慣導的發(fā)展與應用學術(shù)論文文化選修課

1、學術(shù)論文寫作課程論文慣性導航的發(fā)展和應用姓 名：學院（系）：自動化學院專 業(yè)：班 級：學 號：二0二年四月九日慣性導航的發(fā)展和應用摘要：慣性導航技術(shù)，通過陀螺儀和加速度計測量載體的角速率和加速度信息，經(jīng) 積分運算得到載體的速度和位置信息。包括平臺式慣導系統(tǒng)和捷聯(lián)慣導系統(tǒng)。本文 闡述了慣性導航的基本原理，并例舉了常見的導航系統(tǒng)，簡述了其特點和其應用，總 結(jié)了世界范圍內(nèi)的慣性導航發(fā)展歷程以及發(fā)展趨勢，其中重點介紹了國內(nèi)導航的發(fā)展路程。關鍵詞：慣性導航；平臺式慣導系統(tǒng)；捷聯(lián)慣導系統(tǒng)；組合導航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. 引言慣性導航(Inenial Navigation)是20世紀中期發(fā)展起來的完自主式的導航技術(shù)。慣性導航系統(tǒng)利用慣性敏感元件測量載體

5、相對慣性空間的線運動和角運動參數(shù)，利用牛頓運動定律自動推 算載體的瞬時速度和位置信息，具有不依賴外界信息、不受干擾、不向外界輻射能量、隱蔽性 好的特點，而且慣導系統(tǒng)能夠連續(xù)地提供載體的全部導航、制導參數(shù)(位置、姿態(tài)角、線速度、角速度)，故廣泛應用于航海、航天、航空領域，特別是軍事領域。2慣性導航的基本原理【1】【2】在平面中取oxy為定位坐標系，設載體的瞬時位置為(x，y)坐標。如果在載體內(nèi)用一個導航平臺把2個加速度計測量軸分別穩(wěn)定在x和y軸向，則加速度計分別測量載體x和y軸的相對慣性空間的運動加速度，經(jīng)導航計算機的運算得到載體的航行速度，和瞬時位置x、y。7VX=VX0+ '.dt

6、,X=X0+. dt在實際的長航程慣性導航系統(tǒng)中，須考慮地球表面為球面，載體位置用地理經(jīng)緯度 m和n n表示,如果x軸指北，y軸指東，R為地球半徑，則用經(jīng)緯度表示的載體的位置為：m=-dt,D Rcon從結(jié)構(gòu)上看，慣性導航可分為平臺式慣性導航系統(tǒng)（慣性導航組合安裝在慣性平臺的臺體上）和捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)（慣性導航組合直接安裝在飛行器上）。平臺式慣導系統(tǒng)，其導航加速度計和陀螺都安裝在由框架構(gòu)成的穩(wěn)定平臺上，加速度計輸出的信息，送給導航計算機，由它計算航行器位置、速度等導航信息及陀螺的施矩信息。陀螺 在施矩信息作用下，通過平臺穩(wěn)定回路控制平臺跟蹤導航坐標系在慣性空間的角速度。而航行 器的姿態(tài)和方位

7、信息，則從平臺的框架軸上直接測量得到。平臺式慣性導航系統(tǒng)的特點是臺 體上的兩個加速度計輸入軸所構(gòu)成的基準平面能夠始終跟蹤飛行器所在點的水平面（由 加速度計與陀螺儀組成舒拉回路來保證），因此加速度計不會受重力加速度的影響。這 種系統(tǒng)多應用于沿地球表面作等速運動的飛行器（如飛機和巡航導彈等）。在平臺式慣 性導航系統(tǒng)中，框架能隔離飛行器的角振動，儀表工作條件比較好。平臺能直接建立導 航坐標系，計算量小，容易補償和修正儀表的輸出，但是結(jié)構(gòu)復雜，尺寸比較大。捷聯(lián)慣導系統(tǒng)，導航加速度計和陀螺直接安裝在載體上。用陀螺測量的角速度信息'減去計算的導航坐標系相對慣性空間的角速度 '量，得載體坐標

8、系相對導航坐標系的角速度 W,即 w=F廣總',利用該信息計算姿態(tài)矩陣， 然后將加速度信息轉(zhuǎn)換到慣性坐標系或當?shù)氐乩碜鴺讼?中，從而實現(xiàn)“數(shù)字平臺”，然后再進行速度位置的計算。與平臺式慣導系統(tǒng)比較而言，捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)省去了平臺，因此結(jié)構(gòu)簡單、體積小、維護方便，但是陀螺儀和加速度計直接裝在飛行器上，由于工作條件不佳，會降低儀表的精度。同時這種系統(tǒng)的加速度 計輸出的是機體坐標系的加速度分量，需要經(jīng)計算機轉(zhuǎn)換成導航坐標系加速度分量，計 算量大。2慣性導航的發(fā)展歷程及發(fā)展方向21世界范圍內(nèi)慣性導航的發(fā)展歷程以及現(xiàn)狀第一代慣性技術(shù)是指 1930年以前的慣性技術(shù)。 1687年牛頓三大定律的建立

9、成為了慣性導 航的理論基礎；到 1852年，傅科提出了陀螺的定義、原理以及應用設想；再到1908年，安修茨研制造出了世界上第一臺擺式陀螺羅經(jīng)，以及 1910年提出的舒勒調(diào)諧原理； 第一代慣性技術(shù)奠定了整個慣性導航發(fā)展的基礎。第二代慣性技術(shù)開始于 20世紀 40年代火箭發(fā)展的初期其主要研究內(nèi)容從慣性儀表技術(shù)發(fā)展擴展到慣性導航系統(tǒng)的應用。首先是慣性技術(shù)在德國 V2火箭上的第一次成功應用。 然后到50年代中后期，0. 5nmile /h的單自由度液浮陀螺平臺慣導系統(tǒng)研發(fā)并應用成功【5】。接著1968年，漂移約為0. 0050/h的G68鰹動壓陀螺研制成功。這一時期，同時還出現(xiàn)了另 一種慣性傳感器一加

10、速度計。在技術(shù)理論研究方面，為了減少陀螺儀表支承的摩擦與干擾。 氣浮、液浮、磁懸浮、撓性和靜電等支承懸浮技術(shù)被逐步采用； 1960年激光技術(shù)的出現(xiàn)更是 為今后激光陀螺的發(fā)展提供了理論支持，并使捷聯(lián)慣性導航理論研究趨于完善。第三代慣性技術(shù)出現(xiàn)在 70年代中期，這一階段出現(xiàn)了一些新型陀螺、加速度計和相應的慣性導航系統(tǒng)。其研究目標是進一步提高INS的性能并通過多種技術(shù)途徑來擴展和應用慣性技術(shù)。這一階段的主要陀螺包括：動力調(diào)諧陀螺、靜電陀螺、環(huán)形激光陀螺、干涉式光纖 陀螺等。當前，屬于慣性技術(shù)發(fā)展的第四代階段，其目標是實現(xiàn)精度高、高可靠性、低成本、 數(shù)字化、小型化、應用領域更加廣泛的導航系統(tǒng)。一方面，

11、陀螺的精度不斷提高，漂移量高 達10-6 o/h ;另一方面，隨著新型固態(tài)陀螺儀的逐漸成熟。以及高速度、大容量的數(shù)字計算 機技術(shù)的進步。2. 2我國慣性導航的發(fā)展歷程自從“六五”開始。原國防科工委就把慣性技術(shù)納入到預先研究和應用發(fā)展中，經(jīng)過多年的努力建設， 慣性技術(shù)作為國防預研關鍵技術(shù)已納入到信息化建設系統(tǒng)中重點建設。并已經(jīng)形成一定規(guī)模的研發(fā)與生產(chǎn)能力。 此外， 還建成了比較現(xiàn)代化的中心實驗室， 擁有一大批慣性技術(shù)研究與生產(chǎn)人員， 而且已經(jīng)研制出了多種有自主知識產(chǎn)權(quán)的慣性導航系統(tǒng)。 在人 造地球衛(wèi)星、 運載火箭、 大飛機、艦艇等研究項目上都采用了我國自主研制的慣性導航系統(tǒng)。 從整體上來看，我國

12、慣性導航技術(shù)的發(fā)展跟國際上一些發(fā)達國家相比有明顯的差距。目前， 在導航級、戰(zhàn)略級領域，傳統(tǒng)的機電儀表及系統(tǒng)仍占主導地位。在戰(zhàn)術(shù)級領域，主要是動力 調(diào)諧陀螺構(gòu)成的捷聯(lián)慣導系統(tǒng)， 激光陀螺慣性導航系統(tǒng)所占的比例已經(jīng)呈現(xiàn)出逐漸增長的趨 勢。預計到 2014年，在導航級、戰(zhàn)術(shù)級領域，激光陀螺慣導系統(tǒng)將會占主體地位，同時光纖 陀螺導航系統(tǒng)也將會出現(xiàn)一些實用性產(chǎn)品，在戰(zhàn)術(shù)級、導航級領域推廣其應用。23慣性導航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢慣性導航系統(tǒng)的設計和發(fā)展必須考慮權(quán)衡的主要因素：1. 須針對并滿足應用的需求。其中價格成本和導航性能是首要的兩個特征指標。價格成 本包括系統(tǒng)自身的成本維護以及使用壽命。 因此， 對于很多

13、慣導的應用， 價格合理仍然被置 于應用要求的最前面。導航的性能包括：導航的精確性、連續(xù)性、易用性、完整性。易用性 是指系統(tǒng)容易使用和維護、系統(tǒng)的自主性等。2. 現(xiàn)實中的應用環(huán)境是最大的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)的體積、功耗、可靠性和可用性都會關系到慣 性導航系統(tǒng)在整個具體的應用環(huán)境中能否被采用。3. 提高慣性導航系統(tǒng)的通用性。擴大其應用領域。慣性導航技術(shù)的發(fā)展和進步呈現(xiàn)如下特點：在無法接收GNS信號或是需要導航可靠性高的應用場合，高性能的自主 INS仍然具有無法取代的地位。(2) GNSS技術(shù)的迅速發(fā)展及進步，將會取代部分傳統(tǒng)的INS應用領域。(3) 車輛導航等民用市場發(fā)展迅速， 價格低廉的一體化、 小型化、

14、 多種模式組合的導航設 備成為未來市場發(fā)展的三個重要方向，這是慣性導航系統(tǒng)發(fā)展的機遇，也是挑戰(zhàn)。4 慣性導航和其他導航方式的組合 因為慣性導航原理決定了單一的慣性導航系統(tǒng)存在導航誤差，并且隨時間而累積， 導航精度將隨時間而發(fā)散，所以慣性導航系統(tǒng)不能夠單獨長時間工作，必須定期校準， 否則將出現(xiàn)重大偏差。 隨著現(xiàn)代控制理論和微電子、 計算機以及信息融合等學科的發(fā)展， 在導航領域內(nèi)，展開了以慣性導航系統(tǒng)為主的組合導航的多導航系統(tǒng)研究。組合導航的基本原理是指利用信息融合技術(shù)，通過最優(yōu)估計、數(shù)字濾波以及信號處 理方法將多種導航系統(tǒng)如衛(wèi)星、無線電、天文、地形及景象匹配等導航系統(tǒng)的結(jié)合。從 而發(fā)揮各種導航技

15、術(shù)的優(yōu)勢， 使之達到比任何單一導航方式更高的導航精度以及可靠性。常見的有以慣性導航和 GPS衛(wèi)星導航組合而成的（INS /GPS）【4】導航系統(tǒng)。與慣性導航 相比GPS具有成本更低，導航精度更高，而且誤差不會隨時間積累等優(yōu)勢。GPS導航系統(tǒng)輸出的將導航信息作為系統(tǒng)狀態(tài)的觀測量， 將通過卡爾曼濾波對系統(tǒng)的狀態(tài) （速度、位 置） 和誤差進行最優(yōu)估計， 從而實現(xiàn)對慣導系統(tǒng)的校準以及誤差補償。 而慣性導航系統(tǒng)的自主、實時、連續(xù)等優(yōu)點可以彌補GPS易受干擾、動態(tài)環(huán)境可靠性差的不足。3 慣性導航技術(shù)的應用慣性導航系統(tǒng)具有自主的、不對外輻射信號、不受外界干擾等優(yōu)點的系統(tǒng)。它是以合適的方式滿足用戶的導航需求。

16、隨著軍事和商業(yè)等領域內(nèi)對導航技術(shù)需求的增長，慣性導航技術(shù)將不斷拓展到新的應用領域，其范周已經(jīng)由原來的陸地車輛、船舶、艦艇、航空飛 行器等擴展到了大地測量、 資源勘測、 地球物理測量、 海洋探測、 鐵路、 隧道、航天飛機、 星際探測、制導武器等各個方面，尤其實在軍事戰(zhàn)爭方面，海灣戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭中，以 軍和美軍就采用了 GPV INS作為中段制導，紅外成像、地形輔助、圖像匹配作為末段制導 的復合式制導方式的精確制導武器如，SLAM口“戰(zhàn)斧”巡航導彈，聯(lián)合直接攻擊彈藥JDAM）等在戰(zhàn)爭中發(fā)揮強大的摧毀性作用 。在我們?nèi)粘Ｉ钪械谋貍溆闷分校纾簲z影機、兒童 玩具中慣導技術(shù)也被廣泛應用。不同領域內(nèi)使

17、用慣性傳感器的目的、 方法大致相同。 但是對器件性能要求的就各不相 同。從精度方面的性能來看 , 航天與航海領域就對精度要求比較高，其連續(xù)工作時間也要 長; 從系統(tǒng)的使用壽命來看，人造衛(wèi)星、空間站等航天器要求最高，因為它們發(fā)射升空后 不可更換或維修， 而制導武器對系統(tǒng)壽命要求最短， 但必須要滿足長時間戰(zhàn)備的要求。 涉 及到軍事應用等領域，對可靠性能要求比較高?？偠灾?， 在慣性導航系統(tǒng)研究方面， 價格低廉且體積小和高精度、 高性能的慣性傳 感器，是未來一段時間內(nèi)的發(fā)展方向，并將成為軍事和民用領域內(nèi)關注的焦點。4. 結(jié)語慣性導航技術(shù)成本低、可靠性高、尺寸小、功耗低，同時提高了激光、光纖陀螺等的精

18、度。采用微電子技術(shù)的各種新技術(shù)后，可以用單晶硅材料做出特性優(yōu)良和可靠性高的硅微慣性測量裝置。隨著對高性能、高可靠性自主導航系統(tǒng)的應用需求不斷增強以及多模技術(shù)的廣泛應用， 組合導航系統(tǒng)將逐步替代單一的INS成為未來的主要導航手段。 慣性傳感器和現(xiàn)代控制理論以及信息融合技術(shù)的迅速發(fā)展使慣性導航系統(tǒng)正朝著小型化、捷聯(lián)化、組合導航的方向發(fā)展。多系統(tǒng)融合，多種導航方式組合，自動故障檢測和隔離，智能導航和友好的人機交互界面將會是未來導航系統(tǒng)的特點。慣性導航技術(shù)將在未來導航定位系統(tǒng)中扮演十分重要角色。參考文獻1 以光衡慣性導航原理 M. 北京；航空工業(yè)出版社， 1987.2 陳永冰，鐘斌 . 慣性導航原理 北京；國防工業(yè)出版杜，2007。3 袁信，余濟祥，陳哲導航系統(tǒng) M 北京；航空工業(yè)出版社，1993。4 張曦文，陳燕飛 . GPSINS 復合制導技術(shù) J 情報指揮控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)， 2005。5 李俊博， 朱濤，鄒艷忠. 陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)參數(shù)測試儀設計 期刊論文-計算機測量與控制 2011(2)6 楊昆,康戈文 ,李洪 重力場和地磁場綜合匹配在導航中的運用期刊論文 -船海工程2010(1)7 Neil Barbour;George Schmidt Inertial Senso