慣性導航技術發(fā)展綜述

《導航技術基礎》課程論文PAGEPAGE4慣性導航技術發(fā)展綜述學號：XXXXXXX，姓名：XXX摘要：本文針對慣性導航系統(tǒng)，闡述了慣性導航的發(fā)展歷程，并對慣性導航系統(tǒng)的原理進行了簡要的說明。同時，介紹了慣性導航系統(tǒng)中常用儀表的發(fā)展歷史，以及慣性導航系統(tǒng)目前的發(fā)展趨勢。關鍵詞：慣性導航系統(tǒng)、常用儀表、發(fā)展引言在各類導航系統(tǒng)中，慣性導航系統(tǒng)被認為是最重要的一種導航系統(tǒng)。慣性導航是以測量運動體加速度為基礎的導航定位方法，測量到的加速度經(jīng)過一次積分可以得到運動速度，經(jīng)過二次積分可以得到運動距離，從而給出運動體的瞬時速度和位置數(shù)據(jù)。這種不依賴外界信息，只靠載體自身的慣性測量來完成導航任務的技術也叫自主式導航。而慣性導航系統(tǒng)則是一種利用慣性敏感器件、基準方向及最初的位置信息來確定運載體在慣性空間中的位置、方向和速度的自主式導航系統(tǒng)，有時也簡稱為慣導。由于慣導具有高度的自主性、隱蔽性以及信息的完備性等特點，隨著國民經(jīng)濟建設與國防建設的發(fā)展，應用日益廣泛。目前慣性導航不僅應用于軍事、工程和科學研究等領域，而且已擴展到民用領域，如石油鉆井、大地測量、移動機器人等系統(tǒng)中。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，慣性導航系統(tǒng)技術也得到了一些新的發(fā)展，如捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)、慣性導航敏感器件的發(fā)展等，這些新技術為慣導技術的發(fā)展注入了新的活力，推動著慣導技術的進一步發(fā)展。本文針對慣性導航系統(tǒng)，介紹了它的發(fā)展歷史和基本原理，以及與其相關的儀表陀螺儀、加速度計的發(fā)展歷程，并對慣導系統(tǒng)目前的發(fā)展趨勢進行了介紹。慣性導航發(fā)展歷程1930年以前的慣性技術被稱為第一代慣性技術。其包括了1687年牛頓提出的為慣性導航奠定了理論基礎的力學三大定律；1852年，傅科根據(jù)歐拉和拉格朗日的剛體定點轉動理論制造出的用于驗證地球自轉運動的測量裝置；1908年安修茨研制出的世界上第一臺擺式陀螺羅經(jīng)；以及1923年的休拉擺原理。第一代慣性技術為整個慣性導航發(fā)展奠定了基礎。第二代慣性技術始于上世紀40年代火箭發(fā)展的初期，從二戰(zhàn)期間，慣性技術在德國V-2火箭的制導上的首次應用；20世紀50年代麻省理工學院成功研制了單自由度液浮陀螺，并在B29飛機上成功應用；1958年鸚鵡螺號裝備N6-A和MK-19進行潛航并成功秘密到達目的地；到20世紀60年代，撓性陀螺研究的逐漸起步。這一時期，還出現(xiàn)了另一種慣性傳感器－加速度計。另一方面，為提高陀螺儀表精度、減少誤差，靜電陀螺、磁懸浮陀螺和氣浮陀螺概念被提出。1960年激光技術的出現(xiàn)也為今后激光陀螺的發(fā)展提供了理論支持；捷聯(lián)慣性導航理論研究也趨于完善。第二代慣性技術是把研究內容從慣性儀表技術發(fā)展擴大到了慣性導航系統(tǒng)的應用。第三代慣性技術發(fā)展階段是始于70年代初期出現(xiàn)的一些新型陀螺、加速度計和相應的慣性導航系統(tǒng)。這一階段的主要陀螺包括：靜電陀螺、動力調諧陀螺、環(huán)形激光陀螺、干涉式光纖陀螺等。當前我們正處于第四代慣性技術發(fā)展階段，該階段的目標在于實現(xiàn)導航系統(tǒng)的高精度、高可靠性、低成本、小型化、數(shù)字化、更廣泛的應用領域。由于陀螺的精度的不斷提高，漂移量越來越小以及激光陀螺批量制造技術的成熟，數(shù)字計算機技術的進步，捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)正在各個領域逐漸取代平臺式系統(tǒng)。慣性導航基本原理系統(tǒng)組成一個基本慣性導航系統(tǒng)主要包括以下幾部分：①加速度計：用于測量航行體的運動加速度。②陀螺穩(wěn)定平臺：為加速度計提供一個準確的坐標基準，以保持加速度計始終沿三個軸向測定加速度，同時也使慣性測量元件與航行體的運動相隔離。③導航計算機：用來完成諸如積分等導航計算工作，并提供陀螺施矩的指令信號；④控制顯示器：用于輸出顯示導航參數(shù)等，還可進行必要的控制操作；⑤電源及必要的附件等。工作原理假設物體做勻速或變速直線運動，其瞬時位置都取決于初始位置、速度的大小和作用的時間，而速度則取決于初始速度、加速度的大小和作用的時間。即，位置是對速度的積分，速度是對加速度的積分。慣性導航就是采用了這樣一種物理方法實現(xiàn)的導航定位。它用陀螺穩(wěn)定平臺模擬當?shù)厮矫?、建立一個空間直角坐標系，三個坐標軸分別指向東向、北向、圖3.靜電陀螺儀1981年，激光陀螺首次被用在慣導系統(tǒng)中。其實，1963激光陀螺就被提出來了，但由于它材料和加工工藝的困難，直到1983年才開始批量生產(chǎn)。激光陀螺儀有機械陀螺無法比擬的優(yōu)點，是捷聯(lián)慣性系統(tǒng)理想元件，自20世紀80年代至今，在絕大多數(shù)飛機的捷聯(lián)慣性系統(tǒng)中占了主導地位。20世紀90年代中期，光纖陀螺開始走向實用，1998年，達到慣性級的光纖陀螺被研制出來了。目前的光纖陀螺已能夠滿足各類武器系統(tǒng)導航制導的需求。1985年微機械陀螺儀原理被提出，現(xiàn)在已形成了三代了。加速度計定義與分類加速度計是慣性導航系統(tǒng)的核心元件之一。依靠它對比力的測量，完成慣導系統(tǒng)確定載體的位置、速度以及產(chǎn)生跟蹤信號的任務。比力，即作用在敏感器上每單位質量的慣性力和萬有引力的矢量和。通常將加速度計分為如下兩類：①擺式加速度計②非擺式加速度計。發(fā)展20世紀50年代液浮擺式加速度計成功研制出來，并在20世紀60年代發(fā)展到成熟階段。同時期，石英撓性加速度計問世，很快取代了浮液擺式加速度計，目前正在各種慣導系統(tǒng)中廣泛應用。20世紀90年代，石英振梁加速度計逐步形成系列產(chǎn)品，并開始應用到平臺式和捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)中。20世紀90年代中期，供汽車導航用的力平衡式硅微加速度計的商用產(chǎn)品問世。慣性導航系統(tǒng)發(fā)展趨勢捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)由于其直接固聯(lián)在載體上，省去了機電式導航平臺，從而給系統(tǒng)帶來了很多優(yōu)點：①整個系統(tǒng)的體積、重量和成本上大大降低，通常陀螺儀和加速度計只占導航平臺重量的1/7；②慣性儀表便于安裝維護，也便于更換；③慣性儀表可以給出載體軸向的線加速度和角速度，這些信息是控制系統(tǒng)所需要的，和平臺式導航系統(tǒng)相比，捷聯(lián)式系統(tǒng)可以提供更多的導航和制導信息；④慣性儀表便于采用余度配置，提高系統(tǒng)的可靠性及各項性能。盡管捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)不能避免慣性器件的固有缺點，但由于它的這些優(yōu)點，捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)還是在很多系統(tǒng)上都被廣泛采用了的，大有取代平臺式慣性導航系統(tǒng)的趨勢。不管慣性器件的精度多高，由于陀螺漂移和加速度計的誤差隨時間逐漸積累，慣導系統(tǒng)長時間運行必將導致客觀的積累誤差。為克服這個缺點，在裝備包括導航在內的兩種以上導航系統(tǒng)的載體上，常以慣導為主，將其與其他導航系統(tǒng)組合在一起，使它們都能發(fā)揮各自的特點，這就是組合導航系統(tǒng)。組合導航系統(tǒng)能達到取長補短、綜合發(fā)揮各種導航系統(tǒng)特點的目的，并能提高導航精度和可靠性，在軍用和民用上都有重大意義?？偨Y本文針對慣性導航技術，簡單敘述了慣性導航的發(fā)展歷史，慣性導航系統(tǒng)的原理，介紹了慣性導航系統(tǒng)中陀螺儀和加