[科普中国]-空间基准导航数据

定义

空间基准导航数据是在惯性空间坐标系下表示的导航数据。1

常用坐标系在地球表面附近运动的载体不论是飞机、舰船、还是车辆，最重要的是要知道它们相对地球的地理位置和相对于地理坐标系的方向及水平姿态角，因此必须在运动物体上获得一个地理坐标系或一个惯性坐标系。陀螺仪最重要的功用之一就是用它在载体上模拟地理坐标系或惯性坐标系。在惯性技术领域中常用的坐标系有以下几种：

（1）地心惯性坐标系(简称i系，xyz轴)一原点在地球中心，它不参与地球自转，Z轴沿地轴指向北极，x、y轴在赤道平面内正交，X轴指向春分点。三个坐标轴指向惯性空间固定不动。这个坐标系是惯性仪表测量的参考基准。

（2）地球坐标系(简称e系，xyz轴)一一地球坐标系是指固连在地球上的坐标系，原点在地球中心，它相对惯性坐标系以地球自转角速率旋转。Z轴和沿地轴指向北极，X轴在赤道平面内指向格林威治子午线，Y轴在赤道平面内指向东经90度的方向。

（3）地理坐标系(简称g系，xyz轴)一一原点在载体重心，X轴指向东，Y轴指向北，Z轴沿地垂线指向天。有的导航系也采用北西天或北东地作为地理坐标系的轴向。轴向的确定与沿用习惯、使用方便以及地处东半球还是西半球有关。从导航计算方便的意义上讲，差别是不大的。

（4）机体坐标系(简称b系，xyz轴)一一机体坐标系与载体固连，原点在载体的重心，气轴指向载体的纵轴方向，Z轴指向载体的竖轴方向，X轴指向载体的右侧。机体坐标系相对地理坐标系的方位为载体的姿态角。

（5）计算坐标系(简称c系，xyz轴)一一惯导系统利用自身计算的载体位置来描述导航坐标系时，坐标系因惯导系统有位置误差而产生误差，这种坐标系称为计算坐标系。它是计算机认为的当地地理坐标系，和真实的当地地理坐标系有小角度的误差，一般在描述惯导误差和推导惯导误差方程时有用。

（6）平台坐标系(简称p系，xyz轴)一一原点在载体的重心，它是根据测量和计算需要，用惯性系统模拟的一种基准坐标系。在平台式指北惯导系统中，它指的是平台指向的坐标系，与平台固连，模拟的是地理坐标系。在捷联式惯导系统中，它指的是“数学平台”，通过存储在计算机中的姿态矩阵实现。平台坐标系是用来模拟导航坐标系的，如果平台无误差，指向正确，则这样的平台坐标系称为理想平台坐标系。

（7）导航坐标系(简称n系，xyz轴)一一导航坐标系是惯导系统在求解导航参数时所采用的坐标系。通常，它与系统所在的位置有关。对平台式惯导系统而言理想的平台坐标系就是导航坐标系。例如，指北系统的平台理想指向为地理坐标系，此时，地理坐标系也是指北系统的导航坐标系。对捷联惯导系统来说，导航参数并不在载体坐标系中求解，它必须将加速度计信号分解到某个求解导航参数较为方便的坐标系(对于指北系统来说就是地理坐标系)内，再进行导航计算，此坐标系就是导航坐标系。

导航数据捷联惯导仿真系统需要五组共十五个飞行轨迹数据，这些数据可以分为两类：飞行姿态数据（姿态角、姿态角转动速率）、航迹数据（位置、速度、加速度）。

位置：当地纬度，当地经度，当地高度。

当地地理坐标系下的载体相对于地球坐标系的速度：东向速度，北向速度，垂直（天向）速度。

当地地理坐标系下的载体相对于地球坐标系的加速度：东向加速度，北向加速度，垂直（天向）加速度。

姿态角：航向角，俯仰角，横滚角。

机体坐标系下机体坐标系相对于地理坐标系的转动角速率：X轴向角速率，Y轴向角速率，Z轴向角速率。

实际飞行时，两类数据的变化是有关联的。这里为了简化建模，认为两类数据按照各自独立的规律变化，两者之间的变化没有关系。在这样的假设前提下，可以很方便地用数学公式产生出任意时刻的精确的理想飞行轨迹数据。2