陀螺平台慣性導航系統

陀螺平台慣性導航系統

正文

一種利用質量作加速度的敏感元件,以陀螺平台為支承的完全自足式導航系統。這種新興的導航系統是在20世紀初出現的。它以力學中的慣性原理為依據,而與周圍物理環境無關,不靠輻射能量和無線電等的輔助,不受外界干擾,導航精度完全取決於元件本身。
慣性導航系統可以作為導航的獨立裝置來使用,給領航員以指示,也可以作為調整器而結合自動駕駛儀來控制運載器。慣性導航系統一般有加速度計、陀螺平台、計算機,以及控制、顯示部件等。基本原理在於用加速度計(慣性敏感元件)測量出運載器的加速度並由積分器加以積分,把信號變成速度,再由另一積分器積分成路程,再經過坐標變換而得到定位和導向的指示。
以平面導航為例,把平台穩定在水平面,沿x,方向各放一個加速度計。加速度計測出的加速度信號,可按下頁平面導航原理圖所示的方案處理。

陀螺平台的功能在於支承加速度計並按導航指示轉動。平台的任何微小偏差都會反映到加速度測量中,以致在時間長的導航中會使位置指示的誤差積累越來越大。陀螺平台是一種具有速度控制的伺服機構,本身就是受控制項,它和運載器間不應有任何耦合。
根據陀螺平台的定位方式以及它和加速度計之間的聯繫狀況,慣性導航系統可分為幾何式、解析式和半解析式三類:
在幾何式慣性導航系統中,陀螺平台穩定在慣性空間,而加速度計平台則用精密的時鐘機構(精確度高達幾百萬分之一秒的晶體振盪器)轉動,使之跟上當地的重力方向。這種系統構造複雜,體積和重量都較大。但由於加速度計的方位是受機械控制的,精確度較高,因而能用於船艦、潛艇等的導航。
解析式慣性導航系統的加速度計直接裝在陀螺平台上,因而有構造簡單、體積重量都小的優點。平台也被穩定在慣性空間。但是,由於重力相對於平台和加速度計的敏感方向都隨時間而改變,以致在加速度的實測值中有重力的可變分量介入,比較難以消除。同時,積分器給出的是相對於慣性空間的數據,把這些數據變換到當地的地理坐標系中,也很麻煩。這些複雜的計算,通常由地面的計算機完成。這種系統用以制導那些工作時間較短(僅幾分鐘)的彈道式飛彈是比較適宜的。
半解析式慣性導航系統的加速度計也直接裝在陀螺平台上,但此平台不斷地跟蹤著當地水平面。由於平台的進動電動機是按照積分器輸出量的放大信號(在積分前要把介入的有害加速度消除)來工作的,因此電動機的角速度應與信號保持嚴格的正比關係,而且在高放大倍數下不失真,這一點是很難做到的。但是,這種系統的坐標變換工作比較簡單,可以使用較小的計算機。這種系統適用於工作時間長達十幾小時的普通飛機和飛航式飛彈。
慣性導航系統套用於衛星發射也很出色,它能直接測出軌道的變化率,從而測出應截止推力的精確時間,以便有效地把衛星送入預定軌道。但是,對於時間很長的行星際飛行,由於各行星產生的引力分量難以測準,會有非慣性參考系性質的誤差介入並按指數規律積累起來。因此,需要從外界引入補償信號,例如利用天文導航、無線電導航等的結合來消除這些誤差。
在選擇元件參數時,舒勒條件(見舒勒擺)極關重要。滿足舒勒條件不僅能排除有害的加速度干擾,同時能使誤差的積累以振動的形式出現(也具有84.4分鐘的周期),而且不按時間的平方遞增。
具有陀螺平台的慣性導航系統的適用性取決於元件的精度。今後除致力於改進現有的元件外,還要進一步探索更好的導航方案和研製新的元件。目前已出現的捷聯式慣性導航系統,不用陀螺平台而把運載器上的加速度計(通常是三個速率陀螺儀)的信號直接輸入計算機。這種以計算機軟體代替更複雜平台的辦法,能降低造價和提高可靠性。
參考書目
 布羅克斯梅耶著,致學譯:《慣性導航系統》,國防工業出版社,北京,1972。(C. Broxmeyer, Inertial Navigation Systems,McGraw-Hill, New York, 1964.)

配圖

相關連線

相關詞條

相關搜尋

熱門詞條

聯絡我們