2.区别导航和制导的意义，区别导航参数和制 导参数？
—导航 • 意义：确定载体的位置和姿态，引导载体到达目的 地的指示和控制过程称为导航。 • 导航参数：由导航仪表或导航系统提供的载体在空 间的即时位置、速度和航向信息。 • 导航系统：实现导航任务的设备或装置称为导航系 统。导航系统有两种工作状态： ① 指示状态：不直接对载体进行控制，仅提供导 航信息供驾驶员操纵和引导载体。 ② 自动导航状态：直接提供导航信息给载体的自 动驾驶控制系统，从而操纵和引导载体。
• 制导系统：实现导引和控制飞行器按预定规律调整飞行 路线导向目标的全部装置 • 制导系统的功能： ①根据起始点、目标点和有关约束信息，建立航迹参数 （如航路点、航线等）； ②由导航系统测量载体的实际运动，确定载体的真实运动 导航参数（如位置、速度、姿态等）； ③根据航迹参数与实际运动参数，自动产生制导信息，传 输给运动载体的相应控制部件；
2-11. 哥氏加速度是如 何产生的？
•哥氏加速度的形成原因：当动点 的牵连运动为转动时，牵连转动 会使相对速度方向不断发生改变， 而相对运动又使牵连速度的大小 不断发生改变；这两种原因都造 成了一方向上附加的速度变化率， 该附加加速度变化率即为哥氏加 速度。
• 相对运动与牵连转动的相互影响而形成的。 • 简而言之：哥氏加速度是由于质点不仅作圆周运动，而且也做径向运动 或周向运动所产生的。
xr c11 y c r 21 zr c31 c12 c22 c32 c13 x0 y Cr c23 0 0 c33 z0 x0 y 0 z0
2-4.载体姿态角的定义
2-14. 说明舒勒摆的概念。如何使导航平台具有舒 勒特性?
—概念
•舒勒摆：一个摆在静止状态下能准确地指示地垂线方向，但是在运 动物体上，沿着摆支点的水平加速度使摆线偏离垂线方向。而能够克 服支点水平加速的影响，使摆线和垂线始终保持一致的摆。
—平台舒勒特性
x (t ) (x 0
aN K R ' a K ) cos gKt x 0 sin gKt N R gK gK gK
第二章：定位与导航基础
2-1.如何描述刚体在空间的角位置
—方向余弦 • 刚体在空间的角位置用与刚体固联的坐标系相对于所选 用的参考坐标系的角度关系来描述，通常采用方向余弦 法和欧拉角法。 •确定刚体固连坐标系的3个轴在参考坐标系中的9个方向 余弦，即可唯一确定刚体的角位置 —欧拉角 •在刚体上确定一个与刚体固连的 向量，刚体相对于空间的角位置 可由：此向量的两个独立转动角 和刚体绕这一空间向量的转动角 确定。
—定义 根据载体坐标系和地理坐标系之间的相对角位置关系， 可以定义并确定载体的姿态角（俯仰角、横滚角和航向角）
•航向角：定义载体绕垂线方向转动、载体的纵轴在水平面上的投影与 地理北向之间的夹角为航向角，数值以地理北向为起点，顺时针方向 为正，其定义域为0°到360° •俯仰角：定义载体绕横向水平轴转动产生的纵轴与纵向水平轴的
—惯导平台舒勒条件
•舒勒条件 •平台舒勒角频率： •平台舒勒震荡周期：
2-16. 二自由度陀螺仪产生进动的原因？
• 原因：当陀螺转子以高 速旋转时，如果施加的 外力矩是沿着除自转轴 以外的其它轴向，陀螺 并不顺着外力矩的方向 运动，其转动角速度方 向与外力矩作用方向互 相垂直，这种特性，叫 做陀螺仪的进动性
2-7. 理解子午圈和卯酉圈的含义，地球主曲率半 径是如何确定的？
2-8. 什么是重力异常和垂线偏斜，对导航有 何影响？
—意义
• 重力异常：物理大地测量中引进正常椭球产生的重力场作 为实际地球重力场的近似值。真实地球重力被分成正常重 力和重力异常。
2-10. 什么是大地坐标系？同一地点在不同大地坐标系中坐 标差异是由于两个坐标系的哪些差异造成的？各坐标系间 的转换如何实现？我国采用那种大地坐标系？