長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院教案授課主題無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)授課班級授課教師地點課時/累計審核/日期批準(zhǔn)/日期無人機(jī)2001~3班于明清1-4014-305Z-505Z-5072/502/52\配套課件號511414-KJ-02-R1教案版本號R1教學(xué)目標(biāo)/考核要素素質(zhì)目標(biāo)知識目標(biāo)能力目標(biāo)（1）具有耐心細(xì)致、精益求精的工作態(tài)度，養(yǎng)成科學(xué)務(wù)實的工作作風(fēng)；（2）具有工程質(zhì)量意識和工作規(guī)范意識，養(yǎng)成良好的職業(yè)行為習(xí)慣；（3）具有吃苦耐勞、團(tuán)結(jié)協(xié)作、勇于創(chuàng)新的精神；（4）具有良好的心理素質(zhì)和一定的社會交往能力；（5）堅守敬仰航空、敬重裝備、敬畏生命的航修文化；（6）堅持無缺陷、零差錯的職業(yè)素養(yǎng)。(1)熟悉慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的概念(2)了解衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航原理和結(jié)構(gòu)(3)了解組合導(dǎo)航技術(shù)的基本概念(1)了解慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(2)熟悉衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其構(gòu)成(3)了解組合導(dǎo)航的基本知識航空維修職業(yè)素養(yǎng)、機(jī)務(wù)作風(fēng)教育以及課程思政要素1.導(dǎo)航系統(tǒng)：作用、分類、新技術(shù)；正確的人生觀念，；2.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)：克服困難，創(chuàng)新精神、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致作風(fēng)，目的明確。3.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：合作精神，嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致吧，遵紀(jì)守法。重點、難點及其解決方法重點：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)難點：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)解決方法:理實結(jié)合，由特殊到一般。教學(xué)過程設(shè)計概述1序號教學(xué)環(huán)節(jié)主題內(nèi)容信息化資源時間教學(xué)方法1考勤管理考勤。5min2課程回顧多旋翼無人機(jī)的控制10min問答法3講授內(nèi)容1慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理及構(gòu)成專業(yè)資源庫25min講授法4講授內(nèi)容2慣導(dǎo)系統(tǒng)的分類及特點專業(yè)資源庫25min對比法5教學(xué)活動慣導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用20min討論法6課堂小結(jié)總結(jié)布置作業(yè)5min21考勤管理考勤5m2課程回顧慣性導(dǎo)航系統(tǒng)15m問答法3講授內(nèi)容1衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的原理專業(yè)資源庫35m講授法4講授內(nèi)容2衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)成專業(yè)資源庫30m講授法5小結(jié)總結(jié)5m概述法

學(xué)過程備注纖維的性能表征450min1主題內(nèi)容一：課程回顧考勤管理回顧上堂課程的主要內(nèi)容：多旋翼無人機(jī)控制的概念PID控制自動飛行15min主題內(nèi)容二：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)是是各類運動器（包括飛機(jī)、艦船、航天器，甚至汽車）必不可缺少的子系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)的主要作用是：“定位”、“目的地選擇”、“路徑計算”和“路徑指導(dǎo)”，有的還具有授時功能。對無人機(jī)而言，導(dǎo)航系統(tǒng)更是無人機(jī)能否完成任務(wù)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。２慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS：InertialNavigationSystem）是利用慣性測量元件（IMU）測量載體相對于慣性空間的運動參數(shù)，并經(jīng)過計算后實施導(dǎo)航任務(wù)的。通常對于靠近地球表面航行的飛機(jī)來說，最主要的導(dǎo)航信息是相對地球的即時位置和即時速度。研究三維導(dǎo)航時，表述空間位置的參數(shù)是經(jīng)度（λ）、緯度（φ）和離地高度（H），正好對應(yīng)地理坐標(biāo)系沿東向（E）、北向（N）和天向（U）三個方向上的距離。而測量這些參數(shù)的最基本信息源是飛機(jī)的加速度矢量。加速度可以由加速度計測量。由加速度計測量載體的加速度，并在給定運動初始條件下，由導(dǎo)航計算機(jī)算出載體的速度、距離和位置（經(jīng)度、緯度和高度）；由陀螺儀測量載體的角運動，并經(jīng)轉(zhuǎn)換、處理，輸出載體的姿態(tài)角和航向。位置信息可由以下公式來計算：加速度a由加速度計測量提供，速度V和距離Ｓ可分解為飛機(jī)的東、北、天三個方向的分量。２慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本組成通過對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的描述可知，一個完整的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)包括以下幾個主要部分：加速度計用于測量飛機(jī)運動的加速度，一般應(yīng)由三個加速度計完成東、北、天三個方向的測量。穩(wěn)定平臺為加速度計提供一個準(zhǔn)確的安裝基準(zhǔn)和測量基準(zhǔn)，以保證不管飛機(jī)作什么樣的機(jī)動飛行，三個加速度計的空間指向是不變的。。導(dǎo)航計算機(jī)用于進(jìn)行積分、相加、乘除和三角函數(shù)等數(shù)學(xué)計算。控制顯示器一個功用是向計算機(jī)輸人飛機(jī)的初始運動參數(shù)和位置參數(shù)；另一個功用是顯示飛行過程中的導(dǎo)航參數(shù)；還可以進(jìn)行必要的控制操作，以實現(xiàn)慣性導(dǎo)航的更多功能。25min主題內(nèi)容三：慣導(dǎo)系統(tǒng)的分類及特點平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（簡稱平臺式慣導(dǎo)）核心部分是有一個實際的陀螺穩(wěn)定平臺，平臺上的三個實體軸，重現(xiàn)了所要求的東、北、天地理坐標(biāo)系三個軸向，它為加速度計提供了精確的安裝基準(zhǔn)，保證了三個加速度計測得的值正好是導(dǎo)航計算時所需的三個加速度分量。。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（簡稱捷聯(lián)式慣導(dǎo)），與平臺式慣導(dǎo)的主要區(qū)別就是不再有實體的陀螺穩(wěn)定平臺，加速度計和陀螺儀直接安裝在載體上?！捌脚_”這個概念和功能還是要有的，只是由導(dǎo)航計算機(jī)來實現(xiàn)，這時，關(guān)鍵問題是要將陀螺測量的繞機(jī)體的三個角速度，通過計算機(jī)實時計算，形成由機(jī)體坐標(biāo)系向類似實際平臺的平臺坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，即解出姿態(tài)矩陣表示式。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)有如下特點：慣性元件直接安裝在機(jī)體上，便于安裝維護(hù)和更換；慣性元件可直接給出機(jī)體線加速度和角速度信息，而這些信息是飛控系統(tǒng)所必須的；取消了機(jī)械平臺，減少了慣導(dǎo)系統(tǒng)中的機(jī)械零件，便于采用更多的慣性元件來實現(xiàn)余度技術(shù)，從而大大提高系統(tǒng)的可靠性；慣性元件的工作環(huán)境比平臺式慣導(dǎo)中的慣性元件要差，慣性元件誤差對系統(tǒng)誤差的影響要比平臺式慣導(dǎo)大。捷聯(lián)式慣導(dǎo)對慣性元件要求比平臺式慣導(dǎo)要高；用數(shù)學(xué)平臺取代機(jī)械平臺，增加了導(dǎo)航計算機(jī)的計算量，因機(jī)體姿態(tài)角的變化很快，可能達(dá)到400°/s，因此姿態(tài)計算必須有高速度的計算機(jī)。20min主題內(nèi)容四：慣導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展1942年，德國V-2火箭上，用兩個三自由度位置陀螺儀控制箭體的姿態(tài)和航向。20世紀(jì)50年代，液浮陀螺構(gòu)成的平臺式慣導(dǎo)開始在飛機(jī)、艦船上廣泛使用。20世紀(jì)60年代動力諧調(diào)式撓性陀螺研制成功。20世紀(jì)70年代靜電陀螺研制成功，采用高壓靜電場支承取代機(jī)械支撐，并先后在核潛艇和遠(yuǎn)程飛機(jī)上裝備靜電陀嫘平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代以后，以激光陀螺、光纖陀螺為代表的捷聯(lián)式慣導(dǎo)得到了極其飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。25min主題內(nèi)容五：課堂小結(jié)平臺慣導(dǎo)捷聯(lián)慣導(dǎo)主題內(nèi)容五：課后反思及后續(xù)改進(jìn)措施（手寫）2主題內(nèi)容一：考勤課程回顧考勤慣性導(dǎo)航系統(tǒng)15主題內(nèi)容二：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理GPS全球定位系統(tǒng)是由美國海、陸、空三軍和國防測繪局聯(lián)合研究、開發(fā)、建立的利用衛(wèi)星進(jìn)行定位、導(dǎo)航和時間傳遞的衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，其英文全稱為NavigationSatelliteTimingandRangingGlobPositionSystem（導(dǎo)航衛(wèi)星計時和測距全球定位系統(tǒng)），縮寫為NAVSTARGPS，簡稱GPS（全球定位系統(tǒng)）。1.偽距法定位全球定位系統(tǒng)采用多星高軌測距體制，以距離作為基本觀測量，通過對四顆衛(wèi)星同時進(jìn)行的偽距測量，即可歸算出按收機(jī)的位置，由于測距可在極短的時間內(nèi)完成（即定位是在極短的時間內(nèi)完成的），故可用于動態(tài)用戶。偽距法測距是GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星播發(fā)的偽隨機(jī)碼在所測距離上的延遲時間來推算出單程距離的，因此要求衛(wèi)星與接收機(jī)的時鐘嚴(yán)格同步。如果兩個時鐘不同步，那么所測量的傳播延遲時間中除了因衛(wèi)星至接收機(jī)之間的距離所引起的傳播延遲之外，還包含了兩個時鐘間的鐘差。全球定位系統(tǒng)采用統(tǒng)一的原子時鐘系統(tǒng)，以t表示。所觀測的第j顆衛(wèi)星時鐘的鐘面時以tj表示，接收機(jī)時鐘的鐘面時以tR表示，由于衛(wèi)星鐘與接收機(jī)鐘與GPS原子時不同步，其鐘差分別為設(shè)自j衛(wèi)星發(fā)播的時刻為ts，接收機(jī)所接收的時刻為tr。顯然信號傳播延遲的時河為τ=tr-ts，故得衛(wèi)星至按收機(jī)的距離為式中x、y、z—接收機(jī)在所采用的地球坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)值；xj、yj、zj—衛(wèi)星在同一坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，它們可自衛(wèi)星發(fā)播導(dǎo)航電文中衛(wèi)星位置信息經(jīng)計算得到。只要對四顆衛(wèi)星同時進(jìn)行觀測，即可解出上述四個參數(shù)，這就是GPS偽距法定位。2.載波相位法定位觀測GPS衛(wèi)星發(fā)射的載波相位，測量接收機(jī)所接收的衛(wèi)星載波信號與本地參考信號的相位差。設(shè)k接收機(jī)在接收機(jī)鐘面時為Tk時，本地參考信號的相位值為Φk(Tk)所接收的j衛(wèi)星載波信號的相位為Φkj(Tk)，則其相位觀測量為根據(jù)需要，經(jīng)解算便可得到待測點的坐標(biāo)。3.差分GPS定位設(shè)有A、Ｂ兩點，且A點選在一控制點，其坐標(biāo)（ｘＡ，yＡ）為一已知精確值，B點為待惻點，其精確坐標(biāo)（ｘＢ，yＢ）需通過測量來確定。現(xiàn)分別在A、B兩點各放一臺GＰＳ接收機(jī)，同時接收處手最佳態(tài)的四顆衛(wèi)星發(fā)射的信號進(jìn)行定位，設(shè)Ａ、B兩點的坐標(biāo)測量值分別為ｘＡ測，yＡ測和ｘＢ測，yＢ測。由于地面Ａ、B兩點間的距離僅為幾至幾十干米，而衛(wèi)星至地球的距離為2萬多干米，因此在同一時刻四顆衛(wèi)星對地面兩測點的系統(tǒng)隨機(jī)誤差應(yīng)基本一致。可得A點坐標(biāo)的測量值與精確值之差ｘＡ測－ｘＡ＝△ｘＡｙＡ測－ｙＡ＝△ｙＡ△ｘＡ與△ｙＡ即為系統(tǒng)在某一時刻的隨機(jī)誤差。B點的精確坐標(biāo)應(yīng)為ｘＢ＝ｘＢ測－△ｘＡｙＢ＝ｙＢ測－△ｙＡ35min主題內(nèi)容三：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)成全球定位系統(tǒng)由星座（導(dǎo)航衛(wèi)星）、地面監(jiān)控系統(tǒng)和用戶接收機(jī)三個部分組成。星座由均勻分布在六個近圓形軌道上的24顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備份衛(wèi)星紐成。地面監(jiān)控系統(tǒng)包括五個監(jiān)測站、三個注人站和一個主控站。監(jiān)測站連續(xù)對每顆衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤觀測，并將測得的數(shù)據(jù)迸行預(yù)處理后傳送給主控站。主控站根據(jù)各監(jiān)測站的觀測數(shù)據(jù)計算衛(wèi)星的星歷、鐘差修正參數(shù)，并將計算結(jié)果傳送給注入站，注人站每天當(dāng)每顆衛(wèi)星運行到它的上空時，再將這些數(shù)據(jù)注人