惯导的发展与应用学术论文文化选修课

1、学术论文写作课程论文惯性导航的发展和应用姓 名：学院（系）：自动化学院专 业：班 级：学 号：二0二年四月九日惯性导航的发展和应用摘要：惯性导航技术，通过陀螺仪和加速度计测量载体的角速率和加速度信息，经 积分运算得到载体的速度和位置信息。包括平台式惯导系统和捷联惯导系统。本文 阐述了惯性导航的基本原理，并例举了常见的导航系统，简述了其特点和其应用，总 结了世界范围内的惯性导航发展历程以及发展趋势，其中重点介绍了国内导航的发展路程。关键词：惯性导航；平台式惯导系统；捷联惯导系统；组合导航Developme nt of In ertial Navigati on Tech no logy and

2、Its Applicati onsAbstract: The inenial navigation technology metered the angular rate sensor and acceleration information of carrier by using peg top and accelerometer； after integral calculation，the speed and position information of carrier were gained. The inenial navigation technology includes pl

3、atform inertial navigation system and SINS. This paper expounds the basic principle of inertial navigation, and affirming the common navigation system, this paper expounds the characteristics and its application, and summarizes the world within the scope of the inertial navigation development course

4、 and development tendency of which mainly introduced the domestic navigation development journey.Keywords: : Inenial navigation； Platfom inenial navigation system; SINS (ship' s inenial navigation system)： Integrated navigation1. 引言惯性导航(Inenial Navigation)是20世纪中期发展起来的完自主式的导航技术。惯性导航系统利用惯性敏感元件测量载体

5、相对惯性空间的线运动和角运动参数，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、不受干扰、不向外界辐射能量、隐蔽性 好的特点，而且惯导系统能够连续地提供载体的全部导航、制导参数(位置、姿态角、线速度、角速度)，故广泛应用于航海、航天、航空领域，特别是军事领域。2惯性导航的基本原理【1】【2】在平面中取oxy为定位坐标系，设载体的瞬时位置为(x，y)坐标。如果在载体内用一个导航平台把2个加速度计测量轴分别稳定在x和y轴向，则加速度计分别测量载体x和y轴的相对惯性空间的运动加速度，经导航计算机的运算得到载体的航行速度，和瞬时位置x、y。7VX=VX0+ '.dt

6、,X=X0+. dt在实际的长航程惯性导航系统中，须考虑地球表面为球面，载体位置用地理经纬度 m和n n表示,如果x轴指北，y轴指东，R为地球半径，则用经纬度表示的载体的位置为：m=-dt,D Rcon从结构上看，惯性导航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）。平台式惯导系统，其导航加速度计和陀螺都安装在由框架构成的稳定平台上，加速度计输出的信息，送给导航计算机，由它计算航行器位置、速度等导航信息及陀螺的施矩信息。陀螺 在施矩信息作用下，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。而航行 器的姿态和方位

7、信息，则从平台的框架轴上直接测量得到。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（由 加速度计与陀螺仪组成舒拉回路来保证），因此加速度计不会受重力加速度的影响。这 种系统多应用于沿地球表面作等速运动的飞行器（如飞机和巡航导弹等）。在平台式惯 性导航系统中，框架能隔离飞行器的角振动，仪表工作条件比较好。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，但是结构复杂，尺寸比较大。捷联惯导系统，导航加速度计和陀螺直接安装在载体上。用陀螺测量的角速度信息'减去计算的导航坐标系相对惯性空间的角速度 '量，得载体坐标

8、系相对导航坐标系的角速度 W,即 w=F广总',利用该信息计算姿态矩阵， 然后将加速度信息转换到惯性坐标系或当地地理坐标系 中，从而实现“数字平台”，然后再进行速度位置的计算。与平台式惯导系统比较而言，捷联式惯性导航系统省去了平台，因此结构简单、体积小、维护方便，但是陀螺仪和加速度计直接装在飞行器上，由于工作条件不佳，会降低仪表的精度。同时这种系统的加速度 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加速度分量，计 算量大。2惯性导航的发展历程及发展方向21世界范围内惯性导航的发展历程以及现状第一代惯性技术是指 1930年以前的惯性技术。 1687年牛顿三大定律的建立

9、成为了惯性导 航的理论基础；到 1852年，傅科提出了陀螺的定义、原理以及应用设想；再到1908年，安修茨研制造出了世界上第一台摆式陀螺罗经，以及 1910年提出的舒勒调谐原理； 第一代惯性技术奠定了整个惯性导航发展的基础。第二代惯性技术开始于 20世纪 40年代火箭发展的初期其主要研究内容从惯性仪表技术发展扩展到惯性导航系统的应用。首先是惯性技术在德国 V2火箭上的第一次成功应用。 然后到50年代中后期，0. 5nmile /h的单自由度液浮陀螺平台惯导系统研发并应用成功【5】。接着1968年，漂移约为0. 0050/h的G68鰹动压陀螺研制成功。这一时期，同时还出现了另 一种惯性传感器一加

10、速度计。在技术理论研究方面，为了减少陀螺仪表支承的摩擦与干扰。 气浮、液浮、磁悬浮、挠性和静电等支承悬浮技术被逐步采用； 1960年激光技术的出现更是 为今后激光陀螺的发展提供了理论支持，并使捷联惯性导航理论研究趋于完善。第三代惯性技术出现在 70年代中期，这一阶段出现了一些新型陀螺、加速度计和相应的惯性导航系统。其研究目标是进一步提高INS的性能并通过多种技术途径来扩展和应用惯性技术。这一阶段的主要陀螺包括：动力调谐陀螺、静电陀螺、环形激光陀螺、干涉式光纤 陀螺等。当前，属于惯性技术发展的第四代阶段，其目标是实现精度高、高可靠性、低成本、 数字化、小型化、应用领域更加广泛的导航系统。一方面，

11、陀螺的精度不断提高，漂移量高 达10-6 o/h ;另一方面，随着新型固态陀螺仪的逐渐成熟。以及高速度、大容量的数字计算 机技术的进步。2. 2我国惯性导航的发展历程自从“六五”开始。原国防科工委就把惯性技术纳入到预先研究和应用发展中，经过多年的努力建设， 惯性技术作为国防预研关键技术已纳入到信息化建设系统中重点建设。并已经形成一定规模的研发与生产能力。 此外， 还建成了比较现代化的中心实验室， 拥有一大批惯性技术研究与生产人员， 而且已经研制出了多种有自主知识产权的惯性导航系统。 在人 造地球卫星、 运载火箭、 大飞机、舰艇等研究项目上都采用了我国自主研制的惯性导航系统。 从整体上来看，我国

12、惯性导航技术的发展跟国际上一些发达国家相比有明显的差距。目前， 在导航级、战略级领域，传统的机电仪表及系统仍占主导地位。在战术级领域，主要是动力 调谐陀螺构成的捷联惯导系统， 激光陀螺惯性导航系统所占的比例已经呈现出逐渐增长的趋 势。预计到 2014年，在导航级、战术级领域，激光陀螺惯导系统将会占主体地位，同时光纤 陀螺导航系统也将会出现一些实用性产品，在战术级、导航级领域推广其应用。23惯性导航系统的发展趋势惯性导航系统的设计和发展必须考虑权衡的主要因素：1. 须针对并满足应用的需求。其中价格成本和导航性能是首要的两个特征指标。价格成 本包括系统自身的成本维护以及使用寿命。 因此， 对于很多

13、惯导的应用， 价格合理仍然被置 于应用要求的最前面。导航的性能包括：导航的精确性、连续性、易用性、完整性。易用性 是指系统容易使用和维护、系统的自主性等。2. 现实中的应用环境是最大的挑战。系统的体积、功耗、可靠性和可用性都会关系到惯 性导航系统在整个具体的应用环境中能否被采用。3. 提高惯性导航系统的通用性。扩大其应用领域。惯性导航技术的发展和进步呈现如下特点：在无法接收GNS信号或是需要导航可靠性高的应用场合，高性能的自主 INS仍然具有无法取代的地位。(2) GNSS技术的迅速发展及进步，将会取代部分传统的INS应用领域。(3) 车辆导航等民用市场发展迅速， 价格低廉的一体化、 小型化、

14、 多种模式组合的导航设 备成为未来市场发展的三个重要方向，这是惯性导航系统发展的机遇，也是挑战。4 惯性导航和其他导航方式的组合 因为惯性导航原理决定了单一的惯性导航系统存在导航误差，并且随时间而累积， 导航精度将随时间而发散，所以惯性导航系统不能够单独长时间工作，必须定期校准， 否则将出现重大偏差。 随着现代控制理论和微电子、 计算机以及信息融合等学科的发展， 在导航领域内，展开了以惯性导航系统为主的组合导航的多导航系统研究。组合导航的基本原理是指利用信息融合技术，通过最优估计、数字滤波以及信号处 理方法将多种导航系统如卫星、无线电、天文、地形及景象匹配等导航系统的结合。从 而发挥各种导航技

15、术的优势， 使之达到比任何单一导航方式更高的导航精度以及可靠性。常见的有以惯性导航和 GPS卫星导航组合而成的（INS /GPS）【4】导航系统。与惯性导航 相比GPS具有成本更低，导航精度更高，而且误差不会随时间积累等优势。GPS导航系统输出的将导航信息作为系统状态的观测量， 将通过卡尔曼滤波对系统的状态 （速度、位 置） 和误差进行最优估计， 从而实现对惯导系统的校准以及误差补偿。 而惯性导航系统的自主、实时、连续等优点可以弥补GPS易受干扰、动态环境可靠性差的不足。3 惯性导航技术的应用惯性导航系统具有自主的、不对外辐射信号、不受外界干扰等优点的系统。它是以合适的方式满足用户的导航需求。

16、随着军事和商业等领域内对导航技术需求的增长，惯性导航技术将不断拓展到新的应用领域，其范周已经由原来的陆地车辆、船舶、舰艇、航空飞 行器等扩展到了大地测量、 资源勘测、 地球物理测量、 海洋探测、 铁路、 隧道、航天飞机、 星际探测、制导武器等各个方面，尤其实在军事战争方面，海湾战争和伊拉克战争中，以 军和美军就采用了 GPV INS作为中段制导，红外成像、地形辅助、图像匹配作为末段制导 的复合式制导方式的精确制导武器如，SLAM口“战斧”巡航导弹，联合直接攻击弹药JDAM）等在战争中发挥强大的摧毁性作用 。在我们日常生活中的必备用品中，如：摄影机、儿童 玩具中惯导技术也被广泛应用。不同领域内使

17、用惯性传感器的目的、 方法大致相同。 但是对器件性能要求的就各不相 同。从精度方面的性能来看 , 航天与航海领域就对精度要求比较高，其连续工作时间也要 长; 从系统的使用寿命来看，人造卫星、空间站等航天器要求最高，因为它们发射升空后 不可更换或维修， 而制导武器对系统寿命要求最短， 但必须要满足长时间战备的要求。 涉 及到军事应用等领域，对可靠性能要求比较高。总而言之， 在惯性导航系统研究方面， 价格低廉且体积小和高精度、 高性能的惯性传 感器，是未来一段时间内的发展方向，并将成为军事和民用领域内关注的焦点。4. 结语惯性导航技术成本低、可靠性高、尺寸小、功耗低，同时提高了激光、光纤陀螺等的精

18、度。采用微电子技术的各种新技术后，可以用单晶硅材料做出特性优良和可靠性高的硅微惯性测量装置。随着对高性能、高可靠性自主导航系统的应用需求不断增强以及多模技术的广泛应用， 组合导航系统将逐步替代单一的INS成为未来的主要导航手段。 惯性传感器和现代控制理论以及信息融合技术的迅速发展使惯性导航系统正朝着小型化、捷联化、组合导航的方向发展。多系统融合，多种导航方式组合，自动故障检测和隔离，智能导航和友好的人机交互界面将会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十分重要角色。参考文献1 以光衡惯性导航原理 M. 北京；航空工业出版社， 1987.2 陈永冰，钟斌 . 惯性导航原理 北京；国防工业出版杜，2007。3 袁信，余济祥，陈哲导航系统 M 北京；航空工业出版社，1993。4 张曦文，陈燕飞 . GPSINS 复合制导技术 J 情报指挥控制系统与仿真技术， 2005。5 李俊博， 朱涛，邹艳忠. 陀螺稳定系统参数测试仪设计 期刊论文-计算机测量与控制 2011(2)6 杨昆,康戈文 ,李洪 重力场和地磁场综合匹配在导航中的运用期刊论文 -船海工程2010(1)7 Neil Barbour;George Schmidt Inertial Senso