惯性导航技术发展综述

《导航技术基础》课程论文PAGEPAGE4惯性导航技术发展综述学号：XXXXXXX，姓名：XXX摘要：本文针对惯性导航系统，阐述了惯性导航的发展历程，并对惯性导航系统的原理进行了简要的说明。同时，介绍了惯性导航系统中常用仪表的发展历史，以及惯性导航系统目前的发展趋势。关键词：惯性导航系统、常用仪表、发展引言在各类导航系统中，惯性导航系统被认为是最重要的一种导航系统。惯性导航是以测量运动体加速度为基础的导航定位方法，测量到的加速度经过一次积分可以得到运动速度，经过二次积分可以得到运动距离，从而给出运动体的瞬时速度和位置数据。这种不依赖外界信息，只靠载体自身的惯性测量来完成导航任务的技术也叫自主式导航。而惯性导航系统则是一种利用惯性敏感器件、基准方向及最初的位置信息来确定运载体在惯性空间中的位置、方向和速度的自主式导航系统，有时也简称为惯导。由于惯导具有高度的自主性、隐蔽性以及信息的完备性等特点，随着国民经济建设与国防建设的发展，应用日益广泛。目前惯性导航不仅应用于军事、工程和科学研究等领域，而且已扩展到民用领域，如石油钻井、大地测量、移动机器人等系统中。随着现代科技的发展，惯性导航系统技术也得到了一些新的发展，如捷联式惯性导航系统、惯性导航敏感器件的发展等，这些新技术为惯导技术的发展注入了新的活力，推动着惯导技术的进一步发展。本文针对惯性导航系统，介绍了它的发展历史和基本原理，以及与其相关的仪表陀螺仪、加速度计的发展历程，并对惯导系统目前的发展趋势进行了介绍。惯性导航发展历程1930年以前的惯性技术被称为第一代惯性技术。其包括了1687年牛顿提出的为惯性导航奠定了理论基础的力学三大定律；1852年，傅科根据欧拉和拉格朗日的刚体定点转动理论制造出的用于验证地球自转运动的测量装置；1908年安修茨研制出的世界上第一台摆式陀螺罗经；以及1923年的休拉摆原理。第一代惯性技术为整个惯性导航发展奠定了基础。第二代惯性技术始于上世纪40年代火箭发展的初期，从二战期间，惯性技术在德国V-2火箭的制导上的首次应用；20世纪50年代麻省理工学院成功研制了单自由度液浮陀螺，并在B29飞机上成功应用；1958年鹦鹉螺号装备N6-A和MK-19进行潜航并成功秘密到达目的地；到20世纪60年代，挠性陀螺研究的逐渐起步。这一时期，还出现了另一种惯性传感器－加速度计。另一方面，为提高陀螺仪表精度、减少误差，静电陀螺、磁悬浮陀螺和气浮陀螺概念被提出。1960年激光技术的出现也为今后激光陀螺的发展提供了理论支持；捷联惯性导航理论研究也趋于完善。第二代惯性技术是把研究内容从惯性仪表技术发展扩大到了惯性导航系统的应用。第三代惯性技术发展阶段是始于70年代初期出现的一些新型陀螺、加速度计和相应的惯性导航系统。这一阶段的主要陀螺包括：静电陀螺、动力调谐陀螺、环形激光陀螺、干涉式光纤陀螺等。当前我们正处于第四代惯性技术发展阶段，该阶段的目标在于实现导航系统的高精度、高可靠性、低成本、小型化、数字化、更广泛的应用领域。由于陀螺的精度的不断提高，漂移量越来越小以及激光陀螺批量制造技术的成熟，数字计算机技术的进步，捷联式惯导系统正在各个领域逐渐取代平台式系统。惯性导航基本原理系统组成一个基本惯性导航系统主要包括以下几部分：①加速度计：用于测量航行体的运动加速度。②陀螺稳定平台：为加速度计提供一个准确的坐标基准，以保持加速度计始终沿三个轴向测定加速度，同时也使惯性测量元件与航行体的运动相隔离。③导航计算机：用来完成诸如积分等导航计算工作，并提供陀螺施矩的指令信号；④控制显示器：用于输出显示导航参数等，还可进行必要的控制操作；⑤电源及必要的附件等。工作原理假设物体做匀速或变速直线运动，其瞬时位置都取决于初始位置、速度的大小和作用的时间，而速度则取决于初始速度、加速度的大小和作用的时间。即，位置是对速度的积分，速度是对加速度的积分。惯性导航就是采用了这样一种物理方法实现的导航定位。它用陀螺稳定平台模拟当地水平面、建立一个空间直角坐标系，三个坐标轴分别指向东向、北向、图3.静电陀螺仪1981年，激光陀螺首次被用在惯导系统中。其实，1963激光陀螺就被提出来了，但由于它材料和加工工艺的困难，直到1983年才开始批量生产。激光陀螺仪有机械陀螺无法比拟的优点，是捷联惯性系统理想元件，自20世纪80年代至今，在绝大多数飞机的捷联惯性系统中占了主导地位。20世纪90年代中期，光纤陀螺开始走向实用，1998年，达到惯性级的光纤陀螺被研制出来了。目前的光纤陀螺已能够满足各类武器系统导航制导的需求。1985年微机械陀螺仪原理被提出，现在已形成了三代了。加速度计定义与分类加速度计是惯性导航系统的核心元件之一。依靠它对比力的测量，完成惯导系统确定载体的位置、速度以及产生跟踪信号的任务。比力，即作用在敏感器上每单位质量的惯性力和万有引力的矢量和。通常将加速度计分为如下两类：①摆式加速度计②非摆式加速度计。发展20世纪50年代液浮摆式加速度计成功研制出来，并在20世纪60年代发展到成熟阶段。同时期，石英挠性加速度计问世，很快取代了浮液摆式加速度计，目前正在各种惯导系统中广泛应用。20世纪90年代，石英振梁加速度计逐步形成系列产品，并开始应用到平台式和捷联式惯性系统中。20世纪90年代中期，供汽车导航用的力平衡式硅微加速度计的商用产品问世。惯性导航系统发展趋势捷联式惯性导航系统由于其直接固联在载体上，省去了机电式导航平台，从而给系统带来了很多优点：①整个系统的体积、重量和成本上大大降低，通常陀螺仪和加速度计只占导航平台重量的1/7；②惯性仪表便于安装维护，也便于更换；③惯性仪表可以给出载体轴向的线加速度和角速度，这些信息是控制系统所需要的，和平台式导航系统相比，捷联式系统可以提供更多的导航和制导信息；④惯性仪表便于采用余度配置，提高系统的可靠性及各项性能。尽管捷联式惯性导航系统不能避免惯性器件的固有缺点，但由于它的这些优点，捷联式惯性导航系统还是在很多系统上都被广泛采用了的，大有取代平台式惯性导航系统的趋势。不管惯性器件的精度多高，由于陀螺漂移和加速度计的误差随时间逐渐积累，惯导系统长时间运行必将导致客观的积累误差。为克服这个缺点，在装备包括导航在内的两种以上导航系统的载体上，常以惯导为主，将其与其他导航系统组合在一起，使它们都能发挥各自的特点，这就是组合导航系统。组合导航系统能达到取长补短、综合发挥各种导航系统特点的目的，并能提高导航精度和可靠性，在军用和民用上都有重大意义。总结本文针对惯性导航技术，简单叙述了惯性导航的发展历史，惯性导航系统的原理，介绍了惯性导航系统中陀螺仪和加