慣性導航系統

慣性導航系統

慣性導航系統(INS,以下簡稱慣導)是一種不依賴於外部信息、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,將它對時間進行積分,且把它變換到導航坐標系中,就能夠得到在導航坐標系中的速度、偏航角和位置等信息。

套用

慣性導航系統用於各種運動機具中,包括飛機、潛艇、太空梭等運輸工具及飛彈,然而成本及複雜性限制了其可以套用的場合。

慣性系統最先套用於火箭制導,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,套用於 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,從而發展成套用飛機、火箭、太空梭、潛艇的現代慣性導航系統。

IMU-001慣性導航系統IMU-001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 事套用滲透到民用領域。 慣性技術在國防裝備技術中占有非常重要的地位。 對於慣性制導的中遠程飛彈, 一 般說來命中精度 70%取決於制導系統的精度。對於飛彈核潛艇,由於潛航時間長,其位 置和速度是變化的,而這些數據是發射飛彈的初始參數,直接影響飛彈的命中精度,因 而需要提供高精度位置、 速度和垂直對準信號。 目前適用於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,具有隱蔽性好、工作不受氣象條件和人為干擾影響的優點,而且精度高。對於遠程 巡航飛彈, 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里之 後仍能以很高的精度擊中目標。 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,隨著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套用。 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將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態、 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,隨著科學技術的發展,無線電 導航、慣性導航和衛星導航等技術相繼問世,在軍事、民用等領域廣泛套用。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態、 速度、 位置等信 息的技術方法。實現慣性導航的軟、硬體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)是將 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態矩陣, 即計算出載體坐 標系與導航坐標系之間的關係, 從而把載體坐標系的加速度計信息轉換為導航坐標系下 的信息,然後進行導航計算。由於其具有可靠性高、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採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,特別是 陀螺儀的測量精度,一直是慣性導航領域研究的重點。 陀螺儀的發展經歷了幾個階段。 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於 0.0001°/h。從 60 年代開始,撓性陀螺的 研製工作開始起步,其漂移精度優於 0.05°/h 量級,最好的水平可以達到 0.001°/h。

1960 年雷射陀螺首次研製成功,標誌著光學陀螺開始主宰陀螺市場。目前雷射陀螺的 零偏穩定性最高可達 0.0005°/h,雷射陀螺面臨的最大問題是其製造工藝比較複雜, 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 領域的發展套用, 另一方面也促使雷射陀螺向低成本、 小型化以及三軸整體式方向發展。 而另一種光學陀螺-光纖陀螺不但具有雷射陀螺的很多優點, 而且還具有製造工藝簡單、 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套用於長征系列運載火箭。其他各類小型化捷聯慣導、光纖陀螺慣導、 雷射陀螺慣導以及匹配GPS修正的慣導裝置等也已經大量套用於戰術制導武器、飛機、艦艇、運載火箭、宇宙飛船等。如漂移率0.01°~0.02°/h 的新型雷射陀螺捷聯繫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、潛艇上的套用,以及小型化撓性捷聯慣導在各類飛彈制導武器上的套用,都極大的改善了我軍裝備的性能。

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