惯性导航系统的发展及应用

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1、 惯性导航系统的发展及应用绪论惯性导航是一门重要的学科技术，它是飞机、船舶、火箭等载体能顺利完成导航和控制任务的关键性技术之一。1942 年德国在 V-2 火箭上首次应用了惯性导航原理；1954 年纯惯性导航系统在飞机上试飞成功。30 余年来，惯性导航技术获得迅速发展。在我国惯性导航技术已在航空、航天、航海和陆地车辆的导航和定位中得到应用。1970 年以来，我过多次发射的人造地球卫星和火箭都采用了本国研制的惯性导航系统。不仅如此，70 多年以来，这门科学技术还在大地测量、海洋勘测、石油钻井、航空测量和摄影等国民经济领域里获得成功应用。惯性导航简介惯性导航（Inertial Navigation

2、）是 20 世纪中期发展起来的完自主式的导航技术。通过惯性测量组件（IMU）测量载体相对惯性空间的角速率和加速度信息，利用牛顿运动定律自动推算载体的瞬时速度和位置信息，具有不依赖外界信息、不向外界辐射能量、不受干扰、隐蔽性好的特点，且惯导系统能连续地提供载体的全部导航、制导参数（位置、线速度、角速度、姿态角）。惯性导航技术，包括平台式惯导系统和捷联惯导系统。平台式惯性导航系统将陀螺通过平台稳定回路控制平台跟踪导航坐标系在惯性空间的角速度。捷联惯性导航系统利用相对导航坐标系角速度计算姿态矩阵，把雷体坐标系轴向加速度信息转换到导航坐标系轴向并进行导航计算。惯 性 导 航 系 统 通 常 由 惯 性

3、 测 量 装 置 、 计 算 机 、控 制 显 示 器 等 组 成 。 惯 性 测 量 装 置 包 括 加 速 度 计 和 陀 螺 仪 ,又 称 惯 性 导 航 组 合 。 3 个自 由 度 陀 螺 仪 用 来 测 量 飞 行 器 的 三 个 转 动 运 动 ； 3 个 加 速 度 计 用 来 测 量 飞 行 器 的 3 个平 移 运 动 的 加 速 度 。 计 算 机 根 据 测 得 的 加 速 度 信 号 计 算 出 飞 行 器 的 速 度 和 位 置 数 据 。 控制 显 示 器 显 示 各 种 导 航 参 数 。 陀螺仪 陀螺仪是惯性系统的主要元件。陀螺仪通常是指安装在万向支架中高速旋

4、转的转子，转子同时可绕垂直于自转轴的一根轴或两根轴进动，前者称单自由度陀螺仪，后者称二自由度陀螺仪。陀螺仪具有定轴性和进动性，利用这些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角偏差的位置陀螺。由于光学、MEMS 等技术被引入于陀螺仪的研制，现在习惯上把能够完成陀螺功能的装置统称为陀螺。陀螺仪种类多种多样，按陀螺转子主轴所具有的进动自由度数目可分为二自由度陀螺仪和单自由度陀螺仪；按支承系统可分为滚珠轴承支承陀螺，液浮、气浮与磁浮陀螺，挠性陀螺（动力调谐式挠性陀螺仪），静电陀螺；按物理原理分为利用高速旋转体物理特性工作的转子式陀螺，和利用其他物理原理工作的半球谐振陀螺、微机械陀螺、环形激光陀螺和光纤陀

5、螺等。单自由度陀螺仪敏感角速度，二自由度陀螺仪敏感角位移。为了将角速度和角位移转换成惯性系统中可用的信号，陀螺仪需安装信号传感器。为了能控制陀螺仪按一定的规律进动，需安装力矩器。加速度计 加速度计是惯性导航系统的核心元件之一。依靠它对比力的测量，完成惯性导航系统确定载体的位置、速度以及产生跟踪信号的任务。载体加速度的测量必须十分准确地进行，而且是在由陀螺稳定的参考坐标系中进行。在不需要进行高度控制的惯导系统中，只要两个加速度计就可以完成以上任务，否则是应该有三个加速度计。加速度计的分类：按照输入与输出的关系可分为普通型、积分性和二次积分型；按物理原理可分为摆式和非摆式，摆式加速度计包括摆式积分

6、加速度计、液浮摆式加速度计和挠性摆式加速度计，非摆式加速度计包括振梁加速度计和静电加速度计；按测量的自由度可分为单轴、双轴、三轴；按测量精度可分为高精度（优于104m/s2）、中精度（10-2 m/s210-3 m/s2）和低精度（低于0.1m/s2 ）。平 台 式 惯 性 导 航 系 统 根 据 建 立 的 坐 标 系 不 同 ， 又 分 为 空 间 稳 定 和 本 地 水 平 两 种 工 作 方 式 。 空 间 稳 定 平 台式 惯 性 导 航 系 统 的 台 体 相 对 惯 性 空 间 稳 定 ， 用 以 建 立 惯 性 坐 标 系 。 地 球 自 转 、 重 力 加 速度 等 影 响

7、由 计 算 机 加 以 补 偿 。 这 种 系 统 多 用 于 运 载 火 箭 的 主 动 段 和 一 些 航 天 器 上 。 本 地水 平 平 台 式 惯 性 导 航 系 统 的 特 点 是 台 体 上 的 两 个 加 速 度 计 输 入 轴 所 构 成 的 基 准 平 面 能 够始 终 跟 踪 飞 行 器 所 在 点 的 水 平 面 （ 利 用 加 速 度 计 与 陀 螺 仪 组 成 舒 拉 回 路 来 保 证 ） ， 因 此加 速 度 计 不 受 重 力 加 速 度 的 影 响 。 这 种 系 统 多 用 于 沿 地 球 表 面 作 等 速 运 动 的 飞 行 器 （ 如飞 机 、 巡

8、航 导 弹 等 ） 。 在 平 台 式 惯 性 导 航 系 统 中 ， 框 架 能 隔 离 飞 行 器 的 角 振 动 ， 仪 表 工作 条 件 较 好 。 平 台 能 直 接 建 立 导 航 坐 标 系 ,计 算 量 小 ， 容 易 补 偿 和 修 正 仪 表 的 输 出 ,但 结 构 复 杂 ， 尺 寸 大 。捷 联 式 惯 性 导 航 系 统根 据 所 用 陀 螺 仪 的 不 同 ， 分 为 速 率 型 捷 联 式 惯 性 导 航 系 统 和 位 置 型 捷 联 式 惯 性 导 航系 统 。 前 者 用 速 率 陀 螺 仪 ， 输 出 瞬 时 平 均 角 速 度 矢 量 信 号 ； 后

9、者 用 自 由 陀 螺 仪 ， 输 出 角位 移 信 号 。 捷 联 式 惯 性 导 航 系 统 省 去 了 平 台 ， 所 以 结 构 简 单 、 体 积 小 、 维 护 方 便 ， 但 陀螺 仪 和 加 速 度 计 直 接 装 在 飞 行 器 上 ， 工 作 条 件 不 佳 ， 会 降 低 仪 表 的 精 度 。 这 种 系 统 的 加速 度 计 输 出 的 是 机 体 坐 标 系 的 加 速 度 分 量 ， 需 要 经 计 算 机 转 换 成 导 航 坐 标 系 的 加 速 度 分量 ， 计 算 量 较 大 。 为 了 得 到 飞 行 器 的 位 置 数 据 ， 须 对 惯 性 导 航

10、系 统 每 个 测 量 通 道 的 输 出 积 分 。 陀 螺 仪的 漂 移 将 使 测 角 误 差 随 时 间 成 正 比 地 增 大 ， 而 加 速 度 计 的 常 值 误 差 又 将 引 起 与 时 间 平 方成 正 比 的 位 置 误 差 。 这 是 一 种 发 散 的 误 差 （ 随 时 间 不 断 增 大 ） ， 可 通 过 组 成 舒 拉 回 路 、陀 螺 罗 盘 回 路 和 傅 科 回 路 3 个 负 反 馈 回 路 的 方 法 来 修 正 这 种 误 差 以 获 得 准 确 的 位 置 数据 。 舒 拉 回 路 、 陀 螺 罗 盘 回 路 和 傅 科 回 路 都 具 有 无

11、阻 尼 周 期 振 荡 的 特 性 。 所 以 惯 性 导 航系 统 常 与 无 线 电 、 多 普 勒 和 天 文 等 导 航 系 统 组 合 ， 构 成 高 精 度 的 组 合 导 航 系 统 ， 使 系 统既 有 阻 尼 又 能 修 正 误 差 。 惯 性 导 航 系 统 的 导 航 精 度 与 地 球 参 数 的 精 度 密 切 相 关 。 高 精 度 的 惯 性 导 航 系 统须 用 参 考 椭 球 来 提 供 地 球 形 状 和 重 力 的 参 数 。 由 于 地 壳 密 度 不 均 匀 、 地 形 变 化 等 因 素 ，地 球 各 点 的 参 数 实 际 值 与 参 考 椭 球

12、求 得 的 计 算 值 之 间 往 往 有 差 异 ， 并 且 这 种 差 异 还 带 有随 机 性 ， 这 种 现 象 称 为 重 力 异 常 。 正 在 研 制 的 重 力 梯 度 仪 能 够 对 重 力 场 进 行 实 时 测 量 ，提 供 地 球 参 数 ， 解 决 重 力 异 常 问 题 。惯性导航系统的应用和发展世 纪 ， 牛 顿 研 究 了 高 速 旋 转 刚 体 的 力 学 问 题 。 牛 顿 力 学 定 律 是 惯 性 导 航 的 理 论 基 础 。1852年 J.傅 科 称 这 种 刚 体 为 陀 螺 ， 后 来 制 成 供 姿 态 测 量 用 的 陀 螺 仪 。 1906

13、年 H.安 休兹 制 成 陀 螺 方 向 仪 ， 其 自 转 轴 能 指 向 固 定 的 方 向 。 1907年 他 又 在 方 向 仪 上 增 加 摆 性 ，制 成 陀 螺 罗 盘 。 这 些 成 果 成 为 惯 性 导 航 系 统 的 先 导 。 1923年 M.舒 拉 发 表 “舒 拉 摆 ”理 论 ， 解 决 了 在 运 动 载 体 上 建 立 垂 线 的 问 题 ， 使 加 速 度 计 的 误 差 不 致 引 起 惯 性 导 航 系 统误 差 的 发 散 ,为 工 程 上 实 现 惯 性 导 航 提 供 了 理 论 依 据 。 1942年 德 国 在 V-2火 箭 上 首 先应 用

14、了 惯 性 导 航 原 理 。 1954年 惯 性 导 航 系 统 在 飞 机 上 试 飞 成 功 。 1958年 ， “舡 鱼 ”号 潜 艇 依 靠 惯 性 导 航 穿 过 北 极 在 冰 下 航 行 21天 。 中 国 从 1956年 开 始 研 制 惯 性 导 航 系 统 ，自 1970年 以 来 ， 在 多 次 发 射 的 人 造 地 球 卫 星 和 火 箭 上 ， 以 及 各 种 飞 机 上 ， 都 采 用 了 本国 研 制 的 惯 性 导 航 系 统 。惯性导航技术的优点惯性导航技术的优点有：（ 1） 由 于 它 是 不 依 赖 于 任 何 外 部 信 息 也 不 向 外 部 辐

15、射能 量 的 自 主 式 系 统 故 隐 蔽 性 好 且 不 受 外 界 电 磁 干 扰 的 影 响 ； （ 2） 可 全 天 侯 全 球 、全 时 间 地 工 作 于 空 中 地 球 表 面 乃 至 水 下 （ 3） 能 提 供 位 置 、 速 度 、 航 向 和 姿 态 角 数据 ， 所 产 生 的 导 航 信 息 连 续 性 好 而 且 噪 声 低 （ 4） 数 据 更 新 率 高 、 短 期 精 度 和 稳 定性 好 其 缺 点 是 ： （ 1） 由 于 导 航 信 息 经 过 积 分 而 产 生 ， 定 位 误 差 随 时 间 而 增 大 ， 长 期精 度 差 ； （ 2） 每 次

16、使 用 之 前 需 要 较 长 的 初 始 对 准 时 间 ； （ 3） 设 备 的 价 格 较 昂 贵 ；（ 4） 不 能 给 出 时 间 信 息 。 结语该技术成本低、可靠性高、尺寸小、功耗低，提高了激光、光纤陀螺等的精度。采用微电子技术的各种新工艺后，可用单晶硅材料做出特性优良和高可靠性的硅微惯性测量装置。惯性传感器及现代控制理论、信息融合技术迅速发展使惯性导航系统正向小型化、捷联化、组合导航的方向发展。多系统融合，自动故障检测、隔离，智能导航和友好的人机交互界面将是未来导航系统的特点。惯性导航技术将在未来导航定位系统中扮演重要角色。本文参考文献邓正隆 等编著惯性导航原理 哈尔滨工业大学出版社以光衢 等编著惯性导航原理 北京：航空工业出版社黄德鸣、程禄 编惯性导航系统 国防工业出版社周徐昌，沈建森 惯性导航技术的发展及其应用 选自百度文库