光学惯性测量与导航系统第一章_绪论(20120913)

1、惯性导航是以牛顿定律为基础惯性导航是以牛顿定律为基础 第一定律第一定律 惯性定律惯性定律第二定律第二定律 maF 第三定律第三定律 作用力与反作用力作用力与反作用力 任何运动体的运动状态都可以用加速度任何运动体的运动状态都可以用加速度（Acceleration）来表征）来表征 加速度、速度（加速度、速度（ velocity ）和航程）和航程（Position）之间的关系）之间的关系：加速度可以由加速度计测量加速度可以由加速度计测量(accelerometer)(accelerometer) 惯性导航：以加速度测量为基础的惯性导航：以加速度测量为基础的导航定位方法导航定位方法 22dtsddtd

2、VatadtVV00tVdtSS00 ttadttVS00200这种不依赖外界信息，只靠对载体这种不依赖外界信息，只靠对载体(vehicle)(vehicle)本身的惯性测量来完成导本身的惯性测量来完成导航任务的技术称作惯性导航航任务的技术称作惯性导航 惯性导航系统基本原理 初始位置、速度、姿态初始位置、速度、姿态加速度计加速度计- -比力比力积积 分分速度速度积积 分分位置位置陀螺仪陀螺仪角速度角速度积积 分分角度角度在平面上的导航在平面上的导航 (Two-Dimensional Navigation)对加速度计的输出信号进行计算，就可以实时计算出载体在坐标系中的位置和瞬时速度 平台在整个导

3、航过程中，始终模拟平面坐标系 OXY在工程上通过陀螺稳定平台或数学平台来实现太阳惯性坐标系（太阳惯性坐标系（i i系）系） 地心惯性坐标系（地心惯性坐标系（i i系）系）几种常用坐标系地心地球固联坐标系（地心地球固联坐标系（e e系）系）当地地理坐标系（当地地理坐标系（t t系）系）几种常用坐标系系统本体坐标系（系统本体坐标系（b b系）系）游动方位坐标系（游动方位坐标系（ww系）系）几种常用坐标系傅科：法国地球物理学家傅科：法国地球物理学家(1819-1868)(1819-1868)验证地球自转验证地球自转 傅科摆傅科摆(1851)L=67mM=28kgA=6m傅科陀螺仪傅科陀螺仪 (185

4、2)精度较低，无法验证地球自转精度较低，无法验证地球自转 之后轴承工艺得到改进之后轴承工艺得到改进人类早期航海采用磁罗盘（指南针）人类早期航海采用磁罗盘（指南针）19世纪后期，钢质轮船逐渐取代世纪后期，钢质轮船逐渐取代木质轮船，磁罗盘无法再保证精度木质轮船，磁罗盘无法再保证精度 在极地附近磁罗盘也会失灵在极地附近磁罗盘也会失灵寻找能够替代磁罗盘的方位指使仪寻找能够替代磁罗盘的方位指使仪如果借助陀螺仪，需要解决实时、如果借助陀螺仪，需要解决实时、自主寻北的问题自主寻北的问题1908年，德国人安休茨年，德国人安休茨（Anschutz）研制成陀螺罗经）研制成陀螺罗经 1909年，美国人斯佩里（年，美

5、国人斯佩里（Sperry）也）也独立研制成陀螺罗经独立研制成陀螺罗经 陀螺仪实用技术形成和发展的开端陀螺仪实用技术形成和发展的开端 1920s后后 陀螺仪开始应陀螺仪开始应用在航空用在航空，用来测量飞，用来测量飞机的姿态角机的姿态角 飞行器的姿态角：航飞行器的姿态角：航向、俯仰、横滚向、俯仰、横滚 地平仪：建立水平基地平仪：建立水平基准，实现对俯仰、横滚准，实现对俯仰、横滚的测量的测量航向仪：建立方位基航向仪：建立方位基准，实现对航向角的测准，实现对航向角的测量量 30 30年代被年代被 Goddard 用于火箭试验用于火箭试验 二战中用于导弹：二战中用于导弹： V1、V2 1942年年12月

6、，德国首次试射月，德国首次试射V1V1 巡航导弹巡航导弹V2 弹道导弹弹道导弹 V1 被被大量投入到二战大量投入到二战1944年年6月，德国从法国北部月，德国从法国北部向英国发射向英国发射V110500落到英国落到英国 3200 枚枚 伦敦伦敦 2500 枚枚 德国战败后，导弹技术人员大量流向苏美德国战败后，导弹技术人员大量流向苏美 冯冯布劳布劳杨格尔杨格尔二战后，苏美继续大力发展导弹和火二战后，苏美继续大力发展导弹和火箭技术箭技术 50年代初，美国年代初，美国MIT研制出达到惯研制出达到惯性级精度的液浮陀螺仪性级精度的液浮陀螺仪 美国的美国的“Navaho”计划计划1958年，美国年，美国“

7、舡鱼舡鱼”号潜艇之旅号潜艇之旅珍珠港珍珠港 - 白令海峡白令海峡 - 北极北极 - 波特兰波特兰 历时历时 21天，航程天，航程 15000 Km 标志着标志着以陀螺仪为核心的惯性以陀螺仪为核心的惯性导航技术在导航技术在 50 年代已经趋于成熟年代已经趋于成熟 国内第一个陀螺惯导研究室“林士鄂法” -求解高次方程的劈因子法(数学手册)中国惯性技术1939年于美国麻省理工学院（MIT） 获博士学位，师从苏联首批援建的122个项目之一林士鄂创建60年代70年代 80年代 90年代中期 2012年 1958年 未来 液浮陀螺仪动压气浮陀螺挠性陀螺仪光纤光纤陀螺仪陀螺仪半球谐振陀螺北航首创陀螺北航开展

8、研究的陀螺60年代初开始研制，年代初开始研制，70年代进入实用年代进入实用 LAV4例：三角谐振腔边长例：三角谐振腔边长=111.76mm 激光波长激光波长= 0.6328m 用来测地球转动角速度用来测地球转动角速度 LAV456021029. 7106328. 011176. 032/60sin11176. 04Hz43. 7激光陀螺：针对捷联惯导需求激光陀螺：针对捷联惯导需求基本原理基本原理：Sagnac效应，工作效应，工作物质是激光束，全固态陀螺物质是激光束，全固态陀螺优点优点结构简单、性能稳定、动态范结构简单、性能稳定、动态范围宽、启动快、反应快、过载围宽、启动快、反应快、过载大、可靠

9、性高、数字输出大、可靠性高、数字输出发展发展1960 激光器出现激光器出现1963 Sperry 制成首台样机制成首台样机1970s中中 精度突破，达惯性级精度突破，达惯性级1980s 初开始应用于各个领域初开始应用于各个领域 早期研制的机构早期研制的机构Honeywell：三角谐振腔，机：三角谐振腔，机械抖动偏频械抖动偏频Litton：四边形谐振腔，机：四边形谐振腔，机械抖动偏频械抖动偏频Sperry：三角谐振腔，磁镜：三角谐振腔，磁镜偏频偏频面临问题面临问题成本较高、体积偏大、不能成本较高、体积偏大、不能完全适应捷联系统的要求完全适应捷联系统的要求 典型代表典型代表为：为：LittonLi

10、tton公司生产的公司生产的LN200LN200型型IMUIMU。LN200应用广泛，已应用于鱼雷、弹道导弹、固定翼、旋转翼飞行器、雷达、寻的吊舱、航天飞行器、观测系统、摄像机稳定等多种场合。每台火星探测器都装有LN200，而且其着陆系统也都装有LN200。这是光纤陀螺在“最远离世界”的场合的应用。LN200的其它应用平台还有克莱门式人造卫星、捕食者无人机、全球鹰无人机、“黄貂鱼”鱼雷、MK-48鱼雷、BQM-74靶机、Aeromacchi MB 339、先进中距空空导弹（AMRAAM导弹）、AGM142弹、CH46直升机、LANTIRN （低空导航与夜视寻的红外）吊舱等。LN200产品的典型

11、零偏和标度LN200LN200已成为其他惯性系统的已成为其他惯性系统的设计模板设计模板如在欧洲制造的如在欧洲制造的LISA 200 AHRSLISA 200 AHRS（航姿系统）（航姿系统）仿照仿照LN200LN200设计，售出了设计，售出了数百套数百套 欧洲欧洲LittonLitton公司生产了公司生产了LCR92LCR92和和LCR93 AHRSLCR93 AHRS，即，即LCR-9XLCR-9X系列产品，系列产品，LCR92LCR92：3 3个个FOG + FOG + 一个气泡水准仪一个气泡水准仪；LCR93LCR93：3 3个个FOG+3FOG+3个微硅加速计个微硅加速计，均能提供数，

12、均能提供数字和同步输出，已有字和同步输出，已有5,5005,500余套余套LCRLCR系列产品售出。系列产品售出。LCR-9x应用于S-76和S-92型直升机、Eurocopter直升机和Eurocopter BK-117型直升机、奥古斯塔A-109和AB-139型直升机、“云雀”III型直升机、MDD探索者直升机、比奇（Beechjet） 400商用喷气飞机、利尔喷气飞机 31/35/36/45、塞斯纳 EXCEL 商用喷气式飞机、华阳史威灵（Sino Swearingen ）公司的商用喷气式飞机、塞斯纳 T-37 喷气式教练机、NASA T-38飞机、M-28空中卡车飞行器、道格拉斯A-4

13、N攻击式飞机、EXTRA 400型飞机、P-3 猎户座（Orion）飞机、齐柏林飞艇、远东水翼船等。 IMU600是一种高性能的单元，应用于ATFLIR目标跟踪吊舱系统由3个光纤陀螺和3个Honeywell制作的石英加速计组成为减小系统尺寸，采用了非垂直安装方式尺寸为5.47.52.7立方英寸，重约3.25磅。 系统采用RS485串口，输出为无补偿的角增量和速度增量，温度补偿由应用平台计算机完成下图为140套IMU600s进行标定时的数据曲线，其标度误差均优于产品指标要求 IMU200由3个光纤陀螺和3个Honeywell制造的石英加速计构成重约3磅RS485串口主要应用于高可靠的导弹LN25

14、1LN251包含一个12通道SAASM GPS接收器，以紧耦合方式工作3种工作模式：纯惯性导航，纯GPS定位和惯性/GPS组合导航其数字接口为：RS422/485和双Mil-Std 1553数据总线LN251超过400台的LN251系统已经生产并销售下图为工厂给出的纯惯性工作方式下系统性能的分布，其平均值为0.7nmph，标准偏差为0.3nmphLN251纯惯性工作方式下的分布 LN260它是LN251的另一版本，专为F16设计其接口与SNU-84完全兼容，具备F16所需的所有模拟电气接口和机械接口。在与基于RLG系统激烈竞争后，它最终被USAF选中并用于F16。 LN260下图是从F16上获

15、得的飞行测试数据。这种飞机在急转弯时，拉力为9G，在这种情况下，其径向误差率是0.44nmph，低于规范要求中的0.8nmph。除了被F16选用外，选用LN251或LN260的应用平台包括联合无人航空作战系统（JUCAS） X-45，E-2D 鹰眼（Hawkeye）预警机，F16战斗机，E-10多任务飞机以及猎人UAV。在F16上的飞行测试轨迹（左）和径向位置误差（右） LTN 101e用于商业运输机，采用的光纤陀螺与LN251/260/270中所用的相同，只是将它们重新安装于一个4 MCU组合中LTN101e中同样装有惯性级MEMS加速计并预一个外部GPS接收器组合，具有导航和提供大气数据的

16、功能LTN 101e下图中左图所示为在15小时实验室静态导航测试中纯惯性位置误差。绿线表示的是要求技术指标：2nmph/h，红线是在第一个1小时中的径向位置误差率（1.69nmph）右图表示超过10小时的飞行实验中的纯惯性位置误差LN101e已满足了纯惯性导航指标要求 左图为静态试验曲线、右图为在Airbus340上的飞行测试曲线 LTR-97另一种用于商务运输机的光纤陀螺系统是LTR-97它将替代早期运输机使用的老式机械方位陀螺/垂直陀螺（DG/VG）系统能提供倾斜、横滚、航向的同步输出、倾斜和横滚的离散输出以及方位该系统售出300多台LTR-97 DG/VG替代系统及其主要参数 LN 27

17、0是LN 251的陆用版本，US军方确定的代号为AN/VSN-12这种产品专为以轮/轨运行的机动车设计，集成了里程计和GPS，它满足MIL-PRF-71185规定的所有要求，包括枪炮发射冲击等影响该系统安装在大炮的炮耳上，还可用于监测发射过程中的反座情况LN270陆用导航系统及其主要参数 LN 270下图为LN270在洛杉矶的圣费尔南多峡谷区进行的机车测试。左图所示为路径和海拔，右图是不同行径距离对应的位置和海拔误差。图表上的误差上限为MIL-PRF-71185规定值LN-270的应用平台包括MLRS（多管火箭系统）火箭发射器、FIRTINA自推进榴弹炮、ADSTIM侦察机车以及土耳其陆军用的

18、“潘特”（PANTER）牵引榴弹炮其它陆用导航系统下图显示了Northrop Grumman在欧洲生产的LLN-GX，LLN-G1和LLN-GY陆用导航系统。GX和G1类似，都装有3个光纤陀螺，为了降低成本，GX应用了两个水平传感器，而G1用了3个加速计以获得高精度LLN-GY在3者中成本最低，它采用一个单轴光纤陀螺测量沿垂直轴的转动，系统还装有2个加速度计LFK-95Northrop Grumman 为商用船只设计生产了LFK-95型罗盘及参考系统。这是全球首家基于光纤陀螺的航海罗盘，专为高速轮船，比如水翼艇设计它能提供与各种各样水面舰艇兼容的多种数字和同步接口该系统已有约650销售到世界各

19、地下图为该系统及其重要参数，应用此系统的船只主要有轮船、水翼艇、UUV（无人潜航器）等。 法国IXSEA公司生产了船用系列产品：OCTANS、PHINS和MARINS OCTANS罗经系统，由三个0.05/h的光纤陀螺和三个石英加速度计组成提供航向、横摇、纵摇参数，精度分别为0.2 Sec，0.01、0.01于1998年推向市场，主要用于海洋开发如石油探测和勘探，目前有在海面上工作和深海工作(水下1000一6O00米)两种类型 PHINS导航系统，由三个0.01/h的光纤陀螺和三个石英加速度计组成定位精度：0.6nm/h，提供航向、横摇、纵摇参数，精度分别为0.05 Sec，0.01、0.01

20、于2000年左右推向市场，主要用于各种大型舰船导航 MARINS2005年，Ixsea公司研制研发出的第一套潜用光纤陀螺惯导系统，核心由三个0.0005/h的光纤陀螺组成系统的尺寸为420 x310 x31omm，纯惯导定位精度Inmile/24h 于2006年左右推向市场，主要用于潜艇3类产品都可通过一定渠道购买 技术已经进入成熟阶段，精度由30/h覆盖到0.0001/h纯惯性导航精度达到纯惯性导航精度达到0.8nm/h0.8nm/h单陀螺单陀螺系统系统光纤陀螺光纤陀螺LN-200 IMULN-200 IMULN101E IRULN101E IRULN260 INS/GPSLN260 INS

21、/GPSLN251 INSLN251 INSLN270 INS/GPSLN270 INS/GPSLisa200 AHRSLisa200 AHRSVG941-3AM 10VG941-3AM 10/h/hVG941-3AS 30VG941-3AS 30/h/hVG951 1VG951 1/h/hm mFors 1Fors 1/h/hFOG 200 FOG 200 0. 5 0. 5 /h/hFOG 600 FOG 600 0.10.1/h/hFOG 1000 FOG 1000 0.010.01/h/hFOG 2500 FOG 2500 0.0010.001/h/h开环陀螺：30/h1/h闭环陀螺：

22、1/h0.0001/h光纤陀螺应用光纤陀螺应用导航和姿态控制导航和姿态控制罗经及火控系统罗经及火控系统中制导及末制导系统中制导及末制导系统 光纤陀螺已在海、陆、空、天、光纤陀螺已在海、陆、空、天、工业等领域得到广泛地应用。工业等领域得到广泛地应用。已进入战术武器市场已进入战术武器市场预计预计“十二五十二五”末进入机载惯导领域，末进入机载惯导领域，与激光陀螺形成竞争。与激光陀螺形成竞争。已进入战术武器市场已进入战术武器市场将占据战术武器市场主导地位将占据战术武器市场主导地位细分市场光纤陀螺备受欢迎细分市场光纤陀螺备受欢迎已进入战术武器市场已进入战术武器市场中远程战术导弹、航姿等开始应用中远程战术

23、导弹、航姿等开始应用关键技术基本突破，走向成熟关键技术基本突破，走向成熟精精 度度0.5-10 0.5-10 /h/h级级0.1 0.1 /h/h级级0.01 0.01 /h/h级级国内光纤陀螺正处于高速发展期，整体落后国外国内光纤陀螺正处于高速发展期，整体落后国外10101515年。年。低精度低精度三轴组合三轴组合单轴单轴低精度低精度单轴单轴中精度中精度单轴单轴高精度高精度高精度高精度三轴组合三轴组合典型产品F3X122稳定性：稳定性：0.5/h重复性：重复性：0.5/h典型产品F70M稳定性：稳定性：0.2 /h重复性：重复性：0.5 /h典型产品F98H/M稳定性：稳定性：0.1 /h重

24、复性：重复性：0.2 /h典型产品F120H稳定性：稳定性：0.01 /h重复性：重复性：0.02 /h全温零偏：全温零偏：0.1 /h典型产品S10 稳定性：稳定性：0.02 /h重复性：重复性：0.02/h高精度高精度 F120H-M全国产量最大全国产量最大中高精度中高精度 XB185成熟产品产能稳定成熟产品产能稳定F3*122MI低成本制导系统低成本制导系统完善光纤陀螺生产谱系，形成系列化规模生产20112011年典型产品年典型产品中精度中精度 XB150环境适应性最好环境适应性最好XB150高可靠制导系统高可靠制导系统 XB3150高精度惯导系统高精度惯导系统微小型三轴光纤陀螺微小型三

25、轴光纤陀螺国内最小、最轻的三轴组合国内最小、最轻的三轴组合重量重量: 800g: 800g小型中精度光纤陀螺小型中精度光纤陀螺零偏稳定性零偏稳定性0.20.2o o/h (1/h (1 ）重量重量: 200g: 200g小型三轴低精度光纤陀螺小型三轴低精度光纤陀螺零偏稳定性零偏稳定性0.50.5o o/h (1/h (1 ）重量重量: 2700g: 2700g 零偏稳定性 0.01/h （1） 重 量 900g“十一五十一五”末已成功研制单轴末已成功研制单轴高精度光纤陀螺：高精度光纤陀螺：零偏稳定性零偏稳定性优于优于0.001 /h；标度因数标度因数优于优于10ppm。高精度光纤陀螺样机高精度

26、光纤陀螺样机关键技术的研发与验证工作：关键技术的研发与验证工作：光源强度噪声抑制技术：已完成仿真和第一轮样机试验；光源强度噪声抑制技术：已完成仿真和第一轮样机试验；成环技术：已开展改进绕环机、改进绕环方法的工作；成环技术：已开展改进绕环机、改进绕环方法的工作；波导技术：已完成直接对轴耦合技术。波导技术：已完成直接对轴耦合技术。模块化设计的光纤陀螺组成模块化设计的光纤陀螺组成 光源模块光源模块控制电路模块控制电路模块敏感环模块敏感环模块Q微光机电（微光机电（MOEMS）陀螺）陀螺波导型集成光学陀螺波导型集成光学陀螺微镜型微镜型MOEMS陀螺陀螺光学效应Q以光学效应为基础；利用微/纳米加工技术以及

27、集成光学、集成光电子技术；将微光学器件及检测、控制电路集成在芯片上，形成一个“微小型光-机-电系统”。环境适应性强环境适应性强（光学原理）+（MEMS/NEMS制造技术）微小型化(a)干涉式光纤陀螺 （b）单片式集成光学陀螺 图 美国DARPER实验室给出的集成光学陀螺与干涉式光纤陀螺比较示意图低功耗、轻小型Q 美国美国Northrop公司公司1991年提出集成光学陀螺方案并实现原理验证，谐振年提出集成光学陀螺方案并实现原理验证，谐振腔品质因数腔品质因数16,样机分辨率样机分辨率400/s。Q 美国美国Honeywell公司、法国公司、法国CEA-LETI,日本东京大学等致力于环形谐振腔日本东京大学等致力于环形谐振腔的工艺改进与性能提高技术研究。的工艺改进与性能提高技术研究。Q 通过降低波导损耗和利用波导增益提高谐振腔的品质因数；Q 波导中各种误差效应的抑制与消除等。美国Northrop公司（1991） 日本东京大学（2000） 意大利（2005）Q 20002000年美国年美国IntelliSenseIntelliSense公司在硅基片上研制的抗振动集成光学陀公司在硅基片上研制的抗振动集成光学陀螺工程