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2011-9-611第一章惯性系统中的惯性仪器本讲内容参见课本：第1页至9页本章内容 1.惯性系统及惯性仪器 2.惯性仪器性能精度与惯性系统定位精度关 系 3.惯性级测量仪器 4.惯性仪器的性能指标 5.惯性级仪器的测试技术2011-2012学年1 2011-2012学年21.1惯性系统1.惯性系统及惯性仪器2011-2012学年3 装在运载器上，以本身运动时的比力作为输入 量，计算出运载器在选定坐标系中的即时位置、 速度、姿态、航向等航行参数的自主式系统。 分类 惯性导航系统 惯性制导系统2011-2012学年41.2惯性系统 分类 惯性导航系统 应用惯性敏感器件测量，再经过计算机解算出运动载 体的加速度、位置、姿态和航向等导航参数的自主系 统。1.1惯性系统 组成几何基准子系统 计算子系统显示子系统监控子系统 惯性制导系统 利用惯性测量装置测出运动物体的运动参数,按预定 的导引规律形成制导指令进行控制运动物体飞向目标 的系统。2011-2012学年5 2011-2012学年61.1惯性系统 几何基准子系统 功能 确定高精度内部基准坐标系： 能自行修正相对选定外部基准坐标系偏差； 不受运载器运动影响。 在大范围内精确测量运载器运动的比力沿基准坐标 系各轴的分量。 测量部件陀螺+加速度计测量部件的性能和精度决定几何基准子系统 的实现和精度2011-2012学年1.2惯性仪器惯性系统的核心测量仪器，按惯性原理工作。 陀螺仪 以旋转质量惯性为特征，检测惯性空间的角运动7 2011-2012学年81.2惯性仪器 加速度计 以平移或旋转质量惯性为特征，检测运动时的比力， 用于解算运动信息。 惯性测量装置（IMU）1.3惯性系统的工作过程 选定坐标系 外部基准坐标系 内部基准坐标系标系 由陀螺仪在载体的内部跟踪/模拟选定的外部坐 标系; 将加速度计测量的比力信号在选定基准坐标系 内投影，用于计算位置和速度。2011-2012学年9 2011-2012学年10平台式惯导系统（PINS）平台式惯导系统（PINS）加速度计陀螺仪加速度信息陀螺施矩信息导航计算机位置信息 速度信息控制显示加速度计陀螺仪加速度信息陀螺施矩信息导航计算机位置信息 速度信息控制显示惯导平台 飞行器稳定回路 控制平台信息姿态和方位信息惯导平台 飞行器稳定回路 控制平台信息姿态和方位信息 惯导平台:机械式陀螺稳定平台 模拟选定导航坐标系，将加速度计的测量轴稳定在导航 坐标系中，用模拟方法给出载体的姿态和航向信息。 稳定回路：克服作用在平台上各种干扰力矩。 跟踪回路：使平台跟踪导航坐标系在惯性空间的转动。 加速度计：测量载体运动加速度 导航计算机：导航计算和平台跟踪回路中指令角速度信号的 计算 控制显示器：参数给定和导航信息显示。2011-2012学年11 2011-2012学年12b捷联式惯导系统（SINS）1.4惯性系统对惯性仪器的要求加速度计 陀螺仪飞行器aibb ib数学平台姿态矩阵姿态矩阵 计算agib位置导航计算机 控制显示 速度g ip 陀螺仪 测出微小的角位置或角速度，给出满足分辨率要求的 清晰响应 漂移误差尽可能小 加速度计姿态角 计算 无机械式陀螺稳定平台；姿态和方位 分辨率高，能清晰地、精确地反映出从非常微小到非 常大的加速度 “数学平台”：对陀螺敏感的角速度积分，得到载体相对参考坐标系的角 位置（方向余弦矩阵, 姿态矩阵） 加速度计提供载体沿着横滚、俯仰和偏航轴的比力分量，再通过方向余弦 矩阵变换到导航坐标系，对变换后的加速度积分，得到地速分量及经纬高 参数； 零偏值尽可能小且稳定2011-2012学年13 2011-2012学年141.5惯性仪器的重要性能指标定义 陀螺 漂移速率：单位时间内由于干扰力矩导致的动量矩 矢量在惯性空间内角位置变化的数值 单位： /h 加速度计 零偏：没有输入时，加速度计的非零输出 单位：g,g 分辨率 仪器给出可靠信号时所能感测的输入量的最小变化 量。1.6惯性系统及惯性仪器的发展表1-1 不同年代惯性仪器与惯性系统的性能水平 年代 10 6 3 10分代年代惯性仪器惯性系统分辨率漂移率经纬度（）地面距离（m）陀螺仪(rad)加速度计(g)陀螺仪（/h）40 年代102102 1012.06106.3105060 年代103 105100 1022.06 102 2.066.3103 6.31017080年代106 107103 1042.06 101 2.06 1026.3100 6.310190 年代及以后109 或更小105或更小2.061036.31023 42011-2012学年15 2011-2012学年16陀螺发展 经典力学陀螺 液浮陀螺（ 0.001/ h 铍浮子：0.0005/ h） 平台罗经、航姿系统 动力调谐陀螺（ 0.001/h ） 导航系统和战术导弹 静电陀螺（110 7 /h ） 长时高精度惯性系统：核潜艇、战略轰炸机、航天飞 机 三浮陀螺（1.5107/h ） 框架陀螺，气浮陀螺陀螺发展 基于近代物理学 （光学、振动） 激光陀螺（0.001/h ） 光纤陀螺（0.01/h ，0.00038/h Honeywell ） 半球谐振陀螺（0.005/h ） 压电陀螺 微机械陀螺 超导陀螺仪 核磁共振陀螺仪导航系统和战术导弹2011-2012学年17 2011-2012学年18时间陀螺加速度计芯片集成的IMU零偏/h刻度系 数误差ppm零偏ug刻度系 数误差 ppm陀螺零 偏/h加速度 计零偏ug1999年10020050050010005010030070002005年101002003003010010002015年120100101001000微机械惯性传感器发展趋势目前中高精度导航系统及惯性器件性能系统 陀螺仪 加速度计MK2 Mod6型舰船导航 系统：航向1，定位0.7nmile/30hGEO-SPIN型惯性测量 系统：定位2.550cmG7B型液浮陀螺仪：零偏 稳定性5104/ h静电陀螺仪：零偏稳定性11064104/ hVM7型液浮加速度计： 零偏稳定性5106gGG-177型加速度计：零 偏稳定性2106gLN-39型飞机标准导航 仪：定位0.8nmile/hG-1200型挠性陀螺A1000型挠性加速度计LN-93型激光陀螺导航 仪：航向3.6，定位0.8nmile/hLG-9028型激光陀螺仪： 零偏稳定性0.01/ h，标 度因素稳定性4106A1000型挠性加速度计： 零偏稳定性1106gLN-200型惯性系统光纤陀螺仪：零偏稳定性0.21/ h微硅加速度计：零偏稳 定性(100200)106g2011-2012学年M-PHINS水面舰船 GPS/ INS组合导航系 统：航向1.2，定位515m19 2011-2012学年光纤陀螺仪：零偏稳定性0.03/ h挠性加速度计：零偏稳 定性20106g20 例：指北方位平台式惯导系统2.惯性仪器性能精度与惯性系统定位精度关系 外部基准坐标系P： 当地地理系G (EN) 飞机内部的基准坐标系： 导航计算坐标系：平台本身PC2011-2012学年21 理想情况下： P、G、C重合 实际情况下： P、G、C不重合，存在误差角2011-2012学年22平台误差角 陀螺漂移速率对平台误差角的影响 平台工作原理：平台误差角平台误差角速度与误差角、航行速度、速度误差以及 陀螺漂移速率等因素有关 = F ( , , V ,V G , )G1 y x x 平台角位置由检测角偏差的陀螺检测； 利用陀螺信号通过相应的电路与稳定电机的反馈控制 = F ( , , V ,V G ,V G , )2 x x y y来保持平台角位置。 = F3 ( , , Vx ,Vx , z ) 陀螺仪的漂移率 x , y , z , , , , x yV G ,V G平台误差角平台误差角速度速度在当地地理系中沿x轴和y轴的分量平台相应轴的误差角速度 , , 。Vx , Vy 速度误差 陀螺的漂移速率是产生平台角偏差的重要误差，当地地理纬度及其误差源之一。2011-2012学年 x , y , z对应x, y, z轴的陀螺漂移速率23 2011-2012学年24加速度计输出加速度计输出 比力信号f = F ( f , f, f , , , ) 平台误差角 P系偏离G系x yx y zf c , f cc G G Gx x x y z xy y x y z yf c = F ( f G , f G , f G , , , ) x, y轴加速度计输出的在x, y轴方向的比力分量平台上的加速度计组不能正确测量比力在基 准坐标系各轴的分量 加速度计测量 比力分量 由平台误差角造成的交叉轴耦合的比力分量 零位偏差2011-2012学年f G , f G , f G 比力在当地地理系G各轴上的分量x , y x, y轴加速度计的零位偏值 加速度测量值：经过重力校正的比力信号 影响加速度测量值的因素 平台误差角 加速度计的零位偏差25 2011-2012学年26导航系统的定位误差表12 指北方位平台惯性系长统时的间定飞行位时误，差产生 很大的经度定位误差 INS的定位误差 = F ( x , y , z , x ,IE ,s , t ) = F ( x , y , z , y ,IE ,s , t )定位误差 经度误差水平陀螺 方位陀螺 加速度计性质常值项 有 无 无 有 无 正比于t项 无 有 有 无 无IE:地球自转角速度 定位误差的组成 常值分量s:休拉角频 率纬度误 差IE调制项有 有 有 无 无调制项 有 无常值项 无 有 有 无 有 正比于t项 无 无 无 无 无 随时间线性积累的分量 周期分量 地球自转角速度IE调制的分量（24h） 以休拉角频率S调制的分量（84.4min）2011-2012学年IE 调制项 有 有 有 无 无调制项 有 有 有 有 无有界的周期误差，一个周期的均值为零；与飞行时间相比，属于（较）长周期的误差造成的影响不能忽视27 2011-2012学年28结论 常值分量影响较小 由陀螺仪漂移速率导致的随时间线性增长的经度误差分量可产生很大的定位误差 周期误差影响不应忽略 重要误差源 陀螺的漂移速率 加速度计的零位偏置3.惯性级测量仪器定位误差的组成准坐标系各轴的分量2011-2012学年29 2011-2012学年303. 1惯性级测量仪器 惯性级（Inertial grade）测量仪器 仪器的性能精度满足惯性系统最基本定位精度 要求的级别; 区别于“常规级”（Normal grade）仪器。 惯性系统的定位精度的表示方法 以惯性系统随时间积累的误差来表示，即规定 时间内积累的经纬度误差或航行距离误差。2011-2012学年INS的精度要求 标准的航空INS的定位误差 1n mile/h 对陀螺漂移速率的要求：0.015/h 不同的运载体，不同的持续航行时间 对INS的精度要求不一样 对惯性仪器的精度要求不一样31 2011-2012学年32惯性级陀螺仪 陀螺 陀螺漂移率0.015 /h 满足一般精度INS的要求 1meru(milli-earth-rate-unit)=地球自转角速度的 千分之 表征惯性级陀螺仪的最低精度： 0.01 /h 当代陀螺的精度 随机漂移率10-310-5/h 满足航空、航天和航海的需求。陀螺仪应用2011-2012学年33 2011-2012学年34千分之一惯性级加速度计 零偏104 g 飞机 零位偏差104g 平均位置误差104RE0.64km2011-2012学年惯性级加速度计 不同速度运载器的惯性系统对加速度计的 要求 速度较慢的运载器 对零位偏值要求很严；对 的要求居于次要的地位 对标度因素的稳定性的要求居于次要的地位。 速度很高的运载器 对标度因素的稳定性要求很严； 对零位偏值的要求居于次要的地位。35 2011-2012学年36惯性级加速度计 弹道火箭 火箭发动机关车时刻的速度与射程有重大关系。1000km射程的火箭，关车时刻的速度测量误差5105m/s 射程误差2km 速度误差与标度因数直接相关 对加速度计的标度因数、分辨率、零位偏值的要求很 高。加速度计应用2011-2012学年37 2011-2012学年38结论 作为惯性级仪器，陀螺仪的漂移速率和加速度 计的零位偏值对惯性系统精度的影响不容忽视。 仅满足上述两个指标的要求能成为性能优越的 惯性级仪器吗？ No！ 要与其它性能指标相配合。4.惯性仪器的性能指标2011-2012学年39 2011-2012学年404.1性能指标分类 精度指标 （首要指标） 电气性能数据 机械性能数据 环境条件 寿命和可靠性指标4.2陀螺的性能指标精度指标 阈值和分辨率 阈值：陀螺能敏感的最小输入角速率。 分辨率：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，即由该最小输入角速率增量所产生的 输出增量，至少应该等于按标度因数所期望的输出增量 的50%，单位用rad/s表示。2011-2012学年41 2011-2012学年424.2陀螺的性能指标精度指标 标度因数及其误差 标度因数：输出量与输入角速率的比值，反映陀螺灵敏 度的量。 输出非线性误差 零位输出 在输入角速率为零时（即陀螺静止，这种静态情况下长 时间稳态输出是一个平稳的随机过程）陀螺仪的输出量。 交叉耦合输出4.2陀螺的性能指标精度指标 G的零次方漂移速率 G的一次方漂移速率 G的二次方漂移速率 随机漂移速率 与时间有关的性能稳定性 与重复启动有关的性能稳定性2011-2012学年43 2011-2012学年444.2陀螺的性能指标电气性能数据4.2陀螺的性能指标机械性能数据 陀螺电动机电源的相数、电压、频率、电流和功 率； 信号器电源的电压、频率和标度因数； 力矩器的施矩电流、功率、阻抗和标度因数； 测量范围或转角自 由度；启动 陀螺动量矩； 时间常数； 阻尼系数； 固有频率； 温度控制电源的电流和功率； 陀螺转子转动惯量； 启动、停转时间； 各电气参数的精度要求 陀螺转子转速； 安装对准要求2011-2012学年45 2011-2012学年464.2陀螺的性能指标环境条件 环境压力范围； 环境温度范围； 环境湿度范围； 振动； 冲击等。4.2陀螺的性能指标寿命和可靠性指标 工作寿命； 启动次数； 平均故障间隔时间 以上陀螺的性能指标同样适用于陀螺型加 速度计。零位输出2011-2012学年47 2011-2012学年484.3加速度计的性能指标精度指标 阈值和分辨率； 零位偏值； 标度因数及其误差； 输出非线性误差； 交叉耦合误差； 随机误差； 与时间有关的性能稳定性； 与重复启动有关的性能稳定性2011-2012学年49 2011-2012学年504.3加速度计的性能指标电气性能 信号器电源的电压、频率、功率和标度因 数； 力矩器施矩电流、阻抗和标度因数； 温度控制元件的电流和功率4.3加速度计的性能指标机械性能 测量范围； 摆块质量； 支承结构及刚度； 阻尼系数； 固有频率； 安装对准要求。2011-2012学年51 2011-2012学年524.3加速度计的性能指标其它 环境条件 同陀螺 寿命和可靠性 同陀螺2011-2012学年53 2011-2012学年544.4 惯性级仪器性能精度的主要标志 陀螺漂移速率 单位时间内由于干扰力矩导致的动量矩矢量在 惯性空间内角位置变化的数值 单位： /h 加速度计零偏 没有输入时，加速度计的非零输出 单位：g,g2011-2012学年4.4惯性级仪器性能精度的主要标志 分辨率仪器给出可靠信号时所能感测的输入量的最小 变化量。 陀螺 测量相对惯性空间的角偏差时，能输出可信赖信号的 角位移的最小值。 单位: 度或弧度 加速度计 测量比力时，能输出可信赖信号的加速度变化的最小 值。 单位：g55 2011-2012学年564.4惯性级仪器性能精度的主要标志 分辨率 例： 地球半径 Re 6370km 过地心大圆的圆心角1 大圆弧长1n mile (1852m) 过地心大圆的圆心角1” 大圆弧长100ft (30.48m) 定位精度300m的惯性系统，对惯性器件分辨率 的要求4.4惯性级仪器性能精度的主要标志 注意 陀螺仪 分辨率适于说明惯性系统的短时间精度。 漂移速率适用于长时间运行的惯性系统的精度分析。 陀螺仪的分辨率是多少？10” (510-5rad) 加速度计的分辨率是多少？ 510-5g2011-2012学年57 2011-2012学年585.惯性级仪器的测试技术5.1惯