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《導(dǎo)航技術(shù)基礎(chǔ)》課程論文PAGEPAGE4慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展綜述學(xué)號(hào):XXXXXXX,姓名:XXX摘要:本文針對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng),闡述了慣性導(dǎo)航的發(fā)展歷程,并對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要的說明。同時(shí),介紹了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中常用儀表的發(fā)展歷史,以及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)目前的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞:慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、常用儀表、發(fā)展引言在各類導(dǎo)航系統(tǒng)中,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)被認(rèn)為是最重要的一種導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航是以測(cè)量運(yùn)動(dòng)體加速度為基礎(chǔ)的導(dǎo)航定位方法,測(cè)量到的加速度經(jīng)過一次積分可以得到運(yùn)動(dòng)速度,經(jīng)過二次積分可以得到運(yùn)動(dòng)距離,從而給出運(yùn)動(dòng)體的瞬時(shí)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(cè)量來完成導(dǎo)航任務(wù)的技術(shù)也叫自主式導(dǎo)航。而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)則是一種利用慣性敏感器件、基準(zhǔn)方向及最初的位置信息來確定運(yùn)載體在慣性空間中的位置、方向和速度的自主式導(dǎo)航系統(tǒng),有時(shí)也簡(jiǎn)稱為慣導(dǎo)。由于慣導(dǎo)具有高度的自主性、隱蔽性以及信息的完備性等特點(diǎn),隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與國(guó)防建設(shè)的發(fā)展,應(yīng)用日益廣泛。目前慣性導(dǎo)航不僅應(yīng)用于軍事、工程和科學(xué)研究等領(lǐng)域,而且已擴(kuò)展到民用領(lǐng)域,如石油鉆井、大地測(cè)量、移動(dòng)機(jī)器人等系統(tǒng)中。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)也得到了一些新的發(fā)展,如捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航敏感器件的發(fā)展等,這些新技術(shù)為慣導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力,推動(dòng)著慣導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。本文針對(duì)慣性導(dǎo)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(guān)的儀表陀螺儀、加速度計(jì)的發(fā)展歷程,并對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)目前的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了介紹。慣性導(dǎo)航發(fā)展歷程1930年以前的慣性技術(shù)被稱為第一代慣性技術(shù)。其包括了1687年牛頓提出的為慣性導(dǎo)航奠定了理論基礎(chǔ)的力學(xué)三大定律;1852年,傅科根據(jù)歐拉和拉格朗日的剛體定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)理論制造出的用于驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量裝置;1908年安修茨研制出的世界上第一臺(tái)擺式陀螺羅經(jīng);以及1923年的休拉擺原理。第一代慣性技術(shù)為整個(gè)慣性導(dǎo)航發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。第二代慣性技術(shù)始于上世紀(jì)40年代火箭發(fā)展的初期,從二戰(zhàn)期間,慣性技術(shù)在德國(guó)V-2火箭的制導(dǎo)上的首次應(yīng)用;20世紀(jì)50年代麻省理工學(xué)院成功研制了單自由度液浮陀螺,并在B29飛機(jī)上成功應(yīng)用;1958年鸚鵡螺號(hào)裝備N6-A和MK-19進(jìn)行潛航并成功秘密到達(dá)目的地;到20世紀(jì)60年代,撓性陀螺研究的逐漸起步。這一時(shí)期,還出現(xiàn)了另一種慣性傳感器-加速度計(jì)。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(shù)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(dǎo)航理論研究也趨于完善。第二代慣性技術(shù)是把研究?jī)?nèi)容從慣性儀表技術(shù)發(fā)展擴(kuò)大到了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用。第三代慣性技術(shù)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(jì)和相應(yīng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。這一階段的主要陀螺包括:靜電陀螺、動(dòng)力調(diào)諧陀螺、環(huán)形激光陀螺、干涉式光纖陀螺等。當(dāng)前我們正處于第四代慣性技術(shù)發(fā)展階段,該階段的目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)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(yīng)用領(lǐng)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(shù)的成熟,數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)正在各個(gè)領(lǐng)域逐漸取代平臺(tái)式系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航基本原理系統(tǒng)組成一個(gè)基本慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括以下幾部分:①加速度計(jì):用于測(cè)量航行體的運(yùn)動(dòng)加速度。②陀螺穩(wěn)定平臺(tái):為加速度計(jì)提供一個(gè)準(zhǔn)確的坐標(biāo)基準(zhǔn),以保持加速度計(jì)始終沿三個(gè)軸向測(cè)定加速度,同時(shí)也使慣性測(cè)量元件與航行體的運(yùn)動(dòng)相隔離。③導(dǎo)航計(jì)算機(jī):用來完成諸如積分等導(dǎo)航計(jì)算工作,并提供陀螺施矩的指令信號(hào);④控制顯示器:用于輸出顯示導(dǎo)航參數(shù)等,還可進(jìn)行必要的控制操作;⑤電源及必要的附件等。工作原理假設(shè)物體做勻速或變速直線運(yùn)動(dòng),其瞬時(shí)位置都取決于初始位置、速度的大小和作用的時(shí)間,而速度則取決于初始速度、加速度的大小和作用的時(shí)間。即,位置是對(duì)速度的積分,速度是對(duì)加速度的積分。慣性導(dǎo)航就是采用了這樣一種物理方法實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航定位。它用陀螺穩(wěn)定平臺(tái)模擬當(dāng)?shù)厮矫妗⒔⒁粋€(gè)空間直角坐標(biāo)系,三個(gè)坐標(biāo)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(dǎo)系統(tǒng)中。其實(shí),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(jī)械陀螺無法比擬的優(yōu)點(diǎn),是捷聯(lián)慣性系統(tǒng)理想元件,自20世紀(jì)80年代至今,在絕大多數(shù)飛機(jī)的捷聯(lián)慣性系統(tǒng)中占了主導(dǎo)地位。20世紀(jì)90年代中期,光纖陀螺開始走向?qū)嵱茫?998年,達(dá)到慣性級(jí)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(dǎo)航制導(dǎo)的需求。1985年微機(jī)械陀螺儀原理被提出,現(xiàn)在已形成了三代了。加速度計(jì)定義與分類加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心元件之一。依靠它對(duì)比力的測(cè)量,完成慣導(dǎo)系統(tǒng)確定載體的位置、速度以及產(chǎn)生跟蹤信號(hào)的任務(wù)。比力,即作用在敏感器上每單位質(zhì)量的慣性力和萬有引力的矢量和。通常將加速度計(jì)分為如下兩類:①擺式加速度計(jì)②非擺式加速度計(jì)。發(fā)展20世紀(jì)50年代液浮擺式加速度計(jì)成功研制出來,并在20世紀(jì)60年代發(fā)展到成熟階段。同時(shí)期,石英撓性加速度計(jì)問世,很快取代了浮液擺式加速度計(jì),目前正在各種慣導(dǎo)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)90年代,石英振梁加速度計(jì)逐步形成系列產(chǎn)品,并開始應(yīng)用到平臺(tái)式和捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)中。20世紀(jì)90年代中期,供汽車導(dǎo)航用的力平衡式硅微加速度計(jì)的商用產(chǎn)品問世。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由于其直接固聯(lián)在載體上,省去了機(jī)電式導(dǎo)航平臺(tái),從而給系統(tǒng)帶來了很多優(yōu)點(diǎn):①整個(gè)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(jì)只占導(dǎo)航平臺(tái)重量的1/7;②慣性儀表便于安裝維護(hù),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(tái)式導(dǎo)航系統(tǒng)相比,捷聯(lián)式系統(tǒng)可以提供更多的導(dǎo)航和制導(dǎo)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(xiàng)性能。盡管捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不能避免慣性器件的固有缺點(diǎn),但由于它的這些優(yōu)點(diǎn),捷聯(lián)式慣性導(dǎo)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(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的趨勢(shì)。不管慣性器件的精度多高,由于陀螺漂移和加速度計(jì)的誤差隨時(shí)間逐漸積累,慣導(dǎo)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行必將導(dǎo)致客觀的積累誤差。為克服這個(gè)缺點(diǎn),在裝備包括導(dǎo)航在內(nèi)的兩種以上導(dǎo)航系統(tǒng)的載體上,常以慣導(dǎo)為主,將其與其他導(dǎo)航系統(tǒng)組合在一起,使它們都能發(fā)揮各自的特點(diǎn),這就是組合導(dǎo)航系統(tǒng)。組合導(dǎo)航系統(tǒng)能達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短、綜合發(fā)揮各種導(dǎo)航系統(tǒng)特點(diǎn)的目的,并能提高導(dǎo)航精度和可靠性,在軍用和民用上都有重大意義。總結(jié)本文針對(duì)慣性導(dǎo)航技術(shù),簡(jiǎn)單敘述了慣性導(dǎo)航的發(fā)展歷史,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的原理,介紹了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中陀螺儀和加
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