惯性导航技术发展综述

.惯性导航技术发展综述学号：XXXXXXX ，姓名：XXX摘要：本文针对惯性导航系统，阐述了惯性导航的发展历程，并对惯性导航系统的原理进行了简要的说明。同时，介绍了惯性导航系统中常用仪表的发展历史，以及惯性导航系统目前的发展趋势。关键词：惯性导航系统、常用仪表、发展一. 引言在各类导航系统中，惯性导航系统被认为是最重要的一种导航系统。惯性导航是以测量运动体加速度为基础的导航定位方法，测量到的加速度经过一次积分可以得到运动速度，经过二次积分可以得到运动距离，从而给出运动体的瞬时速度和位置数据。这种不依赖外界信息，只靠载体自身的惯性测量来完成导航任务的技术也叫自主式导航。而惯性导航系统则是一种利用惯性敏感器件、基准方向及最初的位置信息来确定运载体在惯性空间中的位置、方向和速度的自主式导航系统，有时也简称为惯导。由于惯导具有高度的自主性、隐蔽性以及信息的完备性等特点，随着国民经济建设与国防建设的发展，应用日益广泛。目前惯性导航不仅应用于军事、工程和科学研究等领域，而且已扩展到民用领域，如石油钻井、大地测量、移动机器人等系统中。随着现代科技的发展，惯性导航系统技术也得到了一些新的发展，如捷联式惯性导航系统、惯性导航敏感器件的发展等，这些新技术为惯导技术的发展注入了新的活力，推动着惯导技术的进一步发展。本文针对惯性导航系统，介绍了它的发展历史和基本原理，以及与其相关的仪表陀螺仪、加速度计的发展历程，并对惯导系统目前的发展趋势进行了介绍。二. 惯性导航发展历程1930年以前的惯性技术被称为第一代惯性技术。其包括了1687年牛顿提出的为惯性导航奠定了理论基础的力学三大定律；1852年，傅科根据欧拉和拉格朗日的刚体定点转动理论制造出的用于验证地球自转运动的测量装置；1908年安修茨研制出的世界上第一台摆式陀螺罗经；以及1923年的休拉摆原理。第一代惯性技术为整个惯性导航发展奠定了基础。第二代惯性技术始于上世纪40年代火箭发展的初期，从二战期间，惯性技术在德国V-2火箭的制导上的首次应用；20世纪50年代麻省理工学院成功研制了单自由度液浮陀螺，并在B29飞机上成功应用；1958年鹦鹉螺号装备N6-A和MK-19进行潜航并成功秘密到达目的地；到20世纪60年代，挠性陀螺研究的逐渐起步。这一时期，还出现了另一种惯性传感器加速度计。另一方面，为提高陀螺仪表精度、减少误差，静电陀螺、磁悬浮陀螺和气浮陀螺概念被提出。1960年激光技术的出现也为今后激光陀螺的发展提供了理论支持；捷联惯性导航理论研究也趋于完善。第二代惯性技术是把研究内容从惯性仪表技术发展扩大到了惯性导航系统的应用。第三代惯性技术发展阶段是始于70年代初期出现的一些新型陀螺、加速度计和相应的惯性导航系统。这一阶段的主要陀螺包括：静电陀螺、动力调谐陀螺、环形激光陀螺、干涉式光纤陀螺等。当前我们正处于第四代惯性技术发展阶段，该阶段的目标在于实现导航系统的高精度、高可靠性、低成本、小型化、数字化、更广泛的应用领域。由于陀螺的精度的不断提高，漂移量越来越小以及激光陀螺批量制造技术的成熟，数字计算机技术的进步，捷联式惯导系统正在各个领域逐渐取代平台式系统。三. 惯性导航基本原理1. 系统组成一个基本惯性导航系统主要包括以下几部分：加速度计：用于测量航行体的运动加速度。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三个轴向测定加速度，同时也使惯性测量元件与航行体的运动相隔离。导航计算机：用来完成诸如积分等导航计算工作，并提供陀螺施矩的指令信号；控制显示器：用于输出显示导航参数等，还可进行必要的控制操作 ；电源及必要的附件等。2. 工作原理假设物体做匀速或变速直线运动，其瞬时位置都取决于初始位置、速度的大小和作用的时间，而速度则取决于初始速度、加速度的大小和作用的时间。即，位置是对速度的积分，速度是对加速度的积分。惯性导航就是采用了这样一种物理方法实现的导航定位。它用陀螺稳定平台模拟当地水平面、建立一个空间直角坐标系，三个坐标轴分别指向东向、北向 、及天顶方向，通常称为东北天坐标系。在载体运动过程中。利用陀螺使平台始终跟踪当地水平面，三个轴的指向始终保持不变。在这三个轴的方向上分别安装一种称为加速度计的仪表，来测量运载体沿东、北、天这三个方向各自的加速度。将这三个方向上的加速度分量分别进行积分，并与各自方向上初始速度相加，便可得到载体沿这三个方向的速度分量。载体在地球的位置就可通过对各速度分量的积分与各分量方向上的初始位置相加得到。应指出，由于初始位置须事先已知并输入到惯导系统，因此惯性导航属于相对定位。图1. 平面惯性导航系统原理图（三维再多一个z轴）四. 陀螺仪1. 定义与分类凡能绕定点高速旋转的物体，都可以成为陀螺。利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪。它的主要特性是定轴性和进动性。使用陀螺仪的目的主要是用陀螺仪建立一个参考坐标系或者是用它来测量运动物体的角速度。按其测量原理的不同，陀螺仪可分为两大类：一类是以经典力学为基础的经典力学陀螺仪；另一类是以近代物理学为基础的非经典力学新型陀螺仪。2. 发展1852年，傅科制造出了用于验证地球自转运动的测量装置，并把这一测量装置命名为Gyroscope，自此开创了人们对工程实用陀螺仪的研究和开发。19世纪80年代，特鲁和霍普金斯用电机驱动陀螺转子，制造出了陀螺罗经试验装置。1908年安修茨采用三相交流电机驱动陀螺转子，用水银悬浮陀螺组件，支承中心偏离陀螺组件质心，使陀螺形成一个重力摆，从而制造出了世界上第一台摆式陀螺罗经。1910年，休拉发现了陀螺罗经无阻尼振荡周期TS约为84.4分钟时，陀螺罗经指北精度不受加速度干扰。1912年安修茨用三个陀螺代替原设计中单个陀螺的结构，1927年安修茨又将三陀螺罗经改进设计成双转子浮液摆式结构陀螺罗经。同一时期还有采用单转子钢丝悬挂式结构的斯派利罗经。1955年美国率先成功研制了在速率陀螺基础上，通过力矩马达使其闭环工作的陀螺仪。由于它通过浮子组件消除了框架支撑的干摩擦，使其精度有了很大的提高，成为了世界上第一种惯性级（即陀螺随机漂移达到0.010/h量级）陀螺仪。这之后，又出现了在输出轴采用浮液技术的基础上增加了动压气浮轴承和磁悬浮系统，从而构成了所谓的“三浮”陀螺。20世纪70年代中期，动力调谐陀螺达到惯性级，并成为7080年代飞机惯导系统主要采用的一种陀螺仪。相对于第一代的液浮陀螺，动力谐振陀螺是第二代陀螺。图2. 三浮陀螺仪早在20世纪50年代，静电陀螺仪原理就已经被提出，但直到70年代末它才进入实用。静电陀螺仪利用电极对球形转子的静电吸引，以及自动调节电机电压的方法，使球形转子支撑在电极中心，并采用光电测量法测出球壳相对于转子极轴的转角。它比框架陀螺、挠性陀螺和液浮陀螺精度高，但制作工艺复杂，成本高。图3. 静电陀螺仪1981年，激光陀螺首次被用在惯导系统中。其实，1963激光陀螺就被提出来了，但由于它材料和加工工艺的困难，直到1983年才开始批量生产。激光陀螺仪有机械陀螺无法比拟的优点，是捷联惯性系统理想元件，自20世纪80年代至今，在绝大多数飞机的捷联惯性系统中占了主导地位。20世纪90年代中期，光纤陀螺开始走向实用，1998年，达到惯性级的光纤陀螺被研制出来了。目前的光纤陀螺已能够满足各类武器系统导航制导的需求。1985年微机械陀螺仪原理被提出，现在已形成了三代了。五. 加速度计1. 定义与分类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，完成惯导系统确定载体的位置、速度以及产生跟踪信号的任务。比力，即作用在敏感器上每单位质量的惯性力和万有引力的矢量和。通常将加速度计分为如下两类：摆式加速度计非摆式加速度计。2. 发展20世纪50年代液浮摆式加速度计成功研制出来，并在20世纪60年代发展到成熟阶段。同时期，石英挠性加速度计问世，很快取代了浮液摆式加速度计，目前正在各种惯导系统中广泛应用。20世纪90年代，石英振梁加速度计逐步形成系列产品，并开始应用到平台式和捷联式惯性系统中。20世纪90年代中期，供汽车导航用的力平衡式硅微加速度计的商用产品问世。六. 惯性导航系统发展趋势捷联式惯性导航系统由于其直接固联在载体上，省去了机电式导航平台，从而给系统带来了很多优点：整个系统的体积、重量和成本上大大降低，通常陀螺仪和加速度计只占导航平台重量的1/7；惯性仪表便于安装维护，也便于更换；惯性仪表可以给出载体轴向的线加速度和角速度，这些信息是控制系统所需要的，和平台式导航系统相比，捷联式系统可以提供更多的导航和制导信息；惯性仪表便于采用余度配置，提高系统的可靠性及各项性能。尽管捷联式惯性导航系统不能避免惯性器件的固有缺点，但由于它的这些优点，捷联式惯性导航系统还是在很多系统上都被广泛采用了的，大有取代平台式惯性导航系统的趋势。不管惯性器件的精度多高，由于陀螺漂移和加速度计的误差随时间逐渐积累，惯导系统长时间运行必将导致客观的积累误差。为克服这个缺点，在装备包括导航在内的两种以上导航系统的载体上，常以惯导为主，将其与其他导航系统组合在一起，使它们都能发挥各自的特点，这就是组合导航系统。组合导航系统能达到取长补短、综合发挥各种导航系统特点的目的，并能提高导航精度和可靠性，在军用和民用上都有重大意义。七. 总