慣性導航系統(tǒng)

1、慣性導航系統(tǒng)慣性導航系統(tǒng)(InertialNavigationSystem,INS)1、基本概念慣性導航系統(tǒng)（INS）是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導航系統(tǒng)。其工作環(huán)境不僅包括空中、地面，還可以在水下。慣性導航系統(tǒng)目前已經發(fā)展出撓性慣導、光纖慣導、激光慣導、微固態(tài)慣性儀表等多種方式。陀螺儀由傳統(tǒng)的繞線陀螺發(fā)展到靜電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺、微機械陀螺等。激光陀螺測量動態(tài)范圍寬，線性度好，性能穩(wěn)定，具有良好的溫度穩(wěn)定性和重復性，在高精度的應用領域中一直占據(jù)著主導位置。由于科技進步，成本較低的光纖陀螺（FOG和微機械陀螺（MEMS精度越來越高，是未來陀螺技術發(fā)展的方向。我國的慣

2、導技術近年來已經取得了長足進步，液浮陀螺平臺慣性導航系統(tǒng)、動力調諧陀螺四軸平臺系統(tǒng)已相繼應用于長征系列運載火箭。其他各類小型化捷聯(lián)慣導、光纖陀螺慣導、激光陀螺慣導以及匹配GPS修正的慣導裝置等也已經大量應用于戰(zhàn)術制導武器、飛機、艦艇、運載火箭、宇宙飛船等。如漂移率0.010-0.020/h的新型激光陀螺捷聯(lián)系統(tǒng)在新型戰(zhàn)機上試飛，漂移率0.050/h以下的光纖陀螺、捷聯(lián)慣導在艦艇、潛艇上的應用，以及小型化撓性捷聯(lián)慣導在各類導彈制導武器上的應用，都極大的改善了我軍裝備的性能。慣性導航系統(tǒng)有如下主要優(yōu)點：（1）由于它是不依賴于任何外部信息，也不向外部輻射能量的自主式系統(tǒng)，故隱蔽性好，也不受外界電磁干

3、擾的影響；（2）可全天流全球、全時間地工作于空中、地球表面乃至水下；（3）能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，所產生的導航信息連續(xù)性好而且噪聲低；（4）數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好。具缺點是：（1）由于導航信息經過積分而產生，定位誤差隨時間而增大，長期精度差；（2）每次使用之前需要較長的初始對準時間；（3）設備的價格較昂貴；（4）不能給出時間信息。但慣導有固定的漂移率，這樣會造成物體運動的誤差，因此射程遠的武器通常會采用指令、GPS等對慣導進行定時修正，以獲取持續(xù)準確的位置參數(shù)。2、慣性導航原理目前，慣性導航分為兩大類：平臺式慣導和捷聯(lián)式慣導。它們的主要區(qū)別在于，前者有實體的物理平臺，陀螺

4、和加速度計置于由陀螺定的平臺上，該平臺跟蹤導航坐標系，以實現(xiàn)速度和位置解算，姿態(tài)數(shù)據(jù)直接取自于平臺的環(huán)架；在捷聯(lián)式慣導中，陀螺和加速度計直接固連在載體上。慣性平臺的功能由計算機完成，故有時也稱作“數(shù)學平臺”，它的姿態(tài)數(shù)據(jù)時通過計算得到的。慣導有固定的漂移率，這樣會造成物體運動的誤差，因此長射程的武器通常會采用指令、GPS等對慣導進行定時修正，以獲取持續(xù)準確的位置參數(shù)。比如中距空空導彈中段采用捷聯(lián)式慣導+指令修正，以獲取持續(xù)準確的位置參數(shù)。慣性導航的基本工作原理是以牛頓力學定律為基礎，通過測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時間進行積分，且把它變換到導航坐標系中，就能夠得到在導航坐標系中的速度、

5、偏航角和位置等信息。慣性導航系統(tǒng)屬于一種推算導航方式.即從一已知點的位置根據(jù)連續(xù)測得的運載體航向角和速度推算出其下一點的位置.因而可連續(xù)測出運動體的當前位置。慣性導航系統(tǒng)中的陀螺儀用來形成一個導航坐標系使加速度計的測量軸穩(wěn)定在該坐標系中并給出航向和姿態(tài)角；加速度計用來測量運動體的加速度經過對時間的一次和分得到速度，速度再經過對時間的一次積分即可得到距離。慣性導航的發(fā)展概況由于陀螺儀是慣性導航的核心部件，因此，可以按各種類型陀螺出現(xiàn)的先后、理論的建立和新型傳感器制造技術的出現(xiàn)，將慣性技術的發(fā)展劃分為四代，但是慣性技術發(fā)展的各階段之間并無明顯界線。第一代慣性技術指1930年以前的慣性技術。自168

6、7年牛頓三大定律的建立，并成為慣性導航的理論基礎；到1852年，傅科（LeonFoucault）提出陀螺的定義、原理及應用設想；再到1908年由安修茨（HermannAnschitzKaempfe）研制出世界上第一臺擺式陀螺羅經，以及1910件的舒勒（MaxSchuler）調諧原理；第一代慣性技術奠定了整個慣性導航發(fā)展的基礎。第二代慣性技術開始于上世紀40年代火箭發(fā)展的初期，其研究內容從慣性儀表技術發(fā)展擴大到慣性導航系統(tǒng)的應用。首先是慣性技術在德國V-II火箭上的第一次成功應用。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)研制并應用成功。1968年，漂移約為0.0050

7、/h的G6B強動壓陀螺研制成功。這一時期，還出現(xiàn)了另一種慣性傳感器-加速度計。在技術理論研究方面，為減少陀螺儀表支承的摩擦與干擾，撓性、液浮、氣浮、磁懸浮和靜電等支承懸浮技術被逐步采用；1960年激光技術的出現(xiàn)為今后激光陀螺（RLG）的發(fā)展提供了理論支持；捷聯(lián)慣性導航（SINS）理論研究趨于完善。70年代初期，第三代慣性技術發(fā)展階段出現(xiàn)了一些新型陀螺、加速度計和相應的慣性導航系統(tǒng)（INS）,其研究目標是進一步提高INS的性能，并通過多種技術途徑來推廣和應用慣性技術。這一階段的主要陀螺包括：靜電陀螺（ESG）、動力調諧陀螺（DTG）、環(huán)形激光陀螺（RLG）、干涉式光纖陀螺IFO雷。ESG勺漂移可

8、達10-40/h;DTG勺體積小、結構簡單，隨機漂移可達0.01°/h量級；基于Sagnac=F涉效應的RL住口捷聯(lián)式激光P6螺慣導系統(tǒng)（SINS）在民航方面得到應用，導航精度可達0.1nmile/h。除此之外，超導體陀螺、粒子陀螺、音叉振動陀螺、流體轉子陀螺及固態(tài)陀螺等基于不同物體原理的陀螺儀表相繼設計成功。80年代，伴隨著半導體工藝的成熟和完善，采用微機械結構和控制電路工藝制造的微機電系統(tǒng)（MEMS開始出現(xiàn)。圖l中的陀螺誤差。第三、四階段折線下方到虛線上方為應用新技術制造的新型慣性傳感器。當前，慣性技術正處于第四代發(fā)展階段，其目標是實現(xiàn)高精度、高可靠性、低成本、小型化、數(shù)字化、應

9、用領域更加廣泛的導航系統(tǒng)。一方面，陀螺的精度不斷提高，漂移量可達10-6°/h;另一方面，隨著RLGFOGMEMS新型固態(tài)陀螺儀的逐漸成熟，以及高速大容量的數(shù)字計算機技術的進步，SINS低成本、短期中精度慣性導航中呈現(xiàn)出取代平臺式系統(tǒng)的趨勢。在慣性技術發(fā)展的歷史過程中，Draper驗室、Sperry、原L計ton、Delco、Honeywell>Kearfott、Rockwell、GE(GeneralElectric)以及其它一些公司和研究機構，對慣性技術的成熟和廣泛應用做出了卓越貢獻。三、慣性導航的主要元部件慣性導航系統(tǒng)通常由慣性測量裝置、計算機、控制顯示器等組成。慣性測量裝

10、置包括加速度計和陀螺儀。三個陀螺儀用了測量載體的三個轉動運動；三個加速度計用了測量載體的三個平移運動的加速度。計算機根據(jù)測得的加速度信號計算出載體的速度和位置數(shù)據(jù)?？刂骑@示器顯示出各種導航參數(shù)。1、陀螺儀傳統(tǒng)意義上上的陀螺儀是安裝在框架中繞回轉體的對軸高速旋轉的物體。陀螺儀具有穩(wěn)定性和進動性，利用這些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角偏差的位置陀螺。由于光學、MEMS等技術被引入陀螺儀的研制，現(xiàn)在習慣上把能夠完成陀螺功能的裝置稱為陀螺。陀螺儀種類多種多樣，按陀螺轉子主軸所具有的進動自由度數(shù)目可分為二自由度陀螺儀和單自由度陀螺儀；按支承系統(tǒng)可分為滾珠軸承支承陀螺，液浮、氣浮與磁浮陀螺，撓性陀

11、螺(動力調諧式撓性陀螺儀)，靜電陀螺；按物理原理分為利用高速旋轉體物理特性工作的轉子式陀螺，和利用其他物理原理工作的半球諧振陀螺、微機械陀螺、環(huán)形激光陀螺和光纖陀螺等。陀螺儀有很廣泛的應用，其使用目的有兩個，一個是用陀螺儀來建立一個參考坐標系，另一個目的是用它來測量運動物體的角速度。與此對應，在慣性導航系統(tǒng)的應用中，陀螺儀分別被用做平臺式慣導系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)的敏感元件。在平臺式慣導系統(tǒng)中,用陀螺來穩(wěn)定裝有加速度計的平臺,而產生平臺漂移的主要因素是陀螺漂移，因此，對陀螺漂移值的大小提出一定的限制。對于捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)，除了上述的要求之外，還必須對陀螺儀提出速率范圍，標度系數(shù)的精度、帶寬等特

12、殊要求。由于陀螺儀是應用在各種不同場合，因此對其漂移速度的要求也不盡相同。這與應用的情況，系統(tǒng)的精度要求，使用時間的長短等因素有關。在同一個系統(tǒng)的應用中，采取了不同的總體設計方案時，亦會對陀螺的精度提出不同的要求。一般說來，慣導系統(tǒng)所用陀螺的漂移速度都小于0.1度/h。就使用對象來劃分，戰(zhàn)術彈和火力控制用陀螺儀，漂移速度大于0.1度/h,巡航彈用陀螺儀，漂移速度約在0.01度/h至0.001度/h,彈道導彈用陀螺儀，約在0.001度/h左右。止匕外，對用于半解析式慣導系統(tǒng)中的陀螺儀，由于需要對陀螺進行精確控制，因此，對陀螺中的力矩發(fā)生器的線性度提出了嚴格的要求。2、加速度計加速度計是慣性導航系

13、統(tǒng)的核心元件之一。依靠它對比力的測量，完成慣導系統(tǒng)確定載體的伙置、速度以及產生跟蹤信號的任務。載體加速度的測量必須十分準確地進行，而且是在由陀螺穩(wěn)定的參考坐標系中進行。在不需要進行高度控制的慣導系統(tǒng)中，只要兩個加應度計就可以完成上述任務，否則是應該有三個加速度計。加速度計的基本工作原理為牛頓第二定律。加速度計的分類：按照輸入與輸出的關系可分為普通型、積分性和二次積分型；按物理原理可分為擺式和非擺式，擺式加速度計包括擺式積分加速度計、液浮擺式加速度計和撓性擺式加速度計，非擺式加速度計包括振梁加速度計和靜電加速度計；按測量的自由度可分為單軸、雙軸、三軸；按測量精度可分為高精度（優(yōu)于10-4用/s2

14、）、中精度（i0-2/s2-i0-3m/s2）和低精度（低于0.1m/s2）三類。此外，MEMS術的發(fā)展促使微加速度計制作技術越來越成熟，國內外都將微加速度計開發(fā)作為MEMS術產品化的優(yōu)先項目。與通常的加速度計相比，微加速度計具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高等優(yōu)點，因此可被廣泛運用于航空航天、汽車工業(yè)、工業(yè)自動化及機器人等領域，也給微加速度計的發(fā)展帶來了新的機遇。常見的微加速度計按敏感原理的不同可分為：壓阻式、壓電式、隧道效應式、電容式以及熱敏式等；按照工藝方法又可分為體硅工藝微加速度計和表面工藝微加速度計。自1977年美國斯坦福大學首先利用MEMS術制作了一種開環(huán)微加速度計以來，

15、國內外已開發(fā)出了各種結構和原理的微加速度計。國外一些公司已經實現(xiàn)了部分類型微加速度計的產品化，例如美國A必司199孫就開始批量化生產基于平面工藝的電容式微加速度計。3、慣導平臺慣導平臺式慣性導航系統(tǒng)的核心部件，它的作用是為整個慣性系統(tǒng)提供載體比力的大小和方向，或者說，把載體的比力安希望的坐標系分解為相應的比力分量，如圖所示：比力矢量f慣導平臺4f1除f2*f3為了做到這一點，有兩種方案可行。一是“捷聯(lián)方式”，二是“平臺方式”。在捷聯(lián)方式時，加速度計直接安裝在載體上，測量沿著與載體固連的坐標系軸方向的比力。為了要知道每一瞬間軸坐標系相對計算坐標系的方向，必須在載體上安裝陀螺儀。這種陀螺儀應當能夠

16、以很高的精度在很大的測量范圍內測量載體的旋轉角速度。四、誤差方程1、誤差分類慣性系統(tǒng)常見的主要誤差源中任何一種都可歸入下述五類基本誤差中的一類。1 .結構誤差這種誤差與全套系統(tǒng)結構有關，比如平臺上各元件的機械校準誤差。2 .實際元件誤差這是實際慣性儀表與其設計性能間的偏差。3 .機械編排誤差為了簡化系統(tǒng)整個系統(tǒng)機械編排時作了近似所產生的誤差。4 .操作方法誤差在特殊情況下采用的方法所產生的誤差，它包括精確校準時采用設備不夠理想出現(xiàn)的誤差和裝調儀表時方法不完善所引起的偏差等。5 .由機動航行產生的誤差該誤差與加速度的變化有關，因此對巡航狀態(tài)下的航行體來說，這一誤差主要取決于飛行過程中機動飛行的次

17、數(shù)及其持續(xù)時間。上述各類誤差都是單獨考慮的。2、誤差方程的建立慣性導航系統(tǒng)誤差方程式由平臺誤差角方程式、速度誤差方程式、位置誤差方程式組成。1）、平臺誤差角方程式：rcp=-o(p*0*sin-as.+小所JFTy=二郎d/立+cos(p+sec1)-。8正+as押丁班式中:Mi-6,E=匕£一廠E從方程式可以看出，平臺誤差角的大小是受三類因素制約的。第一類是由于導航參數(shù)有誤差而引起的，第二類是由于平臺誤差角之間的交叉耦合項而引入的誤差，第三類，也似最主要的原因，由于平臺漂移項引起的，也就是陀螺漂移誤差項。方程式中，8.y，必£Wn.38為變量，是待求的誤差項,其它各項為已

18、知的。2）、速度誤差方程式：tg伊sintp+tg（p）,3/根缸cos0"卜""+"聲此sec切）.dip-fi（戶t-2V屈3ecos卯-"e+0）十2/eesinp+tg（p+釗+3-（20,CDS*Ke4V十a（理一2/eCOM-"eJ"+E+2&*cos）f_2fzaf后.wiiiw從方程中可以看出，速度誤差的大小是受三類因素制約的。第一類是由于導航參數(shù)有誤差而引起的，第二類是由于平臺偏離當?shù)厮矫嬉肓薵分量，第三類則是加速度計零偏引起的。3）、位置誤差方程式sec（p+鯉一tgsec華re-它們分別由北

19、向速度誤差和東向速度誤差及緯度誤差引起的。從平臺誤差角方程式和速度誤差方程式以及d*方程式可以看出，34變量均為沒有做為變量形式出現(xiàn)，只要6'e大小已知，34的狀況也就確定了，因此可認為經度誤差方程式是開環(huán)運算的。在討論慣導系統(tǒng)的誤差動態(tài)特性時，可以不考慮經度誤差方程。為了分析慣性導航系統(tǒng)的基本特征，假定載體處于地面靜止狀態(tài)，即有VVV/能=匕tf=0./匕=0S"，。J，于是慣性導航系統(tǒng)誤差方程可以簡化為:dV£=2*sin學.&V川一十4幺£2口.si口中，&V£+&g+A/押jj-3八A-<3/n-cos+伙久

20、sin中士與-6yE&p3.sin(p-as.sin0+£押1y=-tg<p*e+如G.cos中+am.cos火+此£五、慣性導航技術的應用與發(fā)展前景1、應用概述INS是一種自主的、不對外輻射信號、不受外界干擾的導航系統(tǒng)，它以適宜的方式滿足用戶的導航需求。隨著在軍用和商業(yè)等領域導航需求的增長，慣性導航技術不斷拓展新的應用領域。具范圍已由原來的艦艇、船舶、航空飛行器、陸地車輛等，擴展到航天飛機、星際探測、制導武器、大地測量、資源勘測、地球物理測量、海洋探測、鐵路、隧道等方面，甚至在機器人、攝像機、兒童玩具中也被廣泛應用。不同領域使用慣性傳感器的目的、方法大致相同

21、，但對器件性能要求的側重各不相同。從精度方面來看，航天與航海領域對精度要求高，其連續(xù)工作時間也長；從系統(tǒng)壽命來看，衛(wèi)星、空間站等航天器要求最高，因其發(fā)射升空后不可更換或維修；制導武器對系統(tǒng)壽命要求最短，但可能須要滿足長時間戰(zhàn)備的要求。涉及到軍事應用等領域，對可靠性要求較高。慣性傳感器的精度指標是決定價格成本的根本因素，根據(jù)應用要求須首先選擇精度指標。2、發(fā)展前景1)、慣性傳感器的發(fā)展前景就全球發(fā)展現(xiàn)狀而言，現(xiàn)有的慣性傳感器已經可以滿足當前各種不同導航任務的精度指標要求。未來的主要目標是降低器件的成本、體積/重量和功耗等，具體包括以下幾個方面： 材料和工藝：生產廠商采用低勞動密集型生產模式和批量

22、處理技術，選用硅片、石英、或結合光電材料(如鋰酸鋰)等新型材料，制造慣性傳感器。 成本：包括產品自身成本和操作維護費用。由于大規(guī)模的批量生產，慣性傳感器成本在大幅下降。 體積：慣性測量傳感器在不斷向輕量化、小型化、微型化方向發(fā)展；未來一些新型的慣性傳感器將無法用肉眼識別，如：NEMS(NanoElectro一MechanicalSystem)和光學NEMS=研究熱點：一方面集中在小型化MEM慣性器件的性能提高和有效封裝上，另一方面集中在光學傳感器上，尤其是對采用集成光學的FOG勺研究。期望：在各個精度級別上，均能獲得尺寸小且價格低廉的慣性傳感器。慣性傳感器的發(fā)展情況直接決定了慣性導航系統(tǒng)的開發(fā)

23、和應用，慣性傳感器自身的成本、體積和功耗影響了慣性導航系統(tǒng)的相應參數(shù)指標。因此，慣性測量傳感器的發(fā)展須要權衡以下幾個因素：精確性、連續(xù)性、可靠性、成本、體積/重量、功耗。2)、慣性導航技術的發(fā)展方向慣性導航系統(tǒng)的設計和發(fā)展須要考慮權衡的主要因素有：必須針對并滿足應用的需求，其中導航性能(尤其是精度)和價格成本是首要的兩個特性指標。價格成本包含系統(tǒng)自身成本、維護成本和使用壽命。因此對于很多導航應用，合理的價格仍然被置于應用要求的最前面。導航性能包括：導航的精確性、連續(xù)性、完整性、易用性，易用性是指系統(tǒng)易于使用和維護、系統(tǒng)的自主性等。實際的應用環(huán)境是最大的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)的體積、功耗、可靠性和可用性會關系到慣性導航系統(tǒng)能否在具體的應用環(huán)境中被采用。提高慣性導航系統(tǒng)的通用性，拓展應用領域。慣性導航系統(tǒng)發(fā)展和技術進步呈現(xiàn)以下特點：(1)在無法接收GNSS號或需要高度導航可靠性的應用場合，高性能的自主INS仍