慣性導航系統

慣性導航系統

航空航天導航系統科技名詞
慣性導航系統(INS,以下簡稱慣導)是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導航系統。其工作環境不僅包括空中、地面,還可以在水下。慣導的基本工作原理是以牛頓力學定律為基礎,通過測量載體在慣性參考系的加速度,将它對時間進行積分,且把它變換到導航坐标系中,就能夠得到在導航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
    中文名:慣性導航系統 外文名:INS 用途: 基礎:以牛頓力學定律為基礎 工作環境:包括空中、地面、在水下 類型:導航參數解算系統

簡介

通過測量運動載體的加速度(慣性),并自動進行積分運算,獲得其瞬時速度和瞬時位置數據的技術,稱作慣性導航,簡稱慣導。由于組成慣性導航系統的設備都安裝在運動載體之内,工作時不依賴外界信息,也不向外界輻射能量,不易受到外部環境的幹擾,所以它是一種自主式導航系統。

慣性導航系統具有全天候、全時空的工作能力,短期導航參數精度高,适合于海、陸、空、水下、航天等多種環境下的運動載體的精密導航和控制,在軍事上具有重要意義。

慣性導航系統通常由慣性測量裝置、計算機、控制顯示器等組成。慣性測量裝置包括加速度計和陀螺儀(又稱為慣導組合):陀螺儀的漂移将使測角誤差随時間成正比地增大;加速度計的常值誤差又将引起與時間平方成正比的位置誤差。這些誤差不加阻尼和修正,會嚴重影響實際使用,而單純采用提高儀表制造精度的方法既不能消除根本原因,又會導緻成本劇增。當今采用的慣性導航系統常與無線電、多普勒和天文等導航系統組合,既能達到有效的阻尼、又能修正誤差,構成一種高精度的組合導航系統。

應用

慣性導航系統用于各種運動機具中,包括飛機、潛艇、航天飛機等運輸工具及導彈,然而成本及複雜性限制了其可以應用的場合。

慣性系統最先應用于火箭制導,美國火箭先驅羅伯特.戈達爾(ROBERT GODDARD)試驗了早期的陀螺系統。二戰期間經德國人馮布勞恩改進應後,應用于V-2火箭制導。戰後美國麻省理工學院等研究機構及人員對慣性制導進行深入研究,從而發展成應用飛機、火箭、航天飛機、潛艇的現代慣性導航系統。

重要性

慣性技術是對載體進行導航的關鍵技術之一,慣性技術是利用慣性原理或其它有關原理,自主測量和控制運載體運動過程的技術,它是慣性導航、慣性制導、慣性測量和慣性敏感器技術的總稱。現代慣性技術在各國政府雄厚資金的支持下,己經從最初的軍事應用滲透到民用領域。慣性技術在國防裝備技術中占有非常重要的地位。對于慣性制導的中遠程導彈,一般說來命中精度70%取決于制導系統的精度。對于導彈核潛艇,由于潛航時間長,其位置和速度是變化的,而這些數據是發射導彈的初始參數,直接影響導彈的命中精度,因而需要提供高精度位置、速度和垂直對準信号。目前适用于潛艇的唯一導航設備就是慣性導航系統。慣性導航完全是依靠運載體自身設備獨立自主地進行導航,不依賴外部信息,具有隐蔽性好、工作不受氣象條件和人為幹擾影響的優點,而且精度高。對于遠程巡航導彈,慣性制導系統加上地圖匹配技術或其它制導技術,可保證它飛越幾千公裡之後仍能以很高的精度擊中目标。慣性技術己經逐步推廣到航天、航空、航海、石油開發、大地測量、海洋調查、地質鑽控、機器人技術和鐵路等領域,随着新型慣性敏感器件的出現,慣性技術在汽車工業、醫療電子設備中都得到了應用。因此慣性技術不僅在國防現代化中占有十分重要的地位,在國民經濟各個領域中也日益顯示出它的巨大作用。

發展

從廣義上講從起始點将航行載體引導到目的地的過程統稱為導航。從狹義上講導航是指給航行載體提供實時的姿态、速度和位置信息的技術和方法。早期人們依靠地磁場、星光、太陽高度等天文、地理方法獲取定位、定向信息,随着科學技術的發展,無線電導航、慣性導航和衛星導航等技術相繼問世,在軍事、民用等領域廣泛應用。其中,慣性導航是使用裝載在運載體上的陀螺儀和加速度計來測定運載體姿态、速度、位置等信息的技術方法。實現慣性導航的軟、硬件設備稱為慣性導航系統,簡稱慣導系統。

捷聯式慣性導航系統(Strap-down Inertial Navigation System,簡寫SINS)是将加速度計和陀螺儀直接安裝在載體上,在計算機中實時計算姿态矩陣,即計算出載體坐标系與導航坐标系之間的關系,從而把載體坐标系的加速度計信息轉換為導航坐标系下的信息,然後進行導航計算。由于其具有可靠性高、功能強、重量輕、成本低、精度高以及使用靈活等優點,使得SINS已經成為當今慣性導航系統發展的主流。捷聯慣性測量組件(Inertial Measurement Unit,簡寫IMU)是慣導系統的核心組件,IMU的輸出信息的精度在很大程度上決定了系統的精度。

陀螺儀和加速度計是慣性導航系統中不可缺少的核心測量器件。現代高精度的慣性導航系統對所采用的陀螺儀和加速度計提出了很高的要求,因為陀螺儀的漂移誤差和加速度計的零位偏值是影響慣導系統精度的最直接的和最重要的因素,因此如何改善慣性器件的性能,提高慣性組件的測量精度,特别是陀螺儀的測量精度,一直是慣性導航領域研究的重點。陀螺儀的發展經曆了幾個階段。最初的滾珠軸承式陀螺,其漂移速率為(l-2)°/h,通過攻克慣性儀表支撐技術而發展起來的氣浮、液浮和磁浮陀螺儀,其精度可以達到0.001°/h,而靜電支撐陀螺的精度可優于0.0001°/h。從60年代開始,撓性陀螺的研制工作開始起步,其漂移精度優于0.05°/h量級,最好的水平可以達到0.001°/h。

1960年激光陀螺首次研制成功,标志着光學陀螺開始主宰陀螺市場。目前激光陀螺的零偏穩定性最高可達0.0005°/h,激光陀螺面臨的最大問題是其制造工藝比較複雜,因而造成成本偏高,同時其體積和重量也偏大,這一方面在一定程度上限制了其在某些領域的發展應用,另一方面也促使激光陀螺向低成本、小型化以及三軸整體式方向發展。而另一種光學陀螺-光纖陀螺不但具有激光陀螺的很多優點,而且還具有制造工藝簡單、成本低和重量輕等特點,目前正成為發展最快的一種光學陀螺

我國發展

我國的慣導技術近年來已經取得了長足進步,液浮陀螺平台慣性導航系統、動力調諧陀螺四軸平台系統已相繼應用于長征系列運載火箭。其他各類小型化捷聯慣導、光纖陀螺慣導、激光陀螺慣導以及匹配GPS修正的慣導裝置等也已經大量應用于戰術制導武器、飛機、艦艇、運載火箭、宇宙飛船等。如漂移率0.01°~0.02°/h的新型激光陀螺捷聯系統在新型戰機上試飛,漂移率0.05°/h以下的光纖陀螺、捷聯慣導在艦艇、潛艇上的應用,以及小型化撓性捷聯慣導在各類導彈制導武器上的應用,都極大的改善了我軍裝備的性能。

相關詞條

相關搜索

其它詞條