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惯性导航

归档日期:06-29       文本归类:惯性导航      文章编辑:爱尚语录

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  惯性导航(inertial navigation) 通过测量飞行器的加速度,并自动进行积分运算,获得飞行器瞬时速度和瞬时位置数据的技术。组成惯性导航系统的设备都安装在运载体内,工作时不依赖外界信息,也不向外界辐射能量,不易受到干扰,是一种自主式导航系统。

  利用惯性元件(加速度计)来测量运载体本身的加速度,经过积分和运算得到速度和位置,从而达到对运载体导航定位的目的。组成惯性导航系统的设备都安装在运载体内,工作时不依赖外界信息,也不向外界辐射能量,不易受到干扰,是一种自主式导航系统。惯性导航系统通常由惯性测量装置、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,又称惯性测量单元。3个自由度陀螺仪用来测量运载体的3个转动运动;3个加速度计用来测量运载体的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运载体的速度和位置数据。控制显示器显示各种导航参数。按照惯性测量单元在运载体上的安装方式,分为平台式惯性导航系统(惯性测量单元安装在惯性平台的台体上)和捷联式惯性导航系统(惯性测量单元直接安装在运载体上);后者省去平台,仪表工作条件不佳(影响精度),计算工作量大。

  通过测量飞行器的加速度(惯性),并自动进行积分运算,获得飞行器瞬时速度和瞬时位置数据的技术。

  17世纪,I.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。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。

  惯性导航系统属于一种推算导航方式.即从一已知点的位置根据连续测得的运载体航向角和速度推算出其下一点的位置.因而可连续测出运动体的当前位置。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中并给出航向和姿态角;加速度计用来测量运动体的加速度经过对时间的一次积分得到速度,速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。惯性导航系统有如下主要优点.(1)由于它是不依赖于任何外部信息.也不向外部辐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。

  惯性导航系统通常由惯性测量装置、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,实现功能。

  按照惯性导航组合在飞行器上的安装方式,可分为平台式惯性导航系统(惯性导航组合安装在惯性平台的台体上)和捷联式惯性导航系统(惯性导航组合直接安装在飞行器上)。

  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。

  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。

  从2010年起,美国国防部高级研究计划局开展了不依赖卫星的导航系统的研发工作,旨在全面替代GPS,而不是作为GPS系统的补充。目前,该局联合美国密歇根大学的研究人员已经研制出了一种不依赖卫星的新型导航系统,它被集成在一个仅有8立方毫米的芯片上,芯片中集成有3个微米级的陀螺仪、加速器和原子钟,它们共同构成了一个不依赖外界信息的自主导航系统。这名项目主管还称,按计划,这种新一代的导航系统将会首先被用于小口径弹药制导、重点人员监控,以及水下武器平台等GPS应用触及不到的领域。

  美军所谓的新一代导航系统其实质是一种基于现代原子物理最新技术成就的微型惯性导航系统。惯性导航系统是人类最早发明的导航系统之一。早在1942年德国在V-2火箭上就首先应用了惯性导航技术。而美国国防部高级研究计划局新一代导航系统主要通过集成在微型芯片上的原子陀螺仪、加速器和原子钟精确测量载体平台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计算出载体平台的瞬时速度、位置信息并为载体提供精确的授时服务。有资料显示,2003年美国国防部就斥资千万开始对原子惯性导航技术的研制。该技术一旦研制成功,将会使惯性导航达到前所未有的精度。具体来说,将会比目前最精准的军用惯性导航的精度还要高出100到1000倍,而这将会对军用定位、导航领域带来革命性影响。由于该导航系统具有体积小、成本低、精度高、不依赖外界信息、不向外界辐射能量、抗干扰能力极强、隐蔽性好等特点,很有可能成为GPS技术的替代者。

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