第四章飛行器機(jī)載設(shè)備

1、2024年3月20日,第四章 飛行器機(jī)載設(shè)備,主講人：杏建軍,第四章 主要內(nèi)容,傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng)2. 飛行器導(dǎo)航系統(tǒng)3. 飛行器控制系統(tǒng)4. 其他機(jī)載設(shè)備,第四章 主要內(nèi)容,傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng)2. 飛行器導(dǎo)航系統(tǒng)3. 飛行器控制系統(tǒng)4. 其他機(jī)載設(shè)備,,載人飛行器測(cè)量的主要參數(shù) 飛行參數(shù)（速度、高度等）動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度、燃油量等）導(dǎo)航參數(shù)（航向、位置等）生命保障系統(tǒng)參數(shù)

2、（氧氣分壓、溫度等）飛行員生理參數(shù)（脈搏、呼吸、血壓等）武器瞄準(zhǔn)系統(tǒng)參數(shù)（目標(biāo)類(lèi)型、速度、高度等）其它系統(tǒng)參數(shù)（液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等）,1.1 飛行器參數(shù)測(cè)量的基本方法,1. 壓力傳感器：變形測(cè)量和特性參數(shù)測(cè)量,壓阻式壓力傳感器,1.1 飛行器參數(shù)測(cè)量的基本方法,1. 壓力傳感器：變形測(cè)量和特性參數(shù)測(cè)量,諧振式壓力傳感器,,1.1 飛行器參數(shù)測(cè)量的基本方法,2. 溫度傳感器：只能采用間接方式,電阻式溫度傳感器,,1.1 飛行器參數(shù)

3、測(cè)量的基本方法,2. 溫度傳感器：只能采用間接方式,熱電偶式溫度傳感器,,,1.1 飛行器參數(shù)測(cè)量的基本方法,3.轉(zhuǎn)速傳感器 磁敏電阻脈沖傳感器是一種非接觸式數(shù)字化傳感器，是將機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的物體表面粘貼上磁敏條，通過(guò)檢測(cè)其移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的脈沖，并將其轉(zhuǎn)化為脈沖電信號(hào)的基礎(chǔ)元器件。特別適合于像發(fā)動(dòng)機(jī)主軸等高速運(yùn)動(dòng)的非接觸式測(cè)量。,,,1.1 飛行器參數(shù)測(cè)量的基本方法,4.加速度傳感器,,,固連于基座  

4、60;       擺組件固連,當(dāng)基座以加速度a運(yùn)動(dòng)，則擺件所受的慣性力為-ma，則擺件所受的合力為,表示為,1.1 飛行器參數(shù)測(cè)量的基本方法,4.加速度傳感器,,,表示為,這個(gè)力產(chǎn)生繞組件        軸的力矩為,組件又受到彈性力矩     

5、0;    、阻尼力矩         和干擾力矩       的作用，故擺組件繞        軸的角運(yùn)動(dòng)方程為,1.1 飛行器參數(shù)測(cè)量的基本方法,4.加速度傳感器,整理得,當(dāng) &

6、#160;  很小時(shí)，穩(wěn)態(tài)方程近似為,角度   與基座在     軸上比力成正比,1.1 飛行器參數(shù)測(cè)量的基本方法,4.加速度傳感器,1.1 飛行器參數(shù)測(cè)量的基本方法,5. 迎角傳感器,1.1 飛行器參數(shù)測(cè)量的基本方法,5. 迎角傳感器,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,1.飛行高度的測(cè)量,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,1. 飛行高度的測(cè)量（氣壓式測(cè)高）

7、,,氣壓式高度表,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,1. 飛行高度的測(cè)量（無(wú)線電測(cè)高）飛機(jī)向地面發(fā)射無(wú)線電波，經(jīng)地面反射后被飛機(jī)接收機(jī)接收。無(wú)線電波經(jīng)歷兩倍飛行高度的行程所用的時(shí)間等于兩倍飛行高度被電波傳播速度所除的商值。電波傳播的速度為恒值，只要測(cè)出這段時(shí)間便可求出飛行高度。,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,1. 飛行高度的測(cè)量（無(wú)線電測(cè)高）無(wú)線電高度表按工作方式分為調(diào)頻式和脈沖式兩種。①調(diào)頻式無(wú)線電高度表：從飛機(jī)上向地面發(fā)射連續(xù)調(diào)

8、頻波，經(jīng)地面反射后被接收機(jī)接收。把接收到的調(diào)頻波和從發(fā)射機(jī)耦合過(guò)來(lái)的發(fā)射波進(jìn)行混頻。輸出的差頻與飛行高度有關(guān)。通過(guò)換算即得到離地高度。②脈沖式無(wú)線電高度表：它的工作方式與脈沖雷達(dá)測(cè)量距離的工作方式完全相同。新型脈沖式無(wú)線電高度表發(fā)射的脈沖寬度可自動(dòng)調(diào)整，無(wú)論在低高度或高高度均可作精確測(cè)量,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,1. 飛行高度的測(cè)量氣壓測(cè)高： 優(yōu)點(diǎn)：可以給出多種形式的高度； 缺點(diǎn)：受天氣影響較大，高度較低時(shí)靈敏度差

9、無(wú)線電測(cè)高 優(yōu)點(diǎn)：給出真實(shí)高度，測(cè)量精度高，不受氣壓變化影響 缺點(diǎn)：給出的高度形式單一,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,2. 飛行速度的測(cè)量,飛機(jī)速度,空速,地速,真實(shí)空速,指示空速,校準(zhǔn)空速,當(dāng)量空速,,,,,,,,,,,,,,,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,2. 飛行速度的測(cè)量氣壓測(cè)量法加速度積分法雷達(dá)測(cè)量法,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,2. 飛行速度的測(cè)量,伯努利方程,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)

10、量,2. 飛行速度的測(cè)量,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,3. 大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng),總靜壓傳感器,總溫傳感器,迎角傳感器,大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī),,,,高 度,真實(shí)空速,指示空速,馬赫數(shù),迎角,,,,,,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,4. 飛行姿態(tài)角度測(cè)量 陀螺儀 陀螺儀有機(jī)械陀螺、靜電陀螺、激光陀螺等多種類(lèi)型。定軸性：保持其自轉(zhuǎn)軸在慣性空間方向不變的特性。,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,4. 飛行姿態(tài)角度測(cè)量

11、 陀螺儀 進(jìn)動(dòng)性：在外力矩作用下，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子力圖使自轉(zhuǎn)軸矢量沿最短路徑轉(zhuǎn)向外力矩矢量。,,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,4. 飛行姿態(tài)角度測(cè)量 陀螺儀 進(jìn)動(dòng)性,,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,4. 飛行姿態(tài)角度測(cè)量 陀螺儀,,,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,4. 飛行姿態(tài)角度測(cè)量--陀螺儀,摩擦力矩分類(lèi)及影響,轉(zhuǎn)子受到的摩擦（減速）,框架軸處的摩擦及影響,解決措施,維持轉(zhuǎn)子高速的旋轉(zhuǎn)：電機(jī)驅(qū)動(dòng)

12、,改進(jìn)支撐方式，降低軸承摩擦,漂移、漂移率 漂移：受干擾影響，陀螺轉(zhuǎn)子軸相對(duì)慣性空間的轉(zhuǎn)動(dòng) 漂移率：陀螺轉(zhuǎn)子軸漂移的角速率（度/小時(shí)） 慣性級(jí)精度：0.01度/小時(shí) 陀螺的發(fā)展歷史： 消除各種有害力矩、降低漂移率的歷史,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,傅科：法國(guó)地球物理學(xué)家(1819-1868),驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn),傅科擺(1851),傅科陀螺儀 (1852),精度較低，無(wú)法驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn),之后軸承工藝得到改進(jìn),L=6

13、7mM=28kgA=6m,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,人類(lèi)早期航海采用磁羅盤(pán)（指南針）,19世紀(jì)后期，鋼質(zhì)輪船逐漸取代木質(zhì)輪船，磁羅盤(pán)無(wú)法再保證精度,在極地附近磁羅盤(pán)也會(huì)失靈,尋找能夠替代磁羅盤(pán)的方位指使儀,如果借助陀螺儀，需要解決實(shí)時(shí)、自主尋北的問(wèn)題,1908年，德國(guó)人安休茨（Anschutz）研制成陀螺羅經(jīng),1909年，美國(guó)人斯佩里（Sperry）也獨(dú)立研制成陀螺羅經(jīng),—— 陀螺儀實(shí)用技術(shù)形成和發(fā)展的開(kāi)端,1.2 主要飛行狀

14、態(tài)參數(shù)的測(cè)量,1920s后 陀螺儀開(kāi)始應(yīng)用在航空，用來(lái)測(cè)量飛機(jī)的姿態(tài)角,飛行器的姿態(tài)角：,地平儀：建立水平基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)俯仰、橫滾的測(cè)量航向儀：建立方位基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)航向角的測(cè)量,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,30年代被戈達(dá)德用于火箭試驗(yàn) 二戰(zhàn)中用于導(dǎo)彈： V1、V2,1942年12月，德國(guó)首次試射 V1,V1， 巡航導(dǎo)彈V2， 彈道導(dǎo)彈,V1 被大量投入到二戰(zhàn),1944年6月起，德國(guó)從法國(guó)北部向英國(guó)發(fā)射V1 10500枚；V2

15、1700枚。,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,二戰(zhàn)后，蘇美繼續(xù)大力發(fā)展導(dǎo)彈和火箭技術(shù) （布勞恩Vs 科羅廖夫）,50年代初，美國(guó) MIT Draper 實(shí)驗(yàn)室研制出達(dá)到慣性級(jí)精度的液浮陀螺儀,1958年，美國(guó)“舡魚(yú)”號(hào)潛艇之旅,珍珠港 - 白令海峽 - 北極 - 波特蘭 歷時(shí) 21天，航程 15000 Km,—— 標(biāo)志著以陀螺儀為核心的慣性導(dǎo)航技術(shù)在 50 年代已經(jīng)趨于成熟,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,陀螺儀發(fā)展的兩個(gè)方向：,1、

16、高精度2、低成本、小型化,三浮陀螺 （液浮、氣浮、磁懸?。?最高精度10e-7度/小時(shí),靜電陀螺：轉(zhuǎn)子無(wú)接觸懸浮,1952 提出方案1970s 末進(jìn)入實(shí)用最高精度 10e-7度/小時(shí),缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,激光陀螺,60年代初開(kāi)始研制，70年代進(jìn)入實(shí)用,光纖陀螺,70年代開(kāi)始研制，80年代初進(jìn)入實(shí)用,1983-1994美國(guó)各類(lèi)陀螺比例,振動(dòng)陀螺、微機(jī)械陀螺,音叉振動(dòng)陀螺、壓電振動(dòng)陀螺、半球諧振陀

17、螺,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,4. 飛行姿態(tài)角度測(cè)量 磁羅盤(pán)：利用地球磁場(chǎng)測(cè)量磁航向角,,,,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,4. 飛行姿態(tài)角度測(cè)量 陀螺地平儀 測(cè)量俯仰角和滾轉(zhuǎn)角,,,,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,5. 飛行器顯示系統(tǒng) 機(jī)械儀表顯示和電子綜合顯示 機(jī)械儀表顯示由指針，刻度盤(pán)，機(jī)械計(jì)數(shù)器，標(biāo)記和圖形等組成。特點(diǎn)是：簡(jiǎn)單、清晰；能反映變化過(guò)程，精度低，壽命短，易受振動(dòng)沖擊。不

18、易綜合顯示。,,,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,5. 飛行器顯示系統(tǒng)電子綜合顯示把測(cè)得的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子顯示器的光電信號(hào)以顯示所需的信息，可以是數(shù)字式，符號(hào)、圖形及 其組合形式。特點(diǎn)是：顯示界面靈活多樣，彩色豐 富；易綜合顯示，減少儀表數(shù)量，精度高，壽命長(zhǎng)，可靠性高。,,,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,5. 飛行器顯示系統(tǒng) 頭盔顯示系統(tǒng),,,,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,5. 飛行器顯示系統(tǒng) 顯示系統(tǒng)發(fā)展

19、趨勢(shì)高清晰度，綜合體積小，重量輕，省電，可靠（彩色液晶）；頭盔顯示器，頭部轉(zhuǎn)向各方均可見(jiàn)到信號(hào)；大屏幕全景顯示器，采用觸摸屏操作和語(yǔ)音指令控制。,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,5. 飛行器顯示系統(tǒng),,,,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,5. 飛行器顯示系統(tǒng),,,,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,5. 飛行器顯示系統(tǒng),,,,F/A-117,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,5. 飛行器顯示系統(tǒng),,,,,瑞典 Saab-37,1.2

20、主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,5. 飛行器顯示系統(tǒng),,,,1.2 主要飛行狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量,5. 飛行器顯示系統(tǒng),,,,,,,第四章 主要內(nèi)容,傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng)2. 飛行器導(dǎo)航系統(tǒng)3. 飛行器控制系統(tǒng)4. 其他機(jī)載設(shè)備,2 飛行器導(dǎo)航系統(tǒng),導(dǎo)航（Navigation）：把飛行器從出發(fā)地引導(dǎo)到目的地的過(guò)程制導(dǎo)（Guidance）：導(dǎo)引和控制飛行器按一定規(guī)律飛向目標(biāo)或預(yù)定軌道的技術(shù)和方法。制導(dǎo)過(guò)程中，導(dǎo)引系統(tǒng)不斷測(cè)定飛

21、行器與目標(biāo)或預(yù)定軌道的相對(duì)位置關(guān)系，發(fā)出制導(dǎo)信息傳遞給飛行器控制系統(tǒng)，以控制飛行。分有線制導(dǎo)、無(wú)線電制導(dǎo)、雷達(dá)制導(dǎo)、紅外制導(dǎo)、激光制導(dǎo)、音響制導(dǎo)、地磁制導(dǎo)、慣性制導(dǎo)和天文制導(dǎo)等。,2 飛行器導(dǎo)航系統(tǒng),導(dǎo)航方式無(wú)線電導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航慣性導(dǎo)航圖象匹配導(dǎo)航天文導(dǎo)航組合導(dǎo)航,2.1 無(wú)線電導(dǎo)航,特點(diǎn)：由于受氣候條件限制較少，作用距離遠(yuǎn)，精度高，設(shè)備簡(jiǎn)單可靠，得到廣泛應(yīng)用。原理：借助于無(wú)線電波的發(fā)射和接收，測(cè)定飛行器相對(duì)于導(dǎo)航臺(tái)的方位、

22、距離等參數(shù)，以確定飛行器的位置、速度、航跡等導(dǎo)航參數(shù)。分類(lèi)：測(cè)向無(wú)線電導(dǎo)航、測(cè)距無(wú)線電導(dǎo)航、測(cè)距差無(wú)線電導(dǎo)航和測(cè)速無(wú)線電導(dǎo)航。,2.1 無(wú)線電導(dǎo)航,測(cè)向無(wú)線電導(dǎo)航自動(dòng)測(cè)向器（ADF）測(cè)量無(wú)線電波來(lái)向與飛行器縱軸線的夾角。中長(zhǎng)波150KHz~2MHz，作用距離約300Km,2.1 無(wú)線電導(dǎo)航,測(cè)向無(wú)線電導(dǎo)航 全向信標(biāo)系統(tǒng) 為飛行器提供以導(dǎo)航臺(tái)北向子午線為基準(zhǔn)的方位角。甚高頻，108~118MHz，

23、 當(dāng)飛行器有足夠高度時(shí)，作用距離可達(dá)480Km。,V——基準(zhǔn)相位信號(hào) R——可變相位信號(hào),2.1 無(wú)線電導(dǎo)航,測(cè)距無(wú)線電導(dǎo)航 DME測(cè)距機(jī)　　 飛行器發(fā)出詢問(wèn)脈沖，導(dǎo)航臺(tái)接到后發(fā)出應(yīng)答脈沖，飛行器測(cè)量發(fā)出詢問(wèn)脈沖與收到應(yīng)答脈沖的時(shí)間差，計(jì)算出飛行器與導(dǎo)航臺(tái)間的距離。結(jié)合飛行高度可得到飛行器與導(dǎo)航臺(tái)間的水平距離?！　∪绻麑?yīng)答脈沖調(diào)制，其相位同VOR可變相位信號(hào)，則可同時(shí)完成測(cè)距和測(cè)向（“塔康”系統(tǒng)）,2.1 無(wú)線電導(dǎo)航,民航導(dǎo)航

24、,2.2 慣性導(dǎo)航,基于原理,原理簡(jiǎn)單，但高精度實(shí)現(xiàn)很困難,細(xì)節(jié)決定成?。?！,2.2 慣性導(dǎo)航,簡(jiǎn)化的慣性導(dǎo)航問(wèn)題,首先，假設(shè)載體在地球表面做二維移動(dòng),穩(wěn)定平臺(tái)(stabilized platform)和加速度計(jì)(accelerometer)的功能,2.2 慣性導(dǎo)航,,將測(cè)出的加速度信號(hào)進(jìn)行一次積分后，可分別得出載體的速度分量,2.2 慣性導(dǎo)航,,載體的經(jīng)緯度longitude,latitudeλ和φ，可以從下式求得,2.2 慣性導(dǎo)航,

25、,基本慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：,加速度計(jì) 模擬某一坐標(biāo)系的平臺(tái)(platform) 積分器(integrator) 初始條件的調(diào)整(initial condition),2.2 慣性導(dǎo)航,簡(jiǎn)化的單軸(single-axis)導(dǎo)航情況,載體位于 P 點(diǎn),Y 軸沿當(dāng)?shù)厮?Z 軸沿當(dāng)?shù)劂U垂,Yp 是加速度計(jì)敏感軸,Xp 是陀螺儀的敏感軸,平臺(tái)角速度ωp 由陀螺控制,2.2 慣性導(dǎo)航,實(shí)際功能與誤差,由于存在各類(lèi)誤差，理想的單

26、軸導(dǎo)航是不可能實(shí)現(xiàn)的,1．儀表誤差(instrumental errors),當(dāng)比力在加速度計(jì)敏感軸上的分量是 fa 時(shí)，加速度計(jì)輸出信號(hào)事實(shí)上是,比力,比力在加速度計(jì)敏感軸上的分量為,標(biāo)度系數(shù)誤差,零位誤差,2.2 慣性導(dǎo)航,當(dāng)平臺(tái)的指令信號(hào)為ωc時(shí)，平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角速度則為,Kg 為平臺(tái)陀螺力矩器標(biāo)度系數(shù)誤差 (scaling factor error),ε為陀螺儀的漂移角速度(drafting error),上述誤差使平臺(tái)和當(dāng)?shù)厮矫?/p>

27、之間存在角α,2．初始誤差(initial errors),在起始時(shí)刻，引入計(jì)算機(jī)的初值有誤差,2.2 慣性導(dǎo)航,簡(jiǎn)化單軸導(dǎo)航系統(tǒng),2.2 慣性導(dǎo)航,2.2 慣性導(dǎo)航,解誤差方程，設(shè)比 84.4 分鐘小得多且不為零的時(shí)間間隔 T 內(nèi)有常值加速度γ作用，則有,誤差源可以分為兩類(lèi)：,1、隨時(shí)間保持有界(bounded)的誤差（前五項(xiàng) ）,2、隨時(shí)間增大的誤差（后兩項(xiàng)）,2.2 慣性導(dǎo)航,有關(guān)誤差的數(shù)量級(jí)(magnitude order),1

28、．初始位置誤差,有,2．初始速度誤差,有,3．初始對(duì)準(zhǔn)誤差,有,最大誤差,4．加速度計(jì)的零位誤差,有,最大誤差,2.2 慣性導(dǎo)航,5．加速度計(jì)的標(biāo)度系數(shù)誤差,設(shè),T=30s，,有,最大誤差,6．陀螺漂移角速度,有,7．陀螺標(biāo)度系數(shù)誤差,有,航程為 1000 km 時(shí)，誤差 1 km；3000 km 時(shí)，誤差 3 km,2.2 慣性導(dǎo)航,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）,導(dǎo)航計(jì)算機(jī),用戶界面,慣性測(cè)量單元（IMU）,能量供給,慣性傳感器組合（ISA

29、）,ISA校準(zhǔn)和控制系統(tǒng),,,,,,,,,,,2.2 慣性導(dǎo)航,,慣性傳感器組合（ISA）,2.2 慣性導(dǎo)航,,平衡環(huán),浮 臺(tái),2.2 慣性導(dǎo)航,2.2 慣性導(dǎo)航,2.2 慣性導(dǎo)航,2.2 慣性導(dǎo)航,慣性導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)與外界不發(fā)生任何光、電和磁聯(lián)系——隱蔽性好；工作不受氣象條件的限制——可用性強(qiáng)；完全依靠運(yùn)動(dòng)載體設(shè)備自主完成導(dǎo)航任務(wù)——自主性好；能夠提供比較齊全的導(dǎo)航參數(shù)——參數(shù)齊全；目前已廣泛應(yīng)用于潛艇、水面艦艇、軍用飛機(jī)、戰(zhàn)略

30、導(dǎo)彈和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、戰(zhàn)車(chē)和人造衛(wèi)星等領(lǐng)域——應(yīng)用面廣。,2.2 慣性導(dǎo)航,慣性導(dǎo)航的缺點(diǎn)系統(tǒng)精度主要取決于慣性測(cè)量元件，導(dǎo)航參數(shù)的誤差隨時(shí)間而積累，不適宜長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)航。一般慣導(dǎo)系統(tǒng)的加熱和初始對(duì)準(zhǔn)所需時(shí)間較長(zhǎng)，很難滿足遠(yuǎn)距離、高精度導(dǎo)航和其它特定條件下的快速反應(yīng)要求。,2.3 衛(wèi)星導(dǎo)航,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展,衛(wèi)星定位系統(tǒng)是一種天基無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)。它能夠在全球范圍，為多個(gè)用戶，全天候、實(shí)時(shí)、連續(xù)地提供高精度三維位置、速度及時(shí)間信息。,美國(guó)：

31、GPS；俄羅斯：GLONASS；,目前己經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)或正在建設(shè)的幾個(gè)主要的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有：,歐空局：GALILEO；中國(guó)：COMPASS。,2.3 衛(wèi)星導(dǎo)航,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組成,導(dǎo)航衛(wèi)星,地面站組,用戶群,2.3 衛(wèi)星導(dǎo)航,衛(wèi)星導(dǎo)航原理,2.3 衛(wèi)星導(dǎo)航,偽 距,觀測(cè)方程,2.3 衛(wèi)星導(dǎo)航,觀測(cè)方程,最小二乘法,2.3 衛(wèi)星導(dǎo)航,位置精度因子,時(shí)間精度因子,幾何精度因子,2.3 衛(wèi)星導(dǎo)航,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航的主要誤差控制段誤差：衛(wèi)星時(shí)鐘

32、和星歷（新一代的GPS衛(wèi)星通過(guò)衛(wèi)星之間的交聯(lián)測(cè)距提高自主性，可在60天不與地面站聯(lián)系的情況下維持衛(wèi)星星歷和時(shí)鐘誤差在3米內(nèi)）信號(hào)傳播誤差：信號(hào)折射；電離層延遲；對(duì)流層延遲測(cè)量誤差：接收機(jī)噪聲；多路徑效應(yīng),2.3 衛(wèi)星導(dǎo)航,差分GPS,能效地消除控制段誤差，信號(hào)傳輸誤差不能消除測(cè)量誤差,2.3 衛(wèi)星導(dǎo)航,衛(wèi)星導(dǎo)航存在的問(wèn)題存在信號(hào)遮擋。當(dāng)接收機(jī)天線被建筑、隧道等遮擋時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)中斷，無(wú)法定位?？垢蓴_能力差。當(dāng)存在人為干擾時(shí)，接收

33、機(jī)碼環(huán)環(huán)路很容易失鎖，導(dǎo)致接收機(jī)無(wú)法定位。數(shù)據(jù)輸出頻率低。盡管目前一些新的GPS接收機(jī)可以提供10 Hz的無(wú)插值定位輸出，但大多數(shù)接收機(jī)的定位輸出頻率仍然為1 Hz。GPS、GLONASS、GALILEO分別由各自研制國(guó)直接控制，使用權(quán)受制于人。,2.3 衛(wèi)星導(dǎo)航,衛(wèi)星導(dǎo)航存在的問(wèn)題 1）美國(guó)GPS可能存在問(wèn)題美國(guó)2000年之后每年都將審議一次SA政策；美國(guó)軍方聲稱(chēng)隨時(shí)都有可能改變GPS政策；GPS的系統(tǒng)信號(hào)在高緯度地

34、區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)盲區(qū)；美國(guó)國(guó)防部曾強(qiáng)調(diào)，限制敵人在戰(zhàn)時(shí)利用GPS,結(jié)論：GPS不能保證安全、連續(xù)、精確、可靠導(dǎo)航,2.3 衛(wèi)星導(dǎo)航,衛(wèi)星導(dǎo)航存在的問(wèn)題 2）GLONASS存在的主要問(wèn)題與GPS相比，GLONASS因運(yùn)行時(shí)間短，用戶尚少，目前還不具備象GPS增強(qiáng)系統(tǒng)和IGS網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期不間斷的觀測(cè)信息支持。 GPS接收機(jī)市場(chǎng)十分活躍，產(chǎn)品不斷翻新，而GLONASS目前還未達(dá)到這一水平，且GLONASS接收機(jī)供應(yīng)嚴(yán)重不足。 此外，因

35、為沒(méi)有GLONASS衛(wèi)星的精確軌道源數(shù)據(jù)，故無(wú)法測(cè)定精度。與GPS相比這是GLONASS的個(gè)一主要缺陷。,2.3 衛(wèi)星導(dǎo)航,衛(wèi)星導(dǎo)航存在的問(wèn)題 3）“北斗一代”存在的主要問(wèn)題北斗一代系統(tǒng)由三顆地球同步衛(wèi)星、一個(gè)地面控制中心及各類(lèi)用戶接收機(jī)組成?！氨倍芬惶?hào)”覆蓋范圍小，服務(wù)區(qū)由東經(jīng)70度至東經(jīng)145度，北緯5度到北緯55度，覆蓋我國(guó)和周邊地區(qū)。 “北斗一號(hào)”采用雙星定位技術(shù)，只能為終端用戶提供經(jīng)度和緯度，無(wú)法為用戶提供所在

36、高度的數(shù)據(jù)，因此需要預(yù)先存儲(chǔ)需定位目標(biāo)的地面高程信息，并通過(guò)與地面中心站的聯(lián)系才能推算高度。,2.3 衛(wèi)星導(dǎo)航,衛(wèi)星導(dǎo)航存在的問(wèn)題 3）“北斗一代”存在的主要問(wèn)題由于地面高程精度不高，且衛(wèi)星數(shù)量少，無(wú)冗余信息，定位精度和可靠性不高。用戶必須向地面中心站申請(qǐng)定位，才能獲得定位信息，于是用戶的隱蔽性成問(wèn)題。由于地面中心站是北斗一代的核心，地面中心站一旦遭攻擊，整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)將陷入癱瘓。北斗一號(hào)用戶受限，用戶過(guò)多會(huì)造成信道擁擠

37、；信號(hào)需雙向傳送，很難滿足高動(dòng)態(tài)定位要求；,2.3 衛(wèi)星導(dǎo)航,衛(wèi)星導(dǎo)航存在的問(wèn)題 3）“北斗一代”存在的主要問(wèn)題接收機(jī)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的接收機(jī)也必須入網(wǎng)注冊(cè)，否則無(wú)法定位；接收機(jī)必須經(jīng)過(guò)特許部門(mén)的測(cè)試才有市場(chǎng)準(zhǔn)入；接收機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)局面很難打開(kāi)；接收機(jī)電磁待機(jī)時(shí)間短，很難用于長(zhǎng)時(shí)間野外導(dǎo)航定位與通訊；BD跟蹤站只限在境內(nèi)，于是軌道精度也受限。,2.3 衛(wèi)星導(dǎo)航,衛(wèi)星導(dǎo)航存在的問(wèn)題 3）“北斗二代”面臨的挑戰(zhàn)必須解決

38、防欺騙、防干擾、兼容性、互操作、降低發(fā)射功率等問(wèn)題；需解決全球跟蹤問(wèn)題。,2.4 天文導(dǎo)航,天文導(dǎo)航的基本概念與原理根據(jù)天體來(lái)測(cè)定飛行器位置和航向的導(dǎo)航技術(shù)。即以天體為參考點(diǎn)，確定飛行器在空中的真航向。天體的坐標(biāo)位置和它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是已知的，測(cè)量天體相對(duì)于飛行器參考基準(zhǔn)面的高度角和方位角就可以計(jì)算出飛行器的位置和航向。星體跟蹤器望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)天體方向可以測(cè)出飛行器前進(jìn)方向（縱軸）與天體方向（即望遠(yuǎn)鏡軸線方向）之間的夾角（稱(chēng)為航向角）。

39、天體任一瞬間相對(duì)于子午線的夾角（即天體方位角）已知，天體方位角減去航向角即得飛行器的真航向。,2.4 天文導(dǎo)航,天文導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)天文導(dǎo)航系統(tǒng)是自主式系統(tǒng)，不需要地面設(shè)備；不受人工或自然形成的電磁場(chǎng)的干擾；不向外輻射電磁波，隱蔽性好；定向、定位精度高，定位誤差不隨時(shí)間累積。因而天文導(dǎo)航得到廣泛應(yīng)用，并將在未來(lái)的深空探測(cè)中發(fā)揮更加廣泛的作用。,2.5 組合導(dǎo)航,需求為了提高對(duì)動(dòng)態(tài)載體運(yùn)動(dòng)目標(biāo)（導(dǎo)彈、飛機(jī)、衛(wèi)星、坦克、車(chē)輛、艦船等）

40、的跟蹤精度或?qū)?dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)精度，需要多傳感器的組合導(dǎo)航。單一傳感器提供的信息很難滿足目標(biāo)跟蹤或狀態(tài)估計(jì)的精度要求，采用多個(gè)傳感器進(jìn)行組合導(dǎo)航，并將多類(lèi)信息按某種最優(yōu)融合準(zhǔn)則進(jìn)行最優(yōu)融合，可望提高目標(biāo)跟蹤或狀態(tài)估計(jì)的精度。多傳感器組合導(dǎo)航（多星座衛(wèi)星組合、衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航的組合等）成為導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。,2.5 組合導(dǎo)航,衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航的組合需求盡管衛(wèi)星定位系統(tǒng)具有較高精度和較低的成本，且具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性。但衛(wèi)星導(dǎo)航不

41、能完全擺脫衛(wèi)星信號(hào)受遮擋而不能實(shí)施導(dǎo)航的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)載體通過(guò)遂道或行駛在高聳的樓群間的街道時(shí)，存在信號(hào)盲區(qū)。INS由于具有全天候、完全自主、不受外界干擾、可以提供全導(dǎo)航參數(shù)（位置、速度、姿態(tài)）等優(yōu)點(diǎn)，是目前最主要的導(dǎo)航系統(tǒng)之一。INS有一個(gè)致命的缺點(diǎn)：導(dǎo)航定位誤差隨時(shí)間積累。,2.5 組合導(dǎo)航,衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航的組合優(yōu)勢(shì)可發(fā)現(xiàn)并標(biāo)校慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差，提高導(dǎo)航精度。彌補(bǔ)衛(wèi)星導(dǎo)航的信號(hào)缺損問(wèn)題，提高導(dǎo)航能力。提高衛(wèi)星導(dǎo)航載波相位的模糊度

42、搜索速度，提高信號(hào)周跳的檢測(cè)能力，提高組合導(dǎo)航的可靠性。可以提高衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲能力，提高整體導(dǎo)航效率。增加觀測(cè)冗余度，提高異常誤差的監(jiān)測(cè)能力，提高系統(tǒng)的容錯(cuò)功能。提高導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力，提高完好性。,第四章 主要內(nèi)容,傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng)2. 飛行器導(dǎo)航系統(tǒng)3. 飛行器控制系統(tǒng)4. 其他機(jī)載設(shè)備,3.1 飛行器控制系統(tǒng)的作用,改變飛行器的姿態(tài)或空間位置,3.1 飛行器控制系統(tǒng)的作用,抗干擾──

43、即飛行器受干擾作用時(shí)，控制器可保持飛機(jī)的姿態(tài)或位置不變。,3.2 實(shí)現(xiàn)飛行器控制的方法,通過(guò)改變飛行器上施加的力和力矩完成對(duì)于航空器，主要飛行器上的控制面偏轉(zhuǎn)改變空氣動(dòng)力與力矩（質(zhì)心運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)是耦合的）對(duì)于航天器，主要靠軌控和姿控系統(tǒng)完成（質(zhì)心運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)是解耦的）本節(jié)主要講述飛機(jī)的控制系統(tǒng),3.2 實(shí)現(xiàn)飛行器控制的方法,如何改變飛機(jī)上施加的力和力矩 靠飛機(jī)上的控制面偏轉(zhuǎn)改變空氣動(dòng)力與力矩,,,,,滾轉(zhuǎn)

44、軸,俯仰軸,偏航軸,3.2 實(shí)現(xiàn)飛行器控制的方法,在飛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一般將飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)解耦為縱向運(yùn)動(dòng)和橫向運(yùn)動(dòng),3.2 實(shí)現(xiàn)飛行器控制的方法,飛機(jī)的縱向操縱 飛機(jī)的縱向運(yùn)動(dòng)決定了飛機(jī)的飛行高度和飛行距離，是飛行運(yùn)動(dòng)控制最關(guān)心的部分 飛機(jī)在飛行過(guò)程中，操縱升降舵，飛機(jī)就會(huì)繞著俯仰軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生俯仰運(yùn)動(dòng),3.2 實(shí)現(xiàn)飛行器控制的方法,飛機(jī)的橫向運(yùn)動(dòng)在飛機(jī)飛行過(guò)程中，操縱方向舵，飛機(jī)則繞偏航軸轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生偏航運(yùn)動(dòng)。在飛機(jī)

45、飛行過(guò)程中，操縱副翼，飛機(jī)便繞著滾轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。,,3.2 實(shí)現(xiàn)飛行器控制的方法,控制器,執(zhí)行系統(tǒng),飛機(jī),傳感器,,,,,,,,,,,y,-,r,+,是一種反饋控制,操控系統(tǒng),3.3 飛行器操控系統(tǒng),根據(jù)舵面操控方式，飛機(jī)的操控系統(tǒng)分為機(jī)械操控系統(tǒng)電傳操控系統(tǒng),3.3 飛行器操控系統(tǒng),機(jī)械操控系統(tǒng),3.3 飛行器操控系統(tǒng),電傳操控系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：體積小，質(zhì)量輕；消除了機(jī)械操縱系統(tǒng)的間隙和彈性變形；易與其它電子設(shè)備交

46、聯(lián)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制缺點(diǎn)：故障率高。解決方式：大多采用多余度技術(shù),3.4 飛行器自動(dòng)控制系統(tǒng),自動(dòng)控制系統(tǒng)（自動(dòng)駕駛儀）是現(xiàn)代飛行器的主要機(jī)載設(shè)備作用幫助飛行員完成預(yù)定航線的飛行完成復(fù)雜氣象條件下的起飛、著陸其他復(fù)雜的飛行任務(wù),3.4 飛行器自動(dòng)控制系統(tǒng),人操縱飛機(jī)的過(guò)程 通過(guò)飛行員看儀表——大腦判斷——手腳動(dòng)作——調(diào)整飛機(jī)。在大腦中實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋的過(guò)程，這是一個(gè)反饋系統(tǒng)即為閉環(huán)系統(tǒng)。,3.4 飛行器自動(dòng)控制

47、系統(tǒng),自動(dòng)飛行過(guò)程,,3.5 飛行器控制系統(tǒng)的基本回路,1、舵回路（又稱(chēng)小回路）（伺服回路）舵回路：由舵機(jī)的輸出端反饋到輸入信號(hào)端（用以控制舵面）構(gòu)成的回路。,3.5 飛行器控制系統(tǒng)的基本回路,1、舵回路（又稱(chēng)小回路）（伺服回路）組成：放大器、舵機(jī)、反饋元件（作用是改善舵回路特性）分類(lèi)：隨反饋形式的不同可分成三類(lèi)舵回路負(fù)載：舵面的慣量，和作用在舵面上的氣動(dòng)力矩（鉸鏈力矩）。,3.5 飛行器控制系統(tǒng)的基本回路,1、舵回路（又

48、稱(chēng)小回路）（伺服回路）比例式：由位置傳感器將舵面角位置信號(hào)反饋到舵回路的輸入端，使控制信號(hào)與舵偏角一一對(duì)應(yīng)。積分式：用測(cè)速機(jī)測(cè)出舵面偏轉(zhuǎn)的角速度，反饋給放大器以增大舵回路的阻尼，改善舵回路的性能。均衡式：比例積分，是上述兩種方式優(yōu)點(diǎn)的總和。,3.5 飛行器控制系統(tǒng)的基本回路,2、穩(wěn)定回路穩(wěn)定回路：舵回路加上敏感元件和放大計(jì)算裝置組成自動(dòng)駕駛儀，并與飛機(jī)組成的新回路。作用：穩(wěn)定飛機(jī)的姿態(tài)（或穩(wěn)定飛機(jī)的角速度）,3.5 飛行

49、器控制系統(tǒng)的基本回路,3、控制回路（又稱(chēng)控制與導(dǎo)引回路，簡(jiǎn)稱(chēng)制導(dǎo)回路） 這個(gè)回路是完成對(duì)飛機(jī)重心軌跡控制的回路，它是以穩(wěn)定回路為內(nèi)回路。飛機(jī)重心位置的改變是通過(guò)控制飛機(jī)角運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。,3.6 著陸控制系統(tǒng),飛機(jī)著陸過(guò)程,3.6 著陸控制系統(tǒng),儀表著陸系統(tǒng)航向信標(biāo)：與跑道中心線相垂直的無(wú)線電方向航道信號(hào)下滑信標(biāo)：與跑道成 一定仰角的無(wú)線電下滑航道信號(hào)指點(diǎn)信標(biāo)：提供至跑道端頭距離的地標(biāo)位置信號(hào),3.6 著陸控制系統(tǒng),儀表著陸系統(tǒng),

50、3.6 著陸控制系統(tǒng),微波著陸系統(tǒng)以很窄的薄片形波束在一定范圍內(nèi)來(lái)回掃描，飛機(jī)通過(guò)兩次收到信號(hào)的時(shí)間間隔計(jì)算出自己的方位和仰角。,航向掃描,俯仰掃描,第四章 主要內(nèi)容,傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng)2. 飛行器導(dǎo)航系統(tǒng)3. 飛行器控制系統(tǒng)4. 其他機(jī)載設(shè)備,4.1 雷達(dá)設(shè)備,雷達(dá)工作原理通過(guò)天線發(fā)射無(wú)線電波并接收被測(cè)物體的回波來(lái)確定目標(biāo)的位置和速度。無(wú)源回答雷達(dá)僅接收自身發(fā)射電波的回波有源回答雷達(dá)目標(biāo)接收到電波后主

51、動(dòng)向雷達(dá)發(fā)射應(yīng)答信號(hào),4.1 雷達(dá)設(shè)備,脈沖雷達(dá)的距離分辨率 脈沖寬度X光速/2雷達(dá)的角度分辨率（可分辨物體的大小） 與雷達(dá)的天線直徑成正比，與波長(zhǎng)成反比,提高角度分辨率,增大天線直徑,減小波長(zhǎng),,,,,4.1 雷達(dá)設(shè)備,合成孔徑雷達(dá)利用天線與被測(cè)目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng),雷達(dá)孔徑=BD,4.1 雷達(dá)設(shè)備,相控陣?yán)走_(dá),,小天線,4.2 防護(hù)和救生系統(tǒng),座艙環(huán)境控制系統(tǒng) 包括氧氣供給

52、系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、氣壓控制系統(tǒng)等個(gè)人防護(hù)系統(tǒng) 包括飛行服、抗過(guò)載服、氧氣面罩頭盔等設(shè)備彈射救生系統(tǒng),4.2 防護(hù)和救生系統(tǒng),彈射救生系統(tǒng)工作過(guò)程,4.2 防護(hù)和救生系統(tǒng),航天救生設(shè)備 1、發(fā)射段,4.2 防護(hù)和救生系統(tǒng),航天救生設(shè)備 2、在軌運(yùn)行段 終止任務(wù)，提前返回 發(fā)射營(yíng)救飛船,4.2 防護(hù)和救生系統(tǒng),航天救生設(shè)備 3、返回段 多系統(tǒng)備份（多個(gè)制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、多個(gè)降落傘等）,