惯性导航系统.pdf

惯性导航系统概述惯性导航（InertialNavigation）是依据牛顿惯性原理，利用惯性元件（加速度计）来测量运载体本身的加速度，经过积分和运算得到速度和位置，从而达到对运载体导航定位的目的。组成惯性导航系统的设备都安装在运载体内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。发展历程基本原理平面导航的工作原理如图。取oxy为定位坐标系，载体的瞬时位置为(x,y)坐标。如果在载体内用一个导航平台把2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行速度Vx、Vy和瞬时位置x、y。00txxxVVadt00tyyyVVadt00txxxVdt00tyyyVdt组成惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。•惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪，又称惯性导航组合。3个自由度陀螺仪用来测量运载体的3个转动运动；3个加速度计用来测量运载体的3个平移运动的加速度。•计算机根据测得的加速度信号计算出运载体的速度和位置数据。•控制显示器显示各种导航参数。加速度计加速度计由检测质量（也称敏感质量）、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。检测质量受支承的约束只能沿一条轴线移动，这个轴常称为输入轴或敏感轴。当仪表壳体随着运载体沿敏感轴方向作加速运动时，根据牛顿定律，具有一定惯性的检测质量力图保持其原来的运动状态不变。它与壳体之间将产生相对运动，使弹簧变形，于是检测质量在弹簧力的作用下随之加速运动。当弹簧力与检测质量加速运动时产生的惯性力相平衡时，检测质量与壳体之间便不再有相对运动，这时弹簧的变形反映被测加速度的大小。电位器作为位移传感元件把加速度信号转换为电信号，以供输出。加速度计本质上是一个一自由度的振荡系统，须采用阻尼器来改善系统的动态品质。陀螺仪陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。在现实生活中，陀螺仪发生的进给运动是在重力力矩的作用下发生的。•定轴性当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定的方向；同时反抗任何改变转子轴向的力量。这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。其稳定性随以下的物理量而改变：1）转子的转动惯量愈大，稳定性愈好；2）转子角速度愈大，稳定性愈好。所谓的“转动惯量”，是描述刚体在转动中的惯性大小的物理量。当以相同的力矩分别作用于两个绕定轴转动的不同刚体时，它们所获得的角速度一般是不一样的，转动惯量大的刚体所获得的角速度小，也就是保持原有转动状态的惯性大；反之，转动惯量小的刚体所获得的角速度大，也就是保持原有转动状态的惯性小。•进动性当转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。这种特性，叫做陀螺仪的进动性。进动角速度的方向取决于动量矩H的方向(与转子自转角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向，而且是自转角速度矢量以最短的路径追赶外力矩。进动性的大小也有三个影响的因素：1）外界作用力愈大，其进动角速度也愈大；2）转子的转动惯量愈大，进动角速度愈小；3）转子的角速度愈大，进动角速度愈小。分类•平台式惯性导航系统根据建立的坐标系不同，又分为空间稳定和本地水平两种工作方式。空间稳定平台式惯性导航系统的台体相对惯性空间稳定，用以建立惯性坐标系。地球自转、重力加速度等影响由计算机加以补偿。这种系统多用于运载火箭的主动段和一些航天器上。本地水平平台式惯性导航系统的特点是台体上的两个加速度计输入轴所构成的基准平面能够始终跟踪飞行器所在点的水平面（利用加速度计与陀螺仪组成舒拉回路来保证），因此加速度计不受重力加速度的影响。这种系统多用于沿地球表面作等速运动的飞行器（如飞机、巡航导弹等）。在平台式惯性导航系统中，框架能隔离飞行器的角振动，仪表工作条件较好。平台能直接建立导航坐标系,计算量小，容易补偿和修正仪表的输出,但结构复杂，尺寸大。•捷联式惯性导航系统根据所用陀螺仪的不同，分为速率型捷联式惯性导航系统和位置型捷联式惯性导航系统。前者用速率陀螺仪，输出瞬时平均角速度矢量信号；后者用自由陀螺仪，输出角位移信号。捷联式惯性导航系统省去了平台，所以结构简单、体积小、维护方便，但陀螺仪和加速度计直接装在飞行器上，工作条件不佳，会降低仪表的精度。这种系统的加速度计输出的是机体坐标系的加速度分量，需要经计算机转换成导航坐标系的加速度分量，计算量较大。为了得到飞行器的位置数据，须对惯性导航系统每个测量通道的输出积分。陀螺仪的漂移将使测角误差随时间成正比地增大，而加速度计的常值误差又将引起与时间平方成正比的位置误差。这是一种发散的误差（随时间不断增大），可通过组成舒拉回路、陀螺罗盘回路和傅科回路3个负反馈回路的方法来修正这种误差以获得准确的位置数据。优缺点优点•由于它是不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，故隐蔽性好且不受外界电磁干扰的影响；•可全天候全球、全时间地工作于空中地球表面乃至水下；•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；•数据更新率高、短期精度和稳定性好。缺点•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；•每次使用之前需要较长的初始对准时间；•设备的价格较昂贵；•不能给出时间信息。应用INS是一种自主的、不对外辐射信号、不受外界干扰的导航系统，它以适宜的方式满足用户的导航需求。随着在军用和商业等领域导航需求的增长，惯性导航技术不断拓展新的应用领域。其范围已由原来的舰艇、船舶、航空飞行器、陆地车辆等，扩展到航天飞机、星际探测、制导武器、大地测量、资源勘测、地球物理测量、海洋探测、铁路、隧道等方面，甚至在机器人、摄像机、儿童玩具中也被广泛应用。不同领域使用惯性传感器的目的、方法大致相同，但对器件性能要求的侧重各不相同。从精度方面来看，航天与航海领域对精度要求高，其连续工作时间也长；从系统寿命来看，卫星、空间站等航天器要求最高，因其发射升空后不可更换或维修；制导武器对系统寿命要求最短，但可能须要满足长时间战备的要求。涉及到军事应用等领域，对可靠性要求较高。惯性传感器的精度指标是决定价格成本的根本因素，根据应用要求须首先选择精度指标。因此，根据精度不同，下表列出了惯性传感器的性能、应用分类及适用范围。惯性导航技术发展前景惯性测量传感器的发展趋势材料和工艺：生产厂商采用低劳动密集型生产模式和批量处理技术，选用硅片、石英、或结合光电材料（如铌酸锂）等新型材料，制造惯性传感器。成本：包括产品自身成本和操作维护费用。由于大规模的批量生产，惯性传感器成本在大幅下降。体积：惯性测量传感器在不断向轻量化、小型化、微型化方向发展；未来一些新型的惯性传感器将无法用肉眼识别，如：NEMS（Nano-Electro-MechanicalSystem）和光学NEMS。研究热点：一方面集中在小型化MEMS惯性器件的性能提高和有效封装上，另一方面集中在光学传感器上，尤其是对采用集成光学的FOG的研究。期望：在各个精度级别上，均能获得尺寸小且价格低廉的惯性传感器。惯性传感器的发展情况直接决定了惯性导航系统的开发和应用，惯性传感器自身的成本、体积和功耗影响了惯性导航系统的相应参数指标。因此，惯性测量传感器的发展须要权衡以下几个因素（如图）：精确性、连续性、可靠性、成本、体积/重量、功耗。惯性导航系统发展方向•在无法接收GNSS信号或需要高度导航可靠性的应用场合，高性能的自主INS仍具有不可替代的作用。•GNSS技术的快速发展和进步，将取代部分传统的INS应用领域。•INS与其他多种导航手段组合，尤其是GNSS/INS组合导航系统，受到普遍关注。•地面车辆导航等民用市场发展迅速，价格低廉的一体化、小型化、多模式组合导航设备成为市场发展的三个重要方向，这既是惯性导航系统发展的机遇，也是挑战。谢谢！