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1、光学惯性测量与导航系统,杨功流 教授,主 讲：,Optic Inertial Measurement & Navigation System,9664，6542-823,电 话：,晁代宏 讲师,张小跃 讲师,课程安排,学 时: 32学时 上课时间: 1-16周 考试方式: 平时+笔试 参考书目（推荐但不局限）: 光纤陀螺惯性系统，王巍主编，中国宇航出版社，2010光纤陀螺及其应用，张维叙主编，国防工业出版社，2008光纤陀螺仪，H. C. Lefevre，国防工业出版社，2002捷联惯导系统原理 ，陈哲，中国宇航出版社，1986,课程的主要内容简介,第一章 绪论 第二章 光学惯导系统核心器件
2、第三章 光学惯性测量装置 第四章 光学惯性导航系统 第五章 光学捷联惯性组合导航系统 第六章 光学捷联惯导系统初始对准 第七章 典型光学惯性测量与导航系统 实验一 光学惯性器件试验 实验二 光学惯性测量装置标定试验 实验三 光学惯导系统对准/导航试验,第一章 绪论,1.1 课程目的及意义 1.2 惯性导航系统基本概念及重要地位 1.3 光学惯性器件及系统发展史 1.4 数学基础及预备知识,1.1 课程目的及意义,随着惯性器件技术的发展，两光陀螺的应用日趋广泛，是惯性领域的“新宠”。北航是光纤陀螺的发源地，经过多年的技术研发和工程化实践，光纤陀螺在多个领域获得了成功的应用。目前，北航没有针对两光
3、陀螺及由其构成的光学惯性系统设置课程。因此，为培养未来的工程师，有必要设置本课程，从原理、系统设计到实验全面、系统地教授工学研究生光学惯性测量及导航系统的相关知识，为将来更好从事惯性技术研究打下基础。,1.1 课程目的及意义,惯性器件及系统是北航精密仪器及机械学科的特色方向之一，依托“惯性仪表”国防重点实验室，拥有良好的研究和试验条件。北航是国内光纤陀螺的发源地和最高水平的代表，拥有一流的技术水平和试验条件。本课程重点讲授光学惯性器件及导航系统。通过本课程的学习，使学生掌握光学惯性器件的基本工作原理、误差模型、惯性测量单元测试及标定技术、光学惯性测量及导航系统构筑方法、典型光学惯导系统方案等，
4、为将来更好从事惯性技术研究打下基础。,几个基本概念,导航：导引航行器从一个地方到达另一个地方的过程；跟踪方向、指令航行;惯性导航：基于牛顿经典力学定律，依靠载体自身的传感器，为载体提供运动状态信息，是一个开环系统；惯性制导：常用于无人航行器，将运动状态信息与预定目标信息比较，用于修正载体的航行状态，含有控制回路，是闭环系统；组合导航系统：以惯性导航系统为主系统，采用其它外部信息，对其进行辅助，形成的系统；,1.2 惯性导航系统基本概念及重要地位,惯性仪器：是指在惯性技术中， 以旋转质量惯性为其特征的陀螺仪 以平移或旋转质量惯性为其特征的加速度计 陀螺仪：用来检测运载器在惯性空间中的角运动； 加
5、速度计：用来检测运载器运动时的比力，并进而解算出运动信息。 惯性测量装置（IMU）：由加速度计和陀螺组成，输出导航解算所需的角增量和速度增量。,几个基本概念,1.2 惯性导航系统基本概念及重要地位,惯导系统的分类,以安装方式分类： 平台式惯性导航系统 捷联式惯性导航系统以测量机制分类：根据惯导系统的测量机制，目前已经发展出挠性惯导、光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表等多种新型惯导,1.2 惯性导航系统基本概念及重要地位,惯导系统的组成,加速度计：用于测量载体的运动加速度。通常应有两个至三个，并安装在三个坐标轴方向上。陀螺稳定平台：为加速度计提供一个准确的坐标基准，以保持加速度计始终沿上个轴向上
6、测定加速度，同时也使惯性测量元件与载体的运动相隔离。该平台可以是物理平台，也可以是数学平台，取决于是平台式导航系统还是捷联式导航系统。导航计算机：用来完成诸如积分等导航计算工作，若有必要则同时提供陀螺施距的指令信号。电源及必要的附件等。,1.2 惯性导航系统基本概念及重要地位,惯性导航是以牛顿定律为基础,第一定律,惯性定律,第二定律,第三定律,作用力与反作用力,任何运动体的运动状态都可以用加速度（Acceleration）来表征,加速度、速度（ velocity ）和航程（Position）之间的关系：,加速度可以由加速度计测量(accelerometer),惯性导航：以加速度测量为基础的导航
7、定位方法,这种不依赖外界信息，只靠对载体(vehicle)本身的惯性测量来完成导航任务的技术称作惯性导航,1.2 惯性导航系统基本概念及重要地位,惯性导航系统基本原理,1.2 惯性导航系统基本概念及重要地位,在平面上的导航 (Two-Dimensional Navigation),对加速度计的输出信号进行计算，就可以实时计算出载体在坐标系中的位置和瞬时速度,平台在整个导航过程中，始终模拟平面坐标系 OXY 在工程上通过陀螺稳定平台或数学平台来实现,1.2 惯性导航系统基本概念及重要地位,惯性导航的基本原理是基于牛顿运动学定律的航迹推算.惯性导航本质是一个三维空间的刚体运动学问题.,1.2 惯性
8、导航系统基本概念及重要地位,太阳惯性坐标系（i系）,地心惯性坐标系（i系）,几种常用坐标系,地心地球固联坐标系（e系）,当地地理坐标系（t系）,几种常用坐标系,系统本体坐标系（b系）,游动方位坐标系（w系）,几种常用坐标系,傅科陀螺仪,傅科：法国地球物理学家(1819-1868),验证地球自转,傅科摆 (1851),L=67m M=28kg A=6m,傅科陀螺仪 (1852),精度较低，无法验证地球自转,之后轴承工艺得到改进,1.2 惯性导航系统基本概念及重要地位,陀螺罗经航海方面的最早应用,人类早期航海采用磁罗盘（指南针）,19世纪后期，钢质轮船逐渐取代木质轮船，磁罗盘无法再保证精度,在极地
9、附近磁罗盘也会失灵,寻找能够替代磁罗盘的方位指使仪,如果借助陀螺仪，需要解决实时、自主寻北的问题,1908年，德国人安休茨（Anschutz）研制成陀螺罗经,1909年，美国人斯佩里（Sperry）也独立研制成陀螺罗经, 陀螺仪实用技术形成和发展的开端,1.2 惯性导航系统基本概念及重要地位,航空应用地平仪、航向仪,1920s后 陀螺仪开始应用在航空，用来测量飞机的姿态角,飞行器的姿态角：航向、俯仰、横滚,地平仪：建立水平基准，实现对俯仰、横滚的测量 航向仪：建立方位基准，实现对航向角的测量,1.2 惯性导航系统基本概念及重要地位,陀螺仪在导弹中的最早应用,30年代被 Goddard 用于火箭
10、试验 二战中用于导弹： V1、V2,1942年12月，德国首次试射V1,V1 巡航导弹 V2 弹道导弹,V1 被大量投入到二战,1944年6月，德国从法国北部向英国发射V1,10500,落到英国 3200 枚,伦敦 2500 枚,德国战败后，导弹技术人员大量流向苏美,冯布劳,杨格尔,1.2 惯性导航系统基本概念及重要地位,陀螺仪的惯性级应用“舡鱼”之旅,二战后，苏美继续大力发展导弹和火箭技术,50年代初，美国MIT研制出达到惯性级精度的液浮陀螺仪,美国的“Navaho”计划 1958年，美国“舡鱼”号潜艇之旅,珍珠港 - 白令海峡 - 北极 - 波特兰 历时 21天，航程 15000 Km,
11、标志着以陀螺仪为核心的惯性导航技术在 50 年代已经趋于成熟,1.2 惯性导航系统基本概念及重要地位,惯性导航技术发展历史,1.2 惯性导航系统基本概念及重要地位,1.2 惯性导航系统基本概念及重要地位,飞机,空间站,导弹,舰船,卫星,月球车,惯性技术是航空航天的共性关键基础技术！,现代战争的精确打击,目标,载机,导弹,航空对地作战系统,天基对地作战系统,重大需求牵引惯性技术与时俱进,重大需求牵引惯性技术与时俱进,载人航天与探月工程,北航第五研究室 国内第一个陀螺惯导研究室,“林士鄂法” -求解高次方程的劈因子法(数学手册),中国惯性技术奠基人,1939年于美国麻省理工学院（MIT）Drape
12、r实验室获博士学位，师从Dr. Draper,由于当时“两弹一星” 工程惯性制导技术的急需著名科学家钱学森提议,北航惯性技术、惯性器件概况,MEMS 陀螺仪,60年代,70年代,80年代,90年代中期,我国主要惯性仪表的发源地人才培养的摇篮(院士、总师、所长),2012年,1958年,未来,液浮 陀螺仪,动压气浮 陀螺,挠性 陀螺仪,光纤 陀螺仪,陀 螺 种 类,北航研制惯性仪表的历程,半球谐振陀螺,北航首创陀螺,北航开展研究的陀螺,五十多年来，国内主要八类惯性敏感陀螺仪中的五类由北航率先研制，并取得了国内公认的成果。,原子干涉/自旋 陀螺仪,超导磁悬浮 陀螺仪,北航惯性技术、惯性器件概况,1
13、.3 光学惯性器件及系统发展史,萨格纳克(Sagnac)效应 1913年Sagnac提出的，是光学陀螺的理论基础，使光学转动传感器成为可能。 萨纳克效应是相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应，即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光，以相反的方向进行传播，最后汇合到同一探测点。若绕垂直于闭合光路所在平面的轴线，相对惯性空间存在着转动角速度，则正、反方向传播的光束走过的光程不同，就产生光程差，其光程差与旋转的角速度成正比。因而只要知道了光程差及与之相应的相位（或频率）差的信息，即可得到旋转角速度。,1.3 光学惯性器件及系统发展史,萨格纳克(Sagnac)效应 激光
14、陀螺 光纤陀螺 MOEMS陀螺,1.3 光学惯性器件及系统发展史,激光陀螺,60年代初开始研制，70年代进入实用,例：三角谐振腔边长=111.76mm,激光波长= 0.6328m,用来测地球转动角速度,1.3 光学惯性器件及系统发展史,激光陀螺：针对捷联惯导需求 基本原理：Sagnac效应，工作物质是激光束，全固态陀螺 优点 结构简单、性能稳定、动态范围宽、启动快、反应快、过载大、可靠性高、数字输出 发展 1960 激光器出现 1963 Sperry 制成首台样机 1970s中 精度突破，达惯性级 1980s 初开始应用于各个领域,早期研制的机构 Honeywell：三角谐振腔，机械抖动偏频
15、Litton：四边形谐振腔，机械抖动偏频 Sperry：三角谐振腔，磁镜偏频 面临问题 成本较高、体积偏大、不能完全适应捷联系统的要求,1.3 光学惯性器件及系统发展史,国内激光陀螺研制单位: 国防科技大学:国内激光陀螺技术两大分支之一，占据国内技术制高点,研制出国内最高精度器件,典型产品为90型和50型激光陀螺 西安618所：国内激光陀螺技术另一个分支，工程化做的很好，国内的激光航空惯导系统大多出自618所。 33所：引进国防科大技术。,1.3 惯性器件发展史,激光陀螺,光纤陀螺 光纤陀螺的研发也需要有启动其发展的必要条件，在1970年代中期出现了低损耗单模光纤，这项技术导致了光纤陀螺概念的
16、出现。 1975年，Vali和Shorthill首次提出光纤陀螺的构想 1976年Vali和Shorthill在犹它大学完成演示样机制作，从此开始了奇妙的发展之旅！,1.3 光学惯性器件及系统发展史,1.3 光学惯性器件及系统发展史,按工作原理： 干涉型光纤陀螺仪(I-FOG)，即第一代光纤陀螺仪，目前应用最广泛。它采用多匝光纤圈来增强SAGNAC效应，一个由多匝单模光纤线圈构成的双光束环形干涉仪可提供较高的精度，也势必会使整体结构更加复杂； 谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)，是第二代光纤陀螺仪，采用环形谐振腔增强SAGNAC效应，利用循环传播提高精度，因此它可以采用较短光纤。RFOG需要采用强相干光源来增强谐振腔的谐振效应，但强相干光源也带来许多寄生效应，如何消除这些寄生效应是目前的主要技术障碍。； 受激布里渊散射光纤陀螺仪(B-FOG)，第三代光纤陀螺仪比前两代又有改进，目前还处于理论研究阶段。,
