惯导 惯性导航 系统

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1、 北京七维航测科技股份有限公司 Beijing SDi Science Technology Co Ltd 惯导惯导 惯性导航系统惯性导航系统 概述概述 惯性导航系统 INS 以下简称惯导 是一种不依赖于外部信息 也不向外部辐射能量的自主式导航系 统 其工作环境不仅包括空中 地面 还可以在水下 惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础 通 过测量载体在惯性参考系的加速度 将它对时间进行积分 且把它变换到导航坐标系中 就能够得到在导 航坐标系中的速度 偏航角和位置等信息 惯性导航系统 英语 INS 惯性导航系统是以陀螺和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统 该系 统根据陀螺的输出建立导航坐标系

2、根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置 运用领域运用领域 现代惯性技术在各国政府雄厚资金的支持下 己经从最初的军事应用渗透到民用领域 惯性技术在国 防装备技术中占有非常重要的地位 对于惯性制导的中远程导弹 一般说来命中精度 70 取决于制导系统 的精度 对于导弹核潜艇 由于潜航时间长 其位置和速度是变化的 而这些数据是发射导弹的初始参数 直接影响导弹的命中精度 因而需要提供高精度位置 速度和垂直对准信号 目前适用于潜艇的唯一导航 设备就是惯性导航系统 惯性导航完全是依靠运载体自身设备独立自主地进行导航 不依赖外部信息 具 有隐蔽性好 工作不受气象条件和人为干扰影响的优点 而且精

3、度高 对于远程巡航导弹 惯性制导系统 加上地图匹配技术或其它制导技术 可保证它飞越几千公里之后仍能以很高的精度击中目标 惯性技术己 经逐步推广到航天 航空 航海 石油开发 大地测量 海洋调查 地质钻控 机器人技术和铁路等领域 随着新型惯性敏感器件的出现 惯性技术在汽车工业 医疗电子设备中都得到了应用 因此惯性技术不仅 在国防现代化中占有十分重要的地位 在国民经济各个领域中也日益显示出它的巨大作用 北京七维航测科技股份有限公司 Beijing SDi Science Technology Co Ltd 导航和惯导导航和惯导 从广义上讲从起始点将航行载体引导到目的地的过程统称为导航 从狭义上讲导航

4、是指给航行载体提 供实时的姿态 速度和位置信息的技术和方法 早期人们依靠地磁场 星光 太阳高度等天文 地理方法 获取定位 定向信息 随着科学技术的发展 无线电 导航 惯性导航和卫星导航等技术相继问世 在军事 民用等领域广泛应用 其中 惯性导航是使用装载在运载体上的陀螺仪和加速度计来测定运载体姿态 速 度 位置等信息的技术方法 实现惯性导航的软 硬件设备称为惯性导航系统 简称惯导系统 SINS 捷联式惯性导航系统捷联式惯性导航系统 Strap down Inertial Navigation System 简写 SINS 是将加速度计和陀螺仪直 接安装在载体上 在计算机中实时计算姿态矩阵 即计算

5、出载体坐 标系与导航坐标系之间的关系 从而把 载体坐标系的加速度计信息转换为导航坐标系下的信息 然后进行导航计算 由于其具有可靠性高 功能 强 重量轻 成本低 精度高以及使用灵活等优点 使得 SINS 已经成为当今惯性导航系统发展的主流 捷联惯性测量组件 Inertial Measurement Unit 简写 IMU 是惯导系统的核心组件 IMU 的输出信息的精度 在很大程度上决定了系统的精度 北京七维航测科技股份有限公司 Beijing SDi Science Technology Co Ltd 惯导结构部件惯导结构部件 陀螺仪和加速度计是惯性导航系统中不可缺少的核心测量器件 现代高精度的

6、惯性导航系统对所采用 的陀螺仪和加速度计提出了很高的要求 因为陀螺仪的漂移误差和加速度计的零位偏值是影响惯导系统精 度的最直接的和最重要的因素 因此如何改善惯性器件的性能 提高惯性组件的测量精度 特别是陀螺仪 的测量精度 一直是惯性导航领域研究的重点 激光陀螺面临的最大问题是其制造工艺比较复杂 因而造成成本偏高 同时其体积和重量也偏大 而 另一种光学陀螺 光纤陀螺不但具有激光陀螺的很多优点 而且还具有制造工艺简单 成本低和重量轻等特 点 目前正成为发展最快的一种光学陀螺 我国惯导技术我国惯导技术 我国的惯导技术近年来已经取得了长足进步 液浮陀螺平台惯性导航系统 动力调谐陀螺四轴平台系 统已相继

7、应用于长征系列运载火箭 其他各类小型化捷联惯导 光纤陀螺惯导 激光陀螺惯导以及匹配 GPS 修正的惯导装置等也已经大量应用于战术制导武器 飞机 舰艇 运载火箭 宇宙飞船等 如漂移率 0 01 0 02 h 的新型激光陀螺捷联系统在新型战机上试飞 漂移率 0 05 h 以下的光纤陀螺 捷联惯导 北京七维航测科技股份有限公司 Beijing SDi Science Technology Co Ltd 在舰艇 潜艇上的应用 以及小型化挠性捷联惯导在各类导弹制导武器上的应用 都极大的改善了我军装 备的性能 导航与惯导导航与惯导常规分类 常规分类 1 IMU Inertial Measurement U

8、nit 惯性测量单元惯性测量单元 陀螺和加速度 输出角速度和加速度值 2 VG vertical Gyroscope 垂直陀螺垂直陀螺输出的是在 IMU 基础上进行实践积分后得到的姿态 俯仰和横滚 角 度值 角速度单位是 S 角度单位是 3 AHRS Automatic Heading Reference System 姿态方位参考系统姿态方位参考系统中一般加了磁场计 相当于指南针 罗 盘 输出航向 姿态角度等值 4 NAV Navigation 组合导航系统组合导航系统 5 GPS INS Inertial Navigation System 紧耦合组合导航系统紧耦合组合导航系统 惯性传感器

9、术语惯性传感器术语 1 角速率陀螺参数指标角速率陀螺参数指标 1 测量范围 S 也称量程 指陀螺仪能测量正 反方向角速率的额定值范围 在此额定值范围内 陀螺仪刻度因数 非线性满足规定要求 2 刻度因数 mV S 也称灵敏度 指陀螺仪输出量与输入角速率的比值 该比值是根据整个输入角速率范围内测得的输 入 输出数据 通过最小二乘法拟合求出的直线的斜率 3 刻度因数非线性度 指在输入角速率范围内 陀螺仪输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大的偏差值与最大输出量之 比 4 零偏与零偏稳定性 V h 或 S 零偏是指陀螺仪在零输入状态下的输出 以规定时间内测得的输出量平均值来表示 零偏稳定性是衡量陀螺仪在

10、零输入状态下输出量围绕其均值 零偏 起伏和波动的离散程度 习惯 上用均方根 并以相应的 等效输入角速率表示 5 分辨力 S 表示陀螺仪在规定的输入角速率下能敏感的最小输入角速率增量 由该角速率增量所产生的输出增 量至少应等于按刻度因数所期望的输出增量值的 50 北京七维航测科技股份有限公司 Beijing SDi Science Technology Co Ltd 6 随机游走系数 RWC h1 2 指由白噪声产生的随时间累积的陀螺仪输出误差系数 7 带宽 Hz 指陀螺仪频率特性测试中 规定在测得的幅频特性的幅值降低 3dB 所对应的频率范围称为带宽 在 该范围内陀螺仪能够精确线性地测量输入的

11、角速率 8 输出噪声 mv 当陀螺仪处于零输入状态时 陀螺仪直流零偏值信号中的交流分量 mv rms 9 自检测 ST V 指陀螺仪在正常通电状态下 没有角速率输入时 自动检测陀螺仪结构和电路正常与否的手段 在 陀螺仪规定的电气接口 ST 供规定的电压后 在正常的输出端输出的电压值符合规定的 ST 响应电 压值范围时 则判该陀螺仪正常 10 温度传感器输出 UT V 指在陀螺仪内部独立地设置有高精密温度传感器 并一般给出温度传感器在常温下的零位电压值 V 和灵敏度 mV 11 平均无故障间隔时间 MTBF hr 指陀螺仪两次故障之间时间的平均值 hr 它是衡量陀螺仪使用可靠程度的可靠性指标 1

12、2 零偏置 零偏值是指陀螺仪在零输入状态下的输出电压不是零伏 而为偏离零伏的某一电压值 一般 MEMS 陀螺仪把零位调偏置为 2 5V 2 加速度计参数指标 加速度计参数指标 1 测量范围 g 也称量程 是指加速度计能测量正反方向线加速度的额定值范围 在此额定值范围内 加速度计刻 度因数非线性度满足规定要求 2 刻度因数 mV g 也称灵敏度 指加速度计输出量与输入线加速度的比值 3 刻度因数非线性度 指在输入线加速度范围内 加速度计输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大偏差值与最大输出量 之比 4 分辨力 mg 表示加速度计能敏感的最小输入线加速度值 北京七维航测科技股份有限公司 Beijin

13、g SDi Science Technology Co Ltd 5 带宽 Hz 指加速度计频率特性测试中 规定在测得的幅频特性的幅值降低 3dB 所对应的频率范围称为带宽 在该范围内加速度计能够精确线性地测量输入线加速度 6 输出噪声 mv 当加速度计处于零输入状态时 加速度计的直流零偏置信号中的交流分量 rms 称之为输出噪声 7 自检测 ST V 指加速度计在正常通电状态下 没有输入线加速度时 自动检测加速度计结构和电路正常与否的手 段 在加速度计规定的电气接口 ST 供规定的电压后 在正常的输出端输出的电压值符合规定的 ST 响应电压值范围时 则判该加速度计正常 8 温度传感器输出 UT V 指在加速度计内部独立地设置有高精密温度传感器 并一般给出温度传感器在常温下的零位电压值 V 和灵敏度 mv 9 平均无故障间隔时间 MTBF hr 指加速度计两次故障之间时间的平均值 hr 它是衡量加速度计使用可靠程度的可靠性指标