慣性儀器測試與數(shù)據(jù)分析概述

1、1第一章 概 述 主要內(nèi)容： 一、慣性導(dǎo)航基本概念及其應(yīng)用 二、慣性器件（陀螺儀和加速度計(jì)）介紹 三、慣性器件測試內(nèi)容 四、本課程的主要內(nèi)容與意義 2一、慣性導(dǎo)航及其應(yīng)用1、慣性導(dǎo)航基本概念： 慣性導(dǎo)航是指借助于慣性技術(shù)引導(dǎo)運(yùn)載體從起始位置行駛至目標(biāo)位置?？梢詫晌恢弥g關(guān)系看作一矢量，既有方向又有距離長短，不論行駛的路徑是直線還是曲線，只有在合適的方向和路徑長短下才能到達(dá)目標(biāo)位置。慣性技術(shù)的核心傳感器是陀螺儀和加速度計(jì)。起始點(diǎn) 目標(biāo)點(diǎn)3一、慣性導(dǎo)航及其應(yīng)用1、慣性導(dǎo)航基本概念（其它導(dǎo)航方法比較）：衛(wèi)星導(dǎo)航無線電導(dǎo)航天文導(dǎo)航多普勒導(dǎo)航地磁匹配導(dǎo)航地形匹配導(dǎo)航景象匹配導(dǎo)航重力匹配導(dǎo)航4一、慣性導(dǎo)

2、航及其應(yīng)用2、慣性導(dǎo)航優(yōu)缺點(diǎn)：1、自主性好：不需要其它外來信息2、隱蔽性強(qiáng)：不會(huì)向外輻射任何信息3、信息全面：高頻率甚至連續(xù)的運(yùn)載體實(shí)時(shí)角速度、加速度、姿態(tài)、速度和位置優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)：導(dǎo)航誤差隨時(shí)間不斷積累（措施：研制高精度器件；測試建模提高實(shí)際使用精度）5一、慣性導(dǎo)航及其應(yīng)用3、應(yīng)用（軍用）（1）運(yùn)載火箭（3）戰(zhàn)斗機(jī)（4）核潛艇（2）交匯對(duì)接6一、慣性導(dǎo)航及其應(yīng)用3、應(yīng)用（軍用）（6）陸地戰(zhàn)車（7）單兵武器（5）戰(zhàn)略導(dǎo)彈2015.9.3閱兵 40多種型號(hào)裝備500多件、20多種型號(hào)飛機(jī)200多架，84%首次亮相。7一、慣性導(dǎo)航及其應(yīng)用3、應(yīng)用（民用）（1）民航飛機(jī)（5）智能手機(jī) （3）攝影（2）石

3、油測井（4）空鼠/體感遙控器8一、慣性導(dǎo)航及其應(yīng)用3、應(yīng)用（民用）Segway(賽格威)無人機(jī)獨(dú)輪車9二、慣性器件（陀螺儀和加速度計(jì)）介紹慣性器件陀螺儀基于經(jīng)典力學(xué)：液浮陀螺、動(dòng)力調(diào)諧 陀螺、靜電陀螺服從量子力學(xué)：激光陀螺、光纖陀螺、 原子陀螺基于微加工技術(shù)：微機(jī)械陀螺加速度計(jì)：1、分類：擺式陀螺積分加速度計(jì)、液浮擺式加速度計(jì)、石英撓性擺式加速度計(jì)和硅微加速度計(jì)等10二、慣性器件（陀螺儀和加速度計(jì)）介紹2、陀螺儀：（1）幾種玩具陀螺（2）框架陀螺儀 凱爾特石（抖退石，回旋陀螺）11二、慣性器件（陀螺儀和加速度計(jì)）介紹2、陀螺儀：機(jī)械陀螺儀（慣性導(dǎo)航）的主要發(fā)展歷程：1. 1687年，牛頓提出了

4、力學(xué)三定律，是慣性導(dǎo)航的理論基礎(chǔ)；2. 1786年歐拉創(chuàng)立了轉(zhuǎn)子陀螺儀的力學(xué)基本原理；3. 1852年傅科制造了驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的測量裝置，將其稱為Gyroscope（陀螺），由于精度低只能觀察到地球自轉(zhuǎn)而未能精確測出地球自轉(zhuǎn)角速度；4. 1908年安修茨制造了世界上第一臺(tái)擺式陀螺羅經(jīng)；5. 1910年修拉提出了修拉調(diào)諧原理，為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)；6. 二戰(zhàn)期間，德國V-2火箭采用了陀螺和加速度計(jì)組成的制導(dǎo)系統(tǒng)，但其設(shè)計(jì)粗糙，制導(dǎo)精度極低；7. 20世紀(jì)50年代美國麻省理工學(xué)院（MIT）德雷帕實(shí)驗(yàn)室采用液浮支承，研制成功了單自由度液浮陀螺，60年代，液浮陀螺技術(shù)日臻完善，其漂移達(dá)到了11

5、0-4/h；8. 60年代，英國皇家航空研究院提出了撓性支承的概念，撓性陀螺開始出現(xiàn) ；9. 20世紀(jì)70年代，美國研制成了靜電陀螺；巴黎國葬院12二、慣性器件（陀螺儀和加速度計(jì)）介紹2、陀螺儀：（3）單自由度液浮陀螺儀（4）撓性陀螺儀13二、慣性器件（陀螺儀和加速度計(jì)）介紹2、陀螺儀：（5）靜電陀螺儀14二、慣性器件（陀螺儀和加速度計(jì)）介紹2、陀螺儀：光學(xué)陀螺儀的主要發(fā)展歷程：1. 20世紀(jì)初有人提出利用光的干涉原理測量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，2. 1913年法國物理學(xué)家薩格奈克研制了一種光學(xué)干涉儀，3. 1925年邁克爾遜結(jié)合干涉儀研制出了一種光學(xué)陀螺測量裝置，用于測量地球的自轉(zhuǎn)角速度，但所采用的光源是

6、普通光，相干性極差，測量精度低；4. 1917年愛因斯坦提出了光的受激發(fā)射理論； 5. 1960年物理學(xué)家發(fā)明了激光；6. 1963年，美國首先向世界公布了激光陀螺概念，但直到1981年激光陀螺才首次被用于當(dāng)時(shí)新生產(chǎn)的波音747飛機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)中，接著于1983年開始批量生產(chǎn)，其間經(jīng)歷了長達(dá)20年的研制周期。7. 1967年，Pircher和Hepner提出光纖陀螺概念；8. 1976年，Vali和Shorthill進(jìn)行光纖陀螺實(shí)驗(yàn)演示，標(biāo)志著其誕生。 15二、慣性器件（陀螺儀和加速度計(jì)）介紹2、陀螺儀：（6）激光陀螺儀4SLc 16二、慣性器件（陀螺儀和加速度計(jì)）介紹2、陀螺儀：（7）光纖陀螺儀

7、4NSLc 光程差：高錕：2009年諾獎(jiǎng)，“在纖維中傳送光以達(dá)成光學(xué)通訊的開拓成就”17二、慣性器件（陀螺儀和加速度計(jì)）介紹2、陀螺儀：（8）原子陀螺儀斯坦福大學(xué)冷原子干涉陀螺儀巴黎天文臺(tái)冷原子干涉陀螺儀朱棣文：1997年諾獎(jiǎng)“發(fā)明了用激光冷卻和俘獲原子的方法”18二、慣性器件（陀螺儀和加速度計(jì)）介紹2、陀螺儀：（9）微機(jī)械陀螺儀工大要聞(2016.1.30)：常洪龍教授課題組在弱耦合微機(jī)械諧振器方面的研究取得新進(jìn)展19二、慣性器件（陀螺儀和加速度計(jì)）介紹3、加速度計(jì)：（2）陀螺積分加速度計(jì)amamaFaFmm0)(基本原理：當(dāng)相對(duì)慣性空間存在加速度 時(shí)，具有質(zhì)量 的物體上產(chǎn)生慣性力 ，慣性力

8、作用于儀表支撐結(jié)構(gòu)，形成支撐力，（即 ），現(xiàn)有加速度計(jì)都是借助于敏感質(zhì)量和通過檢測支撐力進(jìn)行加速度測量。（1）加速度計(jì)基本原理20二、慣性器件（陀螺儀和加速度計(jì)）介紹3、加速度計(jì)：（4）石英撓性擺式 加速度計(jì)（3）液浮擺式加速度計(jì)21二、慣性器件（陀螺儀和加速度計(jì)）介紹3、加速度計(jì)：（5）微機(jī)械（MEMS）加速度計(jì)22三、慣性器件測試1、慣性器件精度基本概念 （1）海里定義：海里原是航海上的長度單位，它指地球子午線上地理緯度1角分的長度。海里英文為nautical mile，簡寫為nm。 6 378 13722km1861.6 1852.2 1843 地球地球平均半徑為6371300m，其1角

9、分對(duì)應(yīng)的長度為63713002/360/60 = 1853.3 m。國際上采用1852米為標(biāo)準(zhǔn)海里長度，即 1 nm = 1.852 km1852.39.3cos(2 )LSL弧長與緯度關(guān)系：23三、慣性器件測試1、慣性器件精度基本概念 （2）慣性級(jí)導(dǎo)航系統(tǒng)：在航空慣性導(dǎo)航行業(yè)中，將導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行1h水平定位誤差優(yōu)于1nm（簡寫成1nm/h）的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)稱為慣性級(jí)導(dǎo)航系統(tǒng)。 地球自轉(zhuǎn)角速率15 /h，其千分之一為0.015 /h，稱為毫地轉(zhuǎn)率（1meru-milli earth rate unit），即 1meru = 0.015 /h將達(dá)到0.015 /h精度的陀螺稱為慣性級(jí)陀螺，也常以1m

10、eru的量級(jí)0.01 /h表征慣性級(jí)陀螺的精度。 研究表明：0.01 /h精度陀螺將引起慣性級(jí)導(dǎo)航系統(tǒng)1nm/h定位誤差； 110-4g精度加速度計(jì)將引起慣性級(jí)導(dǎo)航系統(tǒng)0.3nm/h定位誤差。慣性級(jí)導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)陀螺精度的要求為0.01 /h，對(duì)加速度計(jì)的精度要求為110-4g（g為重力加速度大小，1g9.8m/s2） 。24三、慣性器件測試2、慣性器件的誤差模型 （1）靜態(tài)誤差模型：指在線運(yùn)動(dòng)條件下慣性儀器的數(shù)學(xué)表達(dá)式，它確定了慣性器件誤差與比力之間的函數(shù)關(guān)系。 誤差模型分類（2）動(dòng)態(tài)誤差模型：指在角運(yùn)動(dòng)條件下慣性儀器的數(shù)學(xué)表達(dá)式，它確定了慣性器件誤差與角速度、角加速度之間的函數(shù)關(guān)系。 （3）隨

11、機(jī)誤差模型：引起慣性儀器誤差的因素眾多、許多是隨機(jī)的、有些機(jī)理尚不明確，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和模型辨識(shí)理論建立隨機(jī)誤差的數(shù)學(xué)表達(dá)式即為隨機(jī)誤差模型。 確定性誤差可通過建模和測試予以補(bǔ)償。一般所指的慣性器件精度習(xí)慣上為靜態(tài)條件下測試的隨機(jī)誤差。 25三、慣性器件測試3、慣性器件測試內(nèi)容（1）研究性測試。根據(jù)儀表工作機(jī)理，推導(dǎo)各有關(guān)參數(shù)間的關(guān)系（物理模型），通過測試發(fā)現(xiàn)存在的缺陷，提出提高儀器性能水平的設(shè)計(jì)方案或改善加工工藝。 測試分類（2）鑒定性測試。按驗(yàn)收文件，確定儀表的性能參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)書的要求。（3）應(yīng)用性測試。通過對(duì)儀表作嚴(yán)格測試，掌握其誤差規(guī)律，建立描述誤差特性的數(shù)學(xué)模型，通過誤差補(bǔ)償提高儀

12、表的使用精度。 慣性器件測試：一般是指在實(shí)驗(yàn)室條件下，使用專門測試設(shè)備獲取儀器輸出數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)確定儀表性能參數(shù)或從中分離出數(shù)學(xué)模型系數(shù)。 26三、慣性器件測試3、慣性器件測試內(nèi)容 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可分為平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，兩者對(duì)測試的內(nèi)容側(cè)重點(diǎn)要求是不一樣的。 （1）平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)27三、慣性器件測試3、慣性器件測試內(nèi)容（2）捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)28三、慣性器件測試3、慣性器件測試內(nèi)容平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)平臺(tái)隔離作用主要受線運(yùn)動(dòng)加速度的影響，而角運(yùn)動(dòng)影響很小慣性器件誤差建模和測試側(cè)重點(diǎn)在于靜態(tài)誤差方面平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度相對(duì)比較高。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)慣性器件直接承受運(yùn)載體的線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)慣性器件的靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤

13、差的建模和測試都非常重要傳統(tǒng)機(jī)械陀螺的動(dòng)態(tài)誤差大，影響因素眾多，建模和測試都比較復(fù)雜；而新型陀螺，比如激光陀螺，線加速度和角速度引起的靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差都很小，將成為構(gòu)建捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的理想器件。29三、慣性器件測試4、課程主要內(nèi)容與意義 本課程的基本內(nèi)同包括：（1）慣性器件（單自由度轉(zhuǎn)子陀螺儀、石英撓性擺式加速度計(jì)和激光陀螺）的基本工作原理、誤差分析和建模；（2）常用慣性測試設(shè)備（水平儀、平板、分度頭、速率和位置轉(zhuǎn)臺(tái)、離心機(jī)、線振動(dòng)臺(tái)和高低溫溫箱等）的用途和使用方法；（3）慣性器件常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目的測試方法；（4）典型的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理技術(shù)（回歸分析、時(shí)間序列分析、頻譜分析和Allan方差分析）

14、；（5）隨機(jī)系統(tǒng)的仿真與Kalman濾波技術(shù)； （6）捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)和平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)的標(biāo)定技術(shù)。課程意義： 慣性器件測試是一門高精密的技術(shù)，有許多繁瑣和細(xì)致的工作需要做，需要足夠的耐心和細(xì)心，需要善于發(fā)現(xiàn)問題的敏銳眼光和解決問題的新穎思路，它對(duì)培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究精神、良好的工程實(shí)踐能力和踏實(shí)的工作作風(fēng)具有重要的意義。 30一、慣性導(dǎo)航及其應(yīng)用3、應(yīng)用（軍用）（6）陸地戰(zhàn)車（7）單兵武器（5）戰(zhàn)略導(dǎo)彈2015.9.3閱兵 40多種型號(hào)裝備500多件、20多種型號(hào)飛機(jī)200多架，84%首次亮相。31一、慣性導(dǎo)航及其應(yīng)用3、應(yīng)用（民用）（1）民航飛機(jī)（5）智能手機(jī) （3）攝影（2）石油測井（4）空鼠/體

15、感遙控器32二、慣性器件（陀螺儀和加速度計(jì)）介紹2、陀螺儀：光學(xué)陀螺儀的主要發(fā)展歷程：1. 20世紀(jì)初有人提出利用光的干涉原理測量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，2. 1913年法國物理學(xué)家薩格奈克研制了一種光學(xué)干涉儀，3. 1925年邁克爾遜結(jié)合干涉儀研制出了一種光學(xué)陀螺測量裝置，用于測量地球的自轉(zhuǎn)角速度，但所采用的光源是普通光，相干性極差，測量精度低；4. 1917年愛因斯坦提出了光的受激發(fā)射理論； 5. 1960年物理學(xué)家發(fā)明了激光；6. 1963年，美國首先向世界公布了激光陀螺概念，但直到1981年激光陀螺才首次被用于當(dāng)時(shí)新生產(chǎn)的波音747飛機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)中，接著于1983年開始批量生產(chǎn)，其間經(jīng)歷了長達(dá)20年的研制周期。7. 1967年，Pircher和Hepner提出光纖陀螺概念；8. 1976年，Vali和Shorthill進(jìn)行光纖陀螺實(shí)驗(yàn)演示，標(biāo)志著其誕生。 33二、慣性器件（陀螺儀和加速度計(jì)）介紹3、加速度計(jì)：（5）微機(jī)械（MEMS）加速度計(jì)34三、慣性器件測試3、慣性器件測試內(nèi)容（1）研究性測試。根據(jù)儀表工作機(jī)理，推導(dǎo)各有關(guān)參數(shù)間的關(guān)系（物理模型），通過測試發(fā)現(xiàn)存在的缺陷，提出提高儀器性能水平