惯性导航

惯性导航系统

摘 要： 本文简要叙述了惯性导航系统的基本原理，即通过对加速度两次积分而确定载体的位置。并简单设计了对加速度两次积分的仿真过程。同时也阐述了惯性导航系统的应用及发展前景。

关键词： 惯性导航；加速度计；陀螺仪

Abstract: in this passage we have briefly introduced the basic principle of inertial navigation system that is to position the carrier through twice integral of acceleration. And we have also designed simple simulation processes for twice integral. At last we have briefly introduced the application and development prospect of inertial navigation system.

Keywords: inertial navigation；accelerometer； gyroscope

一、引言

  近代导航仪器现已广泛应用于舰船、飞机、导弹、坦克等载体上。由于科学技术的发展，运行原理不同于惯性导航仪器的星光导航仪、无线电导航仪和卫星导航仪相继问世。加上计算机、自动化仪器的引入，各种导航仪器现已形成一个个大的系统。各种导航系统特点迥异，用途不一，目前还没有看到只用一种系统就可以完全代替其他所有系统的现象。我们所研究的惯性导航系统其主要优点有：（1）隐蔽性好，不受外界电磁干扰的影响；（2）可全天候、全球性地工作于空中、地球表面乃至水下．（3）能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低．（4）数据更新率高、短期精度和稳定性好。更值得一提的是，惯性导航系统在载体中使用时，不需和外界交换任何光、电信息，这一点在战时非常重要，就连美国的核潜艇、弹道导弹、远程轰炸机目前使用的导航系统仍然是惯性导航系统。

二、惯性导航的基本原理

惯性导航系统是不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。它的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

平面导航的基本原理如图1，取为定位坐标系，载体的瞬时位置为（）坐标。如果在载体内用一个导航平台把两个加速度计的测量轴分别稳定在x和y轴向，则加速度计分别测量载体x和y轴的相对惯性空间的运动加速度。经导航计算机的运算得到载体的航速和和瞬时位置.

以下是其原理简单的仿真过程：

上图是一个非常简单的 加速度计，其参数如下：

变阻器长L，

变阻器阻值R,

恒流电压源U,

其原理如下：

直流电流为，

设dt时间弹簧指针移动dx，

则

由

得

代入得

所以

应用电压放大器，并调节放大器增益为倍，放大器输出即为。

应用时在飞行物中按坐标平面的x，y轴安装两个加速度计，在加速度计输出端用一个控制开关对加速度信号进行抽样，以便用计算机进行处理，设将抽样信号分别输入到两个向量中，并导入matlab中，用以下程序处理：

dt=0.01;

t=0:dt:100;

axt=t.^2;

ayt=t-2*exp(-t); %用上面三条语句生成两个方向的加速度抽样信号

vxt0=0; %初始条件

vxt=dt*cumsum(axt)+vxt0;

xt0=0;

xt=dt*cumsum(vxt)+xt0; %求出x

vyt0=0;

vyt=dt*cumsum(ayt)+vyt0;

yt0=0;

yt=dt*cumsum(vyt)+yt0; %求出y

z=xt+i*yt; %求出位置向量用一个复数表示

subplot(3,1,1),plot(t,xt),grid on,title('x'), %作图

subplot(3,1,2),plot(t,yt),grid on,title('y')

subplot(3,1,3),plot(real(z),imag(z)),grid on,title('飞行物轨迹'),

仿真结果如下:

word/media/image23_1.png

这里加速度计装置与飞行物航向控制存在连带关系，即将飞行物的转向角反馈给加速度计，这可以通过齿轮等机械装置完成，使两个加速度计方向始终在建立的X，Y轴上。

在实际的长航程惯性导航系统中，考虑到地球表面为球面，载体位置用地理经纬度和表示,如果 x轴指北，y轴指东，R为地球半径，则用经纬度表示的载体位置为：

三、惯性导航系统的分类

惯性导航系统分成平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统两大类。

平台式惯性导航系统将惯性测量元件安装在惯性平台上(其原理图如图2)。惯性平台稳定在预定的坐标系内，为加速度计提供一个测量基准，并使惯性测量元件不受载体角运动的影响。导航计算机根据加速度计的输出和初始条件进行导航解算，得出载体的位置、速度等导航参数及陀螺的施矩信息。陀螺在施矩信息作用下，通过平台稳定回路控制平台跟踪导航坐标系在惯性空间的角速度。而航行器的姿态和方位信息，则从平台的框轴上直接测量得到。.

捷联惯性导航系统，导航加速度计和陀螺直接安装在载体上(原理图如图3)。用陀螺测量的角速度信息减去计算的导航坐标系相对惯性空间的角速度,得到载体坐标系相对导航坐标系的角速度,利用该信息计算姿态矩阵。可把载体坐标系轴向加速度信息转换到导航坐标系轴向，再进行导航计算。利用姿态矩阵元素，提取姿态和航向信息。而姿态矩阵计算、加速度信息的坐标变换、姿态航向角计算可代替导航平台功能。而计算导航坐标的角速度信息则相对平台坐标系上陀螺矩阵信息（算法流程如图4）。

四、惯性导航系统发展趋势

在惯性导航系统中,陀螺装置起到了至关重要的作用，各种对于惯性导航系统的改进也大多从陀螺装置入手，现如今以激光来作方位测向器的陀螺逐渐取代传统的机械陀螺已是大势所趋.目前世界上许多国家都在研制激光陀螺,美国的霍尼威尔、利顿、斯佩里等公司均已取得明显的成绩. 法国的激光陀螺技术具有很强的实力. 俄罗斯在激光陀螺研制方面也较为先进, 激光陀螺已被用于苏- 30 MK、苏- 32FN、苏- 34 等战斗机和弹道导弹的制导与控制系统中.

将激光陀螺与全球定位系统( GPS) 结合作为精确导航系统的核心组件的方法, 正被广泛应用于核潜艇、飞机、巡航导弹、洲际导弹及卫星制导中. 例如1999 年美国轰炸我国驻南联盟大使馆的联合直接攻击弹药(JDAM) , 就采用了这种结合式的制导方法.

对于不同的军事需求,可以应用不同精度的陀螺. 例如,用于战略导弹、空间飞行器、自主式潜艇导航、高能激光武器的瞄准、跟踪等, 则需要漂移角速度小于0. 001 5 (°) / h 的高精度惯性陀螺;用于测定空中、地面、海上平台的导航系统和姿态基准系统等,则需要漂移角速率为0. 001 5～15 (°) / h 的中等精度的惯性陀螺;而用于战术导弹、中段制导、灵巧弹药及旋转弹药等,则可采用漂移角速率为15(°) / h的惯性陀螺.由于研制激光陀螺涉及到许多关键技术,如激光射频技术、激光稳频和偏频技术、激光腔光学加工技术、真空及密封技术、信号检测与处理技术、镀膜技术等,因而随着不同关键理论和技术突破的先后不同,会有多种类型的惯性陀螺在军事领域与时俱争,发挥日益显著的作用。

展望未来，激光陀螺型的捷联式惯性导航系统将有较快发展，精度也会有所提高；高性能静电陀螺型的惯性导航系统也会得到广泛应用；捷联式惯性导航系统与GPS全球定位系统的组合更是有广阔前景；光纤陀螺、半球谐振子陀螺和核磁共振陀螺技术的研究成果将进一步推动导航系统的发展。

五、结语

尽管惯性导航系统有其独特的优点，但与其他导航系统相比，惯性导航系统还是存在一定缺陷的：（1）由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；（2）每次使用之前需要较长的初始对准时间；（3）设备的价格较昂贵；（4）不能给出时间信息。我们相信，随着科技的不断进步，惯导系统的功能将会不断完善、不断扩大，精度和可靠性也会不断提高，其强大的生命力和广阔的发展前景会日益凸显。

参考文献：

【1】 陈义华，王凌云，孙道恒；基于 MEMS 技术的微型惯性测量组合，2005，6.

【2】 黄德鸣，程禄著；《惯性导航系统》，国防工业出版社，1986.

【感想与体会】

这是一次创新思维的角逐，

这是一次认知能力的竞争，

这是一次团结协作的过程，

这是一次磨砺成长的机遇，

从决定参赛到确定研究方向，再从研究讨论到论文成型，我们五个人一起研究课题，交流思想，一起解决遇到的困难，一起享受着这次竞赛带给我们的挑战和快乐。

通过这次竞赛，我们感受到团结协作的重要性，我们意识到了毅力与拼搏的魅力，我们体会到思考探索之后的喜悦。同时，我们又发现，目前我们的知识面有一定的局限性，很多相关知识都不甚了解。所以，在以后的学习中，应该扩展知识面，提高自学能力。

感谢给我们这次锻炼的机会，让我们不断成长。我们也会以此为契机，更好地完善自己。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/04b920d4195f312b3169a5ad.html