飞行器惯性导航控制系统设计仿真平台实现方案.doc

飞行器惯性导航控制系统设计仿真平台实现方案恒润科技有限公司
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2005年07月07日
目录
1 概述 1
2 惯性导航控制系统设计仿真平台建设 2
控制系统开发流程 2
飞行器惯导控制系统设计需求 5
飞行器惯导控制系统解决方案 7
技术管理平台 20
3 方案总结 21
概述
惯性导航是一种自主式的导航方法。它完全依靠载体设备自主地完成导航任务,和外界不发生任何光、电联系。因此隐蔽性好,工作不受环境条件的限制。这一独特优点,使其成为航天航空和航海领域中的一种广泛使用的主要导航方式。
从力学原理来看,所有种类惯性导航都是从测量加速度开始,经过积分计算,求得运载器的速度和位置,用以满足运载器的导航和制导要求。由于使用对象和所用元件以及其他技术条件的不同,在具体实现上有所差别。因此,惯导系统有各种不同的分类方法。
以使用对象来看,惯导系统可以分为以下几类。
航空惯导系统:主要指飞机和近似于飞机的巡航导弹上使用的惯性导航系统,其基本特点是要满足飞机各种机动状态的要求,如果有平台系统,一般需要四环平台,质量、体积要小,工作时间较长;
航海惯导系统:主要用于舰艇导航的惯性系统,其基本特点是精度高、可靠性好,不要求具有翻斤斗机动能力,体积质量较大,能长时间连续工作;
航宇惯导系统:主要特点是满足空间飞行的大过载或高可靠性要求,一般工作时间不很长,有时对体积和质量具有特殊限制;
陆用惯导系统:主要用在战车或其他如大地测量等专用车辆上。这类惯导系统一般承受的过载不一定很大,但对于大地测量定位系统,要求具有很高的精度。
以惯导系统中有无惯性平台为依据,惯导系统可分为两类。
平台式惯导系统。主要特征是具有由稳定回路隔离使其不受运载器机动干扰的影响。平台式惯性导航系统利用陀螺的定轴性和进动性,通过万向环架、稳定电机、伺服放大器等元部件所构成的机械、电器系统,把加速度计的敏感轴保持在一定参考坐标系中。由于平台不跟随运载器转动,陀螺的动态范围可以比较小,并且由于有稳定回路隔离运载器的机动干扰,易于保证系统的工作精度。
捷联式惯导系统:系统中陀螺仪和加速度计直接与运载器固连,它的各种导航和制导信息都是由计算机提供的,由计算机来完成惯导平台的功能,有时也称作“数学平台”。这种系统中的陀螺仪和加速度计要与运载器一起转动,因而动态范围要比平台式系统大得多。由于没有平台,系统结构简单,工作可靠。
本报告主要结合航空航天用的惯导系统需求,介绍航空航天飞行器惯性导航控制系统的设计仿真平台的实现方案。对于其他类型的惯导系统,由于其基本原理相同,也可以借鉴参照来实现。
飞行器的主要运动特点是经常需要进行大范围机动(包括质心机动和姿态机动),因此惯导系统需要对飞行器的位置、速度和姿态进行高精度的解算,并通过控制系统的作用,来保证飞行器可靠地完成相应的机动飞行任务。
惯性导航控制系统设计仿真平台建设
无论是平台式惯导系统还是捷联式惯导系统,都需要有一套控制系统来保证惯导系统功能的实现。这里所说的控制系统可以是平台式惯导系统的平台稳定控制和姿态控制系统,也可以是捷联惯导系统中的姿态控制系统(捷联惯导系统中没有平台,因而不存平台的稳定问题)。
控制系统的开发流程,依赖于相应的开发平台的支撑。传统的开发流程由于算法开发、软件设计、硬件设计、测试和实验相对独立,结合不够紧密,因而需要的人员较多,开发时间和周期较长,相应的开发成本较高。随着新的开发工具的出现,基于先进的开发平台上进行的开发工作,流程简单,很多设计环节能够借助于工具自动实现,节省了开发人员,能够基于设计平台进行仿真测试和实时测试,可以大大减少实际的测试和实验次数,保证产品投产或硬件产品的快速实现,从而极大地节省了开发费用,并且提高了工作效率,加快设计周期。同时,由于该平台的建设是基于完整的系统设计流程的,因此在平台建设上也需要考虑完善的管理和测试手段,在本方案中将考虑采用基于文档的(比基于数据库的管理方式简化)需求管理工具和模型、代码测试环境。
控制系统开发流程
传统的控制系统开发流程,一般包括以下典型步骤:
根据调查情况用文字说明的方式定义需求和设计目标
根据过去的经验提出系统的结构
由硬件人员设计并制造硬件电路
由控制工程师设计控制方案,并将控制规律用方程的形式描述出来
由软件人员采用手工编程的方式实现控制规律
由系统工程师或电子专家将代码集成于硬件电路中
用真实控制对象或测试台对系统进行测试
由上述过程可以看出,传统的开发方法存在如下几个方面的问题。
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