慣性導(dǎo)航簡介及分類

通過測量飛行器的加速度(慣性)，并自動(dòng)進(jìn)行積分運(yùn)算，獲得飛行器瞬時(shí)速度和瞬時(shí)位置數(shù)據(jù)的技術(shù)。

17世紀(jì)，I.牛頓研究了高速旋轉(zhuǎn)剛體的力學(xué)問題。牛頓力學(xué)定律是慣性導(dǎo)航的理論基礎(chǔ)。1852年J.傅科稱這種剛體為陀螺，后來制成供姿態(tài)測量用的陀螺儀。1906年H.安休茲制成陀螺方向儀，其自轉(zhuǎn)軸能指向固定的方向。1907年他又在方向儀上增加擺性，制成陀螺羅盤。這些成果成為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的先導(dǎo)。1923年M.舒拉發(fā)表“舒拉擺”理論，解決了在運(yùn)動(dòng)載體上建立垂線的問題，使加速度計(jì)的誤差不致引起慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差的發(fā)散,為工程上實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航提供了理論依據(jù)。1954年慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在飛機(jī)上試飛成功。1958年，“舡魚”號(hào)潛艇依靠慣性導(dǎo)航穿過北極在冰下航行21天。中國從1956年開始研制慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，自1970年以來，在多次發(fā)射的人造地球衛(wèi)星和火箭上，以及各種飛機(jī)上，都采用了本國研制的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)屬于一種推算導(dǎo)航方式．即從一已知點(diǎn)的位置根據(jù)連續(xù)測得的運(yùn)載體航向角和速度推算出其下一點(diǎn)的位置．因而可連續(xù)測出運(yùn)動(dòng)體的當(dāng)前位置。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的陀螺儀用來形成一個(gè)導(dǎo)航坐標(biāo)系使加速度計(jì)的測量軸穩(wěn)定在該坐標(biāo)系中并給出航向和姿態(tài)角；加速度計(jì)用來測量運(yùn)動(dòng)體的加速度經(jīng)過對(duì)時(shí)間的一次積分得到速度，速度再經(jīng)過對(duì)時(shí)間的一次積分即可得到距離。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有如下主要優(yōu)點(diǎn)．（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)．故隱蔽性好且不受外界電磁干擾的影響；（2）可全天侯全球、全時(shí)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(chǎn)生的導(dǎo)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．其缺點(diǎn)是：（1）由于導(dǎo)航信息經(jīng)過積分而產(chǎn)生，定位誤差隨時(shí)間而增大，長期精度差；（2）每次使用之前需要較長的初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間；（3）設(shè)備的價(jià)格較昂貴；（4）不能給出時(shí)間信息。

按照慣性導(dǎo)航組合在飛行器上的安裝方式，可分為平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（慣性導(dǎo)航組合安裝在慣性平臺(tái)的臺(tái)體上）和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（慣性導(dǎo)航組合直接安裝在飛行器上）。 [2]

平臺(tái)式

根據(jù)建立的坐標(biāo)系不同，又分為空間穩(wěn)定和本地水平兩種工作方式?？臻g穩(wěn)定平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的臺(tái)體相對(duì)慣性空間穩(wěn)定，用以建立慣性坐標(biāo)系。地球自轉(zhuǎn)、重力加速度等影響由計(jì)算機(jī)加以補(bǔ)償。這種系統(tǒng)多用于運(yùn)載火箭的主動(dòng)段和一些航天器上。本地水平平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)是臺(tái)體上的兩個(gè)加速度計(jì)輸入軸所構(gòu)成的基準(zhǔn)平面能夠始終跟蹤飛行器所在點(diǎn)的水平面（利用加速度計(jì)與陀螺儀組成舒拉回路來保證），因此加速度計(jì)不受重力加速度的影響。這種系統(tǒng)多用于沿地球表面作等速運(yùn)動(dòng)的飛行器（如飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈等）。在平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，框架能隔離飛行器的角振動(dòng)，儀表工作條件較好。平臺(tái)能直接建立導(dǎo)航坐標(biāo)系,計(jì)算量小，容易補(bǔ)償和修正儀表的輸出,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸大。

捷聯(lián)式

根據(jù)所用陀螺儀的不同，分為速率型捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和位置型捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。前者用速率陀螺儀，輸出瞬時(shí)平均角速度矢量信號(hào)；后者用自由陀螺儀，輸出角位移信號(hào)。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)省去了平臺(tái)，所以結(jié)構(gòu)簡單、體積小、維護(hù)方便，但陀螺儀和加速度計(jì)直接裝在飛行器上，工作條件不佳，會(huì)降低儀表的精度。這種系統(tǒng)的加速度計(jì)輸出的是機(jī)體坐標(biāo)系的加速度分量，需要經(jīng)計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換成導(dǎo)航坐標(biāo)系的加速度分量，計(jì)算量較大。

為了得到飛行器的位置數(shù)據(jù)，須對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)每個(gè)測量通道的輸出積分。陀螺儀的漂移將使測角誤差隨時(shí)間成正比地增大，而加速度計(jì)的常值誤差又將引起與時(shí)間平方成正比的位置誤差。這是一種發(fā)散的誤差（隨時(shí)間不斷增大），可通過組成舒拉回路、陀螺羅盤回路和傅科回路 3個(gè)負(fù)反饋回路的方法來修正這種誤差以獲得準(zhǔn)確的位置數(shù)據(jù)。

舒拉回路、陀螺羅盤回路和傅科回路都具有無阻尼周期振蕩的特性。所以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)常與無線電、多普勒和天文等導(dǎo)航系統(tǒng)組合，構(gòu)成高精度的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，使系統(tǒng)既有阻尼又能修正誤差。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度與地球參數(shù)的精度密切相關(guān)。高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)須用參考橢球來提供地球形狀和重力的參數(shù)。由于地殼密度不均勻、地形變化等因素，地球各點(diǎn)的參數(shù)實(shí)際值與參考橢球求得的計(jì)算值之間往往有差異，并且這種差異還帶有隨機(jī)性，這種現(xiàn)象稱為重力異常。正在研制的重力梯度儀能夠?qū)χ亓鲞M(jìn)行實(shí)時(shí)測量，提供地球參數(shù)，解決重力異常問題。
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