第二章無(wú)人機(jī)單一導(dǎo)航技術(shù)

1、第2章 無(wú)人機(jī)的單一導(dǎo)航技術(shù)目前在無(wú)人機(jī)上采用的導(dǎo)航技術(shù)主要包括慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、多普勒導(dǎo)航、地形輔助導(dǎo)航以及地磁導(dǎo)航等。這些導(dǎo)航技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因此，在無(wú)人機(jī)導(dǎo)航中，要根據(jù)無(wú)人機(jī)任務(wù)需求的不同來(lái)選擇合適的導(dǎo)航技術(shù)。 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System，INS)作為一種不依賴(lài)于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。其工作環(huán)境可不受地域的限制，這種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)主要通過(guò)測(cè)量加速度、角速度來(lái)推算飛行器的速度、位置等導(dǎo)航信息。2.1 慣性導(dǎo)航在運(yùn)載體上安裝陀螺儀和加速度計(jì)，經(jīng)過(guò)計(jì)算(一次積分和二次積分)，從而求得運(yùn)動(dòng)軌道(載體的運(yùn)動(dòng)速度和距離)，進(jìn)行導(dǎo)

2、航的技術(shù)，稱(chēng)為慣性導(dǎo)航。利用慣性導(dǎo)航求得運(yùn)動(dòng)軌道(運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)的速度和距離)，并且產(chǎn)生對(duì)運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)所需要的控制信號(hào)，控制運(yùn)載體按要求彈道運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為慣性制導(dǎo)。作為一種自主式的導(dǎo)航方法，慣性導(dǎo)航是完全依靠載體上的設(shè)備自主地確定出載體的航向、位置、姿態(tài)、和速度等導(dǎo)航參數(shù)，并不需要任何的外界信息。因此，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有隱蔽性好、全天候工作能力等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，對(duì)飛行器、艦船和地面移動(dòng)載體（特別是用于軍事目的）等尤為重要。近年來(lái)由于捷聯(lián)技術(shù)在慣導(dǎo)系統(tǒng)中的應(yīng)用為慣導(dǎo)系統(tǒng)在民用領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展開(kāi)辟了更廣闊的前景。 2.1.1慣性導(dǎo)航的結(jié)構(gòu)慣性導(dǎo)航作為一個(gè)自主的空間基準(zhǔn)保持系統(tǒng)，從原理上講，各種類(lèi)型的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)都

3、可以用幾何學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)解釋?zhuān)鼞?yīng)由以下兩個(gè)分系統(tǒng)所組成：（1）指示當(dāng)?shù)氐卮咕€(xiàn)方向的分系統(tǒng)。它是通過(guò)測(cè)定艦船所在的重力方向，再對(duì)重力偏差角進(jìn)行修正，以獲取大地參考橢球上該點(diǎn)的位置。（2）保持慣性空間基準(zhǔn)的分系統(tǒng)。它是通過(guò)指示地球自轉(zhuǎn)軸的方向，來(lái)確定地心慣性坐標(biāo)系。 有了地球自轉(zhuǎn)軸方向和當(dāng)?shù)卮咕€(xiàn)方向之間的幾何關(guān)系，即可確定艦船導(dǎo)航所需的經(jīng)緯度值。在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，用加速度計(jì)測(cè)量當(dāng)?shù)氐卮咕€(xiàn)的方向，用陀螺儀測(cè)量地球自轉(zhuǎn)軸的方向，把所測(cè)到的這些參數(shù)連同事先給出的時(shí)間、引力場(chǎng)、初始位置和初始速度一起送入導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，即可實(shí)時(shí)計(jì)算出載體相對(duì)所選擇的導(dǎo)航參考坐標(biāo)系的位置。所以說(shuō)，兩個(gè)慣性敏感器（陀螺儀和加速度計(jì)）

4、是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的核心部分。加速度計(jì)又稱(chēng)比力接收器，它是以牛頓慣性定律作為理論基礎(chǔ)的，它可以敏感和測(cè)量運(yùn)動(dòng)體沿一定方向的比力（即運(yùn)動(dòng)體的絕對(duì)加速度和引力加速度之差）。測(cè)量加速度的方法很多，有機(jī)械的、電磁的、光學(xué)的、放射線(xiàn)的等等。按照作用原理和結(jié)構(gòu)的不同，慣性系統(tǒng)用加速度計(jì)可分為兩大類(lèi)，即機(jī)械加速度計(jì)和固態(tài)加速度計(jì)。 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常由慣性測(cè)量裝置、計(jì)算機(jī)、控制顯示器等組成。慣性測(cè)量裝置包括加速度計(jì)和陀螺儀，又稱(chēng)慣性導(dǎo)航組合。3軸陀螺儀用來(lái)測(cè)量飛行器的沿3個(gè)軸做轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的角速度；3個(gè)加速度計(jì)用來(lái)測(cè)量飛行器的3個(gè)平移運(yùn)動(dòng)的加速度；計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)得的加速度和角速度計(jì)算出飛行器的速度和位置；控制顯示器顯

5、示各種導(dǎo)航參數(shù)。 慣性測(cè)量裝置用來(lái)測(cè)量載體的線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并通過(guò)接口電路將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送給導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)是軟件的載體，有兩項(xiàng)主要功能：在初始對(duì)準(zhǔn)階段，接收來(lái)自慣性測(cè)量裝置的測(cè)量信號(hào)（陀螺和加速度計(jì)的輸出信號(hào)），并借助“對(duì)準(zhǔn)軟件”完成慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)，即建立導(dǎo)航坐標(biāo)系；在導(dǎo)航階段，接收慣性測(cè)量裝置的測(cè)量信號(hào)，并借助“導(dǎo)航軟件”完成導(dǎo)航計(jì)算。導(dǎo)航計(jì)算又有兩項(xiàng)使命：第一，維持平臺(tái)坐標(biāo)系的空間指向（跟蹤導(dǎo)航系）；第二，解算導(dǎo)航參數(shù)、為載體定位，并通過(guò)接口電路將導(dǎo)航參數(shù)發(fā)送給控制系統(tǒng)（或顯示器）。 下面介紹慣性導(dǎo)航的三個(gè)主要部件陀螺儀、加速度計(jì)和慣導(dǎo)平臺(tái)。（一）陀螺儀傳統(tǒng)意義上的陀螺儀是安

6、裝在框架中繞回轉(zhuǎn)體的對(duì)軸高速旋轉(zhuǎn)的物體。陀螺儀具有穩(wěn)定性和進(jìn)動(dòng)性，利用這些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角偏差的位置陀螺。由于光學(xué)、MEMS等技術(shù)被引入陀螺儀的研制，現(xiàn)在習(xí)慣上把能夠完成陀螺功能的裝置稱(chēng)為陀螺。 陀螺儀種類(lèi)多種多樣，按陀螺轉(zhuǎn)子主軸所具有的進(jìn)動(dòng)自由度數(shù)目可分為二自由度陀螺儀和單自由度陀螺儀；按支承系統(tǒng)可分為滾珠軸承支承陀螺，液浮、氣浮與磁浮陀螺，撓性陀螺(動(dòng)力調(diào)諧式撓性陀螺儀)，靜電陀螺；按物理原理分為利用高速旋轉(zhuǎn)體物理特性工作的轉(zhuǎn)子式陀螺，和利用其他物理原理工作的半球諧振陀螺、微機(jī)械陀螺、環(huán)形激光陀螺和光纖陀螺等。 在平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中，用陀螺來(lái)穩(wěn)定裝有加速度計(jì)的平臺(tái)，而產(chǎn)

7、生平臺(tái)漂移的主要因素是陀螺漂移，因此，對(duì)陀螺漂移值的大小提出一定的限制。對(duì)于捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，除了上述的要求之外，還必須對(duì)陀螺儀提出速率范圍，標(biāo)度系數(shù)的精度、帶寬等特殊要求。根據(jù)陀螺儀應(yīng)用場(chǎng)合的不同，對(duì)其漂移速度的要求也不盡相同，這與應(yīng)用的情況，系統(tǒng)的精度要求，使用時(shí)間的長(zhǎng)短等因素有關(guān)。在同一個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用中，采取不同的設(shè)計(jì)方案時(shí)，亦會(huì)對(duì)陀螺的精度提出不同的要求。就使用對(duì)象來(lái)劃分，戰(zhàn)術(shù)彈和火力控制用陀螺儀，漂移速度大于0.1度h，巡航彈用陀螺儀，漂移速度約在0.01度h至0.001度h，彈道導(dǎo)彈用陀螺儀，約在0.001度h左右。此外，對(duì)用于半解析式慣導(dǎo)系統(tǒng)中的陀螺儀，由于需要對(duì)陀螺進(jìn)行精確控制

8、，對(duì)陀螺中的力矩發(fā)生器的線(xiàn)性度提出了嚴(yán)格的要求。 （二）加速度計(jì)加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心元件之。依靠它對(duì)比力的測(cè)量，完成慣導(dǎo)系統(tǒng)確定載體的位置、速度以及產(chǎn)生跟蹤信號(hào)的任務(wù)。載體加速度的測(cè)量必須十分準(zhǔn)確地進(jìn)行，而且是在由陀螺穩(wěn)定的參考坐標(biāo)系中進(jìn)行。在不需要進(jìn)行高度控制的慣導(dǎo)系統(tǒng)中，只要兩個(gè)加速度計(jì)就可以完成上述任務(wù)。加速度計(jì)的基本工作原理為牛頓第二定律。 加速度計(jì)的分類(lèi)：按照輸入與輸出的關(guān)系可分為普通型、積分性和二次積分型；按物理原理可分為擺式和非擺式，擺式加速度計(jì)包括擺式積分加速度計(jì)、液浮擺式加速度計(jì)和撓性擺式加速度計(jì)，非擺式加速度計(jì)包括振梁加速度計(jì)和靜電加速度計(jì)；按測(cè)量的自由度可分為單軸

9、、雙軸、三軸；按測(cè)量精度可分為高精度、中精度和低精度三類(lèi)。 此外，MEMS技術(shù)的發(fā)展促使微加速度計(jì)制作技術(shù)越來(lái)越成熟，國(guó)內(nèi)外都將微加速度計(jì)開(kāi)發(fā)作為MEMS技術(shù)產(chǎn)品化的優(yōu)先項(xiàng)目。與通常的加速度計(jì)相比，微加速度計(jì)具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因此可被廣泛運(yùn)用于航空航天、汽車(chē)工業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化及機(jī)器人等領(lǐng)域，也給加速度計(jì)的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇。 常見(jiàn)的微加速度計(jì)按敏感原理的不同可分為：壓阻式、壓電式、隧道效應(yīng)式、電容式以及熱敏式等；按照工藝方法又可分為體硅工藝微加速度計(jì)和表面工藝微加速度計(jì)。自1977年美國(guó)斯坦福大學(xué)首先利用MEMS技術(shù)制作了一種開(kāi)環(huán)微加速度計(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)發(fā)出了

10、各種結(jié)構(gòu)和原理的微加速度計(jì)。國(guó)外一些公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了部分類(lèi)型微加速度計(jì)的產(chǎn)品化，例如美國(guó)AD公司1993年就開(kāi)始批量化生產(chǎn)基于平面工藝的電容式微加速度計(jì)。 （三）慣導(dǎo)平臺(tái)慣導(dǎo)平臺(tái)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心部件，它的作用是為整個(gè)慣性系統(tǒng)提供載體比力的大小和方向，或者說(shuō)，把載體的比力矢量沿導(dǎo)航坐標(biāo)系分解為相應(yīng)的比力分量，如圖2.1.1所示。 圖2.1.1 慣導(dǎo)平臺(tái)為了做到這一點(diǎn)，有兩種方案可行。一是“捷聯(lián)方式”，二是“平臺(tái)方式”。在捷聯(lián)方式時(shí)，加速度計(jì)直接安裝在載體上，測(cè)量沿著與載體固連的坐標(biāo)系軸方向的比力。為了要知道每一瞬間軸坐標(biāo)系相對(duì)計(jì)算坐標(biāo)系的方向，必須在載體上安裝陀螺儀。這種陀螺儀應(yīng)當(dāng)能夠以很高的

11、精度在很大的測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)量載體的旋轉(zhuǎn)角速度。 2.1.2慣導(dǎo)系統(tǒng)中常用的坐標(biāo)系（一）慣性坐標(biāo)系（簡(jiǎn)稱(chēng)i系）在慣性導(dǎo)航中，慣性坐標(biāo)系是一個(gè)十分重要的概念。按照牛頓力學(xué)的定義，它是加速度矢量恒為零的“絕對(duì)空間”，或者絕對(duì)靜止、或者作嚴(yán)格意義上的勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。但這一定義只有數(shù)學(xué)意義，因?yàn)樵谧匀唤缰?，找不到一個(gè)絕對(duì)靜止、或者作勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的物體作為參照物。在實(shí)際的工程問(wèn)題中，只能根據(jù)所研究問(wèn)題的性質(zhì)和所要求的導(dǎo)航精度，選取一個(gè)近似靜止的參照物作為慣性參考系。 在慣性技術(shù)領(lǐng)域，常用的慣性系有兩個(gè)：一個(gè)是以太陽(yáng)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的“日心慣性系”，三根坐標(biāo)軸分別指向三個(gè)恒星；另一個(gè)是，以地球中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的“地

12、心慣性系”，一根坐標(biāo)軸沿地球的極軸（自轉(zhuǎn)軸）、另外兩根軸在地球的赤道平面內(nèi)，三根軸正交，并分別指向宇宙空間的三個(gè)恒星，記為oxiyizi，如圖2.1.2（a）所示。請(qǐng)注意，地心慣性系與地球不是固連的、不跟隨地球一起旋轉(zhuǎn)。日心慣性系多應(yīng)用于天文觀測(cè)和空間飛行器中；地心慣性系多應(yīng)用于相對(duì)地球表面運(yùn)動(dòng)的航行體（例如，飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦船和戰(zhàn)車(chē)等）。這里以地心慣性系作為參考基準(zhǔn)。 圖2.1.2 坐標(biāo)系示意圖（二）地球坐標(biāo)系（簡(jiǎn)稱(chēng)e系）地球的表面形狀十分復(fù)雜，而且質(zhì)量分布也不均勻，通常將其近似地看成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的橢球體。但為了簡(jiǎn)化分析和計(jì)算，在精度允許的范圍內(nèi)，可進(jìn)一步將其簡(jiǎn)化成一個(gè)理想的圓球體。在慣性導(dǎo)航中，

13、用地球坐標(biāo)系代替地球參與各種分析與計(jì)算?；蛘哒f(shuō)，地球坐標(biāo)系是地球的數(shù)學(xué)抽象。 地球坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)取在地球的中心，并與地球固連。ze軸沿地球的極軸，指向北極為正，其余兩根軸在地球的赤道平面內(nèi)。xe軸為零度子午面與赤道平面的交線(xiàn)，由地心向外指為正；ye軸為東經(jīng)90子午面與赤道平面的交線(xiàn)，同樣由地心向外指為正。三根軸共同構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系oxeyeze，如圖2.1.2（a）所示。請(qǐng)注意，地球坐標(biāo)系與地球固連，隨地球一起旋轉(zhuǎn)。 （三）載體坐標(biāo)系（簡(jiǎn)稱(chēng)b系）載體坐標(biāo)系與載體（航行體）固連，是載體的數(shù)學(xué)抽象，代替載體參與分析計(jì)算。載體坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)取在載體的質(zhì)心，一根軸與載體的縱向?qū)ΨQ(chēng)軸重合，指向前方

14、為正，稱(chēng)為縱軸（xb軸）；第二根軸在載體的縱向?qū)ΨQ(chēng)平面內(nèi)與縱軸垂直，指向上方為正，稱(chēng)為豎軸、或立軸（yb軸）；第三根軸垂直于載體的縱向?qū)ΨQ(chēng)平面，其指向按右手系的規(guī)定確定，稱(chēng)為橫軸、或側(cè)軸（zb）?？紤]到載體的多樣性，如果載體為導(dǎo)彈，則載體系就是彈體系；如果載體為飛機(jī)，則載體系就是機(jī)體系。 （四）地理坐標(biāo)系（簡(jiǎn)稱(chēng)t系）地理坐標(biāo)系的原點(diǎn)取在航行體的質(zhì)心，隨航行體一起運(yùn)動(dòng)，但與載體不固連。一根軸與當(dāng)?shù)氐牡卮咕€(xiàn)重合，但其取向比較隨意，可以“指天為正”、也可以“指地為正”。其余兩根軸位于當(dāng)?shù)氐乃矫鎯?nèi)，一根指北、另一根指東。三根軸的命名沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)定，可根據(jù)需要確定。例如，xt軸在當(dāng)?shù)厮矫鎯?nèi)指東、yt

15、軸沿當(dāng)?shù)刈游缇€(xiàn)指北、zt軸沿當(dāng)?shù)氐牡卮咕€(xiàn)指天，則稱(chēng)該坐標(biāo)系為“東北天”地理坐標(biāo)系，如圖2.1.2（a）所示。反過(guò)來(lái)，如果將北向命名為xt軸，將東向命名為yt軸，那么按照右手坐標(biāo)系的規(guī)則，zt軸沿地垂線(xiàn)指地為正，稱(chēng)這樣的坐標(biāo)系為“北東地”地理坐標(biāo)系。要特別注意的是，地理坐標(biāo)的定義不同，投影的結(jié)果也不同。 圖2.1.2（a）中的為當(dāng)?shù)亟?jīng)度，為當(dāng)?shù)鼐暥?。由于工程界?jīng)常采用經(jīng)度和緯度來(lái)表示航行器在地球表面的地理位置，所以又稱(chēng)地理坐標(biāo)系為“經(jīng)緯度坐標(biāo)系”。國(guó)際上統(tǒng)一規(guī)定，通過(guò)英國(guó)“格林威治”天文臺(tái)的子午線(xiàn)為零度子午線(xiàn)，也稱(chēng)為“本初子午線(xiàn)”。本初子午線(xiàn)與地球極軸構(gòu)成的平面，稱(chēng)為“本初子午面”。本初子午面與

16、當(dāng)?shù)刈游缑娴膴A角，稱(chēng)為“經(jīng)度”。地垂線(xiàn)與赤道平面之間的夾角，稱(chēng)為“緯度”。赤道平面的平行面與地球表面的交線(xiàn)，稱(chēng)為“緯度圈”。 （五）目標(biāo)方位坐標(biāo)系（簡(jiǎn)稱(chēng)d系）目標(biāo)方位坐標(biāo)系，主要用于短程、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的慣導(dǎo)系統(tǒng)。引入這個(gè)坐標(biāo)系的目的，是為了簡(jiǎn)化導(dǎo)航方程，從而減少計(jì)算量。坐標(biāo)原點(diǎn)取在過(guò)導(dǎo)彈發(fā)射點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的地球大圓上，并且隨著導(dǎo)彈的飛行，在該大圓上同步移動(dòng)。xd軸始終與大圓相切并指向目標(biāo)點(diǎn)（目標(biāo)方位）；yd軸在大圓平面內(nèi)，始終與過(guò)坐標(biāo)系原點(diǎn)的地垂線(xiàn)重合，指天為正；z d軸垂直于大圓平面，其指向按右手系配置，如圖2.1.2（b）所示。由于該坐標(biāo)系以地球大圓為基準(zhǔn)，故又稱(chēng)為“大圓坐標(biāo)系”。 另外，由于地理

17、坐標(biāo)系的oxtyt平面與大圓坐標(biāo)系的ozdxd平面都在當(dāng)?shù)氐牡仄矫鎯?nèi)（與地球表面相切），所以又稱(chēng)這兩個(gè)坐標(biāo)系為“切平面坐標(biāo)系”。二者的坐標(biāo)原點(diǎn)均與載體的質(zhì)心重合（但不固連），其差別僅在于切平面內(nèi)的一個(gè)方位角k，如圖2.1.3所示。 圖2.1.3 地理坐標(biāo)系與大圓坐標(biāo)系的關(guān)系（六）導(dǎo)航坐標(biāo)系導(dǎo)航坐標(biāo)系，是慣性測(cè)量和導(dǎo)航計(jì)算的基準(zhǔn)。不同的航行器、不同的導(dǎo)航系統(tǒng)、不同的任務(wù)使命，所使用的導(dǎo)航坐標(biāo)系，一般來(lái)說(shuō)是不同的。上述的地理坐標(biāo)系和大圓坐標(biāo)系，就是兩種較為常用的導(dǎo)航坐標(biāo)系。地理坐標(biāo)系多應(yīng)用于飛機(jī)和遠(yuǎn)距離飛行的巡航導(dǎo)彈，而大圓坐標(biāo)系多應(yīng)用于近距離飛行的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈?！暗貙?duì)地導(dǎo)彈”通常采用慣性系作為導(dǎo)航坐

18、標(biāo)系。無(wú)論選擇什么樣的導(dǎo)航坐標(biāo)系，其目的只有一個(gè)：簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和導(dǎo)航計(jì)算過(guò)程，最終的目的是降低研制成本。 （七）平臺(tái)坐標(biāo)系（簡(jiǎn)稱(chēng)P系）平臺(tái)坐標(biāo)系用來(lái)模擬導(dǎo)航坐標(biāo)系，在平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中，平臺(tái)坐標(biāo)系就是真實(shí)的物理平臺(tái)；在捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中，則代表虛擬的數(shù)學(xué)平臺(tái)。在對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析時(shí)，還需將平臺(tái)坐標(biāo)系區(qū)分為“理想平臺(tái)系”和“實(shí)際平臺(tái)系”。理想平臺(tái)系，代表沒(méi)有誤差的平臺(tái)，就是前面定義的導(dǎo)航坐標(biāo)系。但由于制造誤差和干擾因素的存在，實(shí)際的物理平臺(tái)是有誤差的，與理想平臺(tái)（定義的坐標(biāo)系）是不重合的，故稱(chēng)為“實(shí)際平臺(tái)系”。在捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中，由于計(jì)算機(jī)的計(jì)算也是有誤差的，用軟件得到的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣稱(chēng)為“計(jì)算平

19、臺(tái)系”，相當(dāng)于平臺(tái)式慣導(dǎo)的“實(shí)際平臺(tái)系”。 2.1.2慣性導(dǎo)航的發(fā)展由于陀螺儀是慣性導(dǎo)航的核心部件，因此，可以按各種類(lèi)型陀螺出現(xiàn)的先后、理論的建立和新型傳感器制造技術(shù)的出現(xiàn)，將慣性技術(shù)的發(fā)展劃分為四代，但是慣性技術(shù)發(fā)展的各階段之間并無(wú)明顯界線(xiàn)。第一代慣性技術(shù)指1930年以前的慣性技術(shù)。自1687年牛頓三大定律的建立，并成為慣性導(dǎo)航的理論基礎(chǔ)；到1852年，傅科(Leon Foucault)提出陀螺的定義、原理及應(yīng)用設(shè)想；再到1908年由安修茨(Hermann AnschtzKaempfe)研制出世界上第一臺(tái)擺式陀螺羅經(jīng)，以及1910年的舒勒(Max Schuler)調(diào)諧原理；第一代慣性技術(shù)奠定

20、了整個(gè)慣性導(dǎo)航發(fā)展的基礎(chǔ)。 第二代慣性技術(shù)開(kāi)始于上世紀(jì)40年代火箭發(fā)展的初期，其研究?jī)?nèi)容從慣性?xún)x表技術(shù)發(fā)展擴(kuò)大到慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用。首先是慣性技術(shù)在德國(guó)V-II火箭上的第一次成功應(yīng)用。到50年代中后期，0.5n mileh的單自由度液浮陀螺平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)研制并應(yīng)用成功。1968年，漂移約為0.005h的G6B4型動(dòng)壓陀螺研制成功。這一時(shí)期，還出現(xiàn)了另一種慣性傳感器-加速度計(jì)。在技術(shù)理論研究方面，為減少陀螺儀表支承的摩擦與干擾，撓性、液浮、氣浮、磁懸浮和靜電等支承懸浮技術(shù)被逐步采用；1960年激光技術(shù)的出現(xiàn)為今后激光陀螺(RLG)的發(fā)展提供了理論支持；捷聯(lián)慣性導(dǎo)航(SINS)理論研究趨于完善。 7

21、0年代初期，第三代慣性技術(shù)發(fā)展階段出現(xiàn)了一些新型陀螺、加速度計(jì)和相應(yīng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)，其研究目標(biāo)是進(jìn)一步提高INS的性能，并通過(guò)多種技術(shù)途徑來(lái)推廣和應(yīng)用慣性技術(shù)。這一階段的主要陀螺包括：靜電陀螺(ESG)、動(dòng)力調(diào)諧陀螺(DTG)、環(huán)形激光陀螺(RLG)、干涉式光纖陀螺IFOG等。ESG的漂移可達(dá)10-4h；DTG的體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，隨機(jī)漂移可達(dá)0.01h量級(jí)； 基于Sagnac干涉效應(yīng)的RLG和捷聯(lián)式激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)(SINS)在民航方面得到應(yīng)用，導(dǎo)航精度可達(dá)0.1n mileh。除此之外，超導(dǎo)體陀螺、粒子陀螺、音叉振動(dòng)陀螺、流體轉(zhuǎn)子陀螺及固態(tài)陀螺等基于不同物體原理的陀螺儀表相繼設(shè)計(jì)成

22、功。80年代，伴隨著半導(dǎo)體工藝的成熟和完善，采用微機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制電路工藝制造的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開(kāi)始出現(xiàn)。 當(dāng)前，慣性技術(shù)正處于第四代發(fā)展階段，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性、低成本、小型化、數(shù)字化、應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛的導(dǎo)航系統(tǒng)。一方面，陀螺的精度不斷提高，漂移量可達(dá)10-6/h ；另一方面，隨著RLG、FOG、MEMS等新型固態(tài)陀螺儀的逐漸成熟，以及高速大容量的數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，SINS在低成本、短期中精度慣性導(dǎo)航中呈現(xiàn)出取代平臺(tái)式系統(tǒng)的趨勢(shì)。在慣性技術(shù)發(fā)展的歷史過(guò)程中，Draper驗(yàn)室、Sperry、原Litton、Delco、Honeywell、Kearfott、Rockwell、G

23、E(General Electric)以及其它一些公司和研究機(jī)構(gòu)，對(duì)慣性技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用做出了較大貢獻(xiàn)。 2.1.3慣性導(dǎo)航的工作原理與分類(lèi)慣性導(dǎo)航是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，依靠安裝在載體（飛機(jī)、艦船、火箭等）內(nèi)部的加速度計(jì)和陀螺儀測(cè)量載體在三個(gè)軸向的運(yùn)動(dòng)加速度和角速度，經(jīng)積分運(yùn)算得出載體的瞬時(shí)速度和位置，以及測(cè)量載體姿態(tài)的一種導(dǎo)航方式。從物理意義上來(lái)解釋?zhuān)瑧T性導(dǎo)航是一門(mén)信息科學(xué)，也可以說(shuō)它是一個(gè)信息處理系統(tǒng)。根據(jù)牛頓慣性定律，當(dāng)載體相對(duì)慣性空間以加速度a運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以用載體中的加速度計(jì)測(cè)出作用在單位質(zhì)量上慣性力和引力的矢量和的大小，即比力的大小。 MSF = ma mg (式2.1)式中 S

24、F 加速度計(jì)檢測(cè)質(zhì)量受到的比力； m 感受加速度的檢測(cè)質(zhì)量； a 載體的運(yùn)動(dòng)加速度； g 地球的引力加速度。式2.1表明，通過(guò)載體上加速度計(jì)測(cè)出比力后，在載體內(nèi)部不必依賴(lài)外界信息而只是通過(guò)慣性元件即可測(cè)得載體相對(duì)慣性坐標(biāo)系的加速度。當(dāng)知道了載體的初始位置和初始速度后，只要對(duì)該加速度進(jìn)行兩次積分便可以分別先后獲取該載體定位所需要的速度和位置信息。 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可分為平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)兩大類(lèi)。前者是將陀螺儀和加速度計(jì)安裝在一個(gè)穩(wěn)定平臺(tái)上，以平臺(tái)坐標(biāo)系為基準(zhǔn)測(cè)量運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)參數(shù)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；后者是將慣性敏感器（陀螺和加速度計(jì)）直接安裝在運(yùn)載體上，不再需要穩(wěn)定平臺(tái)和常平架系統(tǒng)的慣性

25、導(dǎo)航系統(tǒng)。 一、平臺(tái)式慣性導(dǎo)航平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，根據(jù)建立的坐標(biāo)系不同，又分為空間穩(wěn)定和本地水平兩種工作方式?？臻g穩(wěn)定平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的臺(tái)體相對(duì)慣性空間穩(wěn)定，用以建立慣性坐標(biāo)系。地球自轉(zhuǎn)、重力加速度等影響由計(jì)算機(jī)加以補(bǔ)償。這種系統(tǒng)多用于運(yùn)載火箭的主動(dòng)段和一些航天器上。 本地水平平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)是臺(tái)體上的兩個(gè)加速度計(jì)輸入軸所構(gòu)成的基準(zhǔn)平面能夠始終跟蹤飛行器所在點(diǎn)的水平面（利用加速度計(jì)與陀螺儀組成舒拉回路來(lái)保證），因此加速度計(jì)不受重力加速度的影響。這種系統(tǒng)多用于沿地球表面作等速運(yùn)動(dòng)的飛行器（如飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈等）。在平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，框架能隔離飛行器的角振動(dòng)，儀表工作條件較好。平臺(tái)能直

26、接建立導(dǎo)航坐標(biāo)系，計(jì)算量小，容易補(bǔ)償和修正儀表的輸出，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸大。 需要注意的是，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度與地球參數(shù)的精度密切相關(guān)。高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)須用參考橢球來(lái)提供地球形狀和重力的參數(shù)。由于地殼密度不均勻、地形變化等因素，地球各點(diǎn)的參數(shù)實(shí)際值與參考橢球求得的計(jì)算值之間往往有差異，并且這種差異還帶有隨機(jī)性，這種現(xiàn)象稱(chēng)為重力異常。正在研制的重力梯度儀能夠?qū)χ亓?chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，提供地球參數(shù)，解決重力異常問(wèn)題。 （一）平臺(tái)的結(jié)構(gòu)與組成（1）平臺(tái)的框架結(jié)構(gòu)陀螺穩(wěn)定平臺(tái)是平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心部件，按其具有的環(huán)架數(shù)又可將其劃分為雙環(huán)、三環(huán)和四環(huán)平臺(tái)。雙環(huán)平臺(tái)極為少見(jiàn)，三環(huán)平臺(tái)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、飛機(jī)

27、和船舶上，四環(huán)平臺(tái)基本上只用在飛機(jī)上。由于飛機(jī)要做大姿態(tài)（俯仰角接近90）機(jī)動(dòng)飛行，有可能造成三環(huán)平臺(tái)的滾動(dòng)軸與方位軸重合，從而喪失一個(gè)自由度（不能夠恢復(fù)三軸正交的狀態(tài)），稱(chēng)這種現(xiàn)象為三環(huán)平臺(tái)的“環(huán)架自鎖”。 為了克服這一現(xiàn)象，通常在飛機(jī)上采用四環(huán)平臺(tái)。所謂四環(huán)平臺(tái)，是在三環(huán)平臺(tái)的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)“外橫滾環(huán)”，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.1.4所示。 圖2.1.4四環(huán)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖其中，外滾環(huán)和方位環(huán)，均具有360的自由度；內(nèi)滾環(huán)一般只具有20左右的自由度；俯仰環(huán)應(yīng)具有90以上的自由度。由圖2-3可知，平臺(tái)的臺(tái)體中就是方位環(huán)、與方位軸固連，方位軸垂直于臺(tái)體平面，靠裝配工藝保證；內(nèi)滾環(huán)與內(nèi)滾軸固連，內(nèi)

28、滾軸與方位軸正交、共面（在內(nèi)滾環(huán)平面內(nèi)），靠裝配工藝保證；俯仰環(huán)與俯仰軸固連，俯仰軸與內(nèi)滾軸正交、共面（在俯仰環(huán)平面內(nèi)），靠裝配工藝保證；外滾環(huán)與外滾軸固連，外滾軸與載體的縱軸x b保持一致，外滾軸與俯仰軸正交、共面（在外滾環(huán)平面內(nèi)），同樣靠裝配工藝保證。 由圖2.1.4還可知，俯仰軸位于俯仰環(huán)平面與外滾環(huán)平面的交線(xiàn)上，在俯仰環(huán)平面內(nèi)與內(nèi)滾軸正交、共面；且在外滾環(huán)平面內(nèi)與外滾軸正交、共面，但俯仰軸與方位軸的空間關(guān)系是不確定的。 （2）加速度計(jì)組合與陀螺組合平臺(tái)的臺(tái)體與平臺(tái)坐標(biāo)系oxpypzp是固連的，或者說(shuō)臺(tái)體就是平臺(tái)坐標(biāo)系的物理實(shí)現(xiàn)，而平臺(tái)坐標(biāo)系又是臺(tái)體的數(shù)學(xué)抽象。yp軸垂直于臺(tái)面，就是方位

29、軸。xp軸和zp軸同處于臺(tái)體平面內(nèi)，而且正交，三根坐標(biāo)軸共同構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。在平臺(tái)的臺(tái)體上，固定安裝了加速度計(jì)組合和陀螺組合。加速度計(jì)組合由三個(gè)正交的加速度計(jì)構(gòu)成，測(cè)量軸與平臺(tái)坐標(biāo)系保持一致。陀螺組合可以由三個(gè)正交的單自由度陀螺構(gòu)成，也可以由兩個(gè)雙自由度陀螺構(gòu)成。每個(gè)雙自由度陀螺具有兩根測(cè)量軸，多余的一根軸需要通過(guò)專(zhuān)門(mén)的電路鎖在零位。陀螺組合的三根測(cè)量軸必須正交安裝、并與平臺(tái)坐標(biāo)系保持一致，而且與加速度計(jì)組合的測(cè)量軸保持平行。 雙自由度陀螺的多余軸存在漂移，如果放任不管，時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子碰檔、進(jìn)動(dòng)，進(jìn)而造成平臺(tái)翻倒（倒臺(tái)）。因此，通常采用“力矩反饋回路”將其鎖在零位，與平臺(tái)坐標(biāo)系保持一致

30、，而且與加速度計(jì)組合的測(cè)量軸保持平行，如圖2.1.5所示。 圖2.1.5力矩反饋回路示意圖由圖2.1.5可知，信號(hào)器和力矩器不在同一根軸上，當(dāng)多余軸產(chǎn)生漂移后，多余軸的信號(hào)器（裝在有用軸上）輸出與漂移成比例的電壓信號(hào)，再經(jīng)鎖定放大器解調(diào)、校正、放大后，輸出與之成比例的加矩電流，并注入到力矩器（裝在多余軸上）中，使轉(zhuǎn)子繞有用軸進(jìn)動(dòng)，直到多余軸的信號(hào)器歸零時(shí)為止。雙自由度陀螺（自由陀螺）的命名，通常以轉(zhuǎn)子軸（動(dòng)量矩軸）為準(zhǔn)。 轉(zhuǎn)子軸沿平臺(tái)方位軸安裝的陀螺，稱(chēng)為“垂直陀螺”，它的兩根測(cè)量軸與平臺(tái)坐標(biāo)系的兩根水平軸保持一致，用來(lái)感測(cè)臺(tái)體相對(duì)水平面的偏角。轉(zhuǎn)子軸位于臺(tái)體平面內(nèi)的陀螺，稱(chēng)為“水平陀螺”（相

31、對(duì)垂直陀螺而言），它的一根測(cè)量軸與平臺(tái)的方位軸保持一致，用來(lái)感測(cè)臺(tái)體繞方位軸的偏角。另一根測(cè)量軸位于臺(tái)體平面內(nèi)，并且與轉(zhuǎn)子軸垂直。由于水平陀螺的主要用途是用來(lái)感測(cè)臺(tái)體繞方位軸的偏角，所以又稱(chēng)為“方位陀螺”。 單自由度陀螺（速率陀螺）的命名，通常以測(cè)量軸為準(zhǔn)。測(cè)量軸與方位軸一致的陀螺，稱(chēng)為“方位陀螺”；測(cè)量軸位于臺(tái)體平面內(nèi)的陀螺，稱(chēng)為“水平陀螺”。要特別注意兩種定義方法的區(qū)別，“方位陀螺”的含義基本上是一致的，但“水平陀螺”的含義相去甚遠(yuǎn)，單自由度水平陀螺的功能，相當(dāng)于雙自由度“垂直陀螺”的功能。 （3）姿態(tài)角傳感器與力矩電機(jī)在方位軸、內(nèi)滾軸、俯仰軸和外滾軸的兩端，分別裝有一個(gè)角度傳感器（線(xiàn)性旋

32、轉(zhuǎn)變壓器）和一個(gè)力矩電機(jī)。方位軸上的角度傳感器輸出載體的航向角 ；俯仰軸上的角度傳感器輸出載體的俯仰角 ；外滾軸上的角度傳感器輸出載體的橫滾角；這三個(gè)角度傳感器統(tǒng)稱(chēng)為“姿態(tài)角傳感器”。內(nèi)滾軸上的角度傳感器，只用于外滾環(huán)的控制，不對(duì)外輸出信號(hào)。 力矩電機(jī)用來(lái)驅(qū)動(dòng)各自對(duì)應(yīng)的環(huán)架，但又不同于傳統(tǒng)的伺服電機(jī)。傳統(tǒng)伺服電機(jī)的特點(diǎn)是，高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩、啟動(dòng)慢（加速到額定轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間較長(zhǎng)）；力矩電機(jī)則剛好相反，低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩、啟動(dòng)快（瞬間啟動(dòng)）。因此，力矩電機(jī)不需要既大、且重的減速器，能夠直接驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的環(huán)架組合件。由于沒(méi)有減速器，平臺(tái)的轉(zhuǎn)位精度才可以做得很高。 （二）初始對(duì)準(zhǔn)的基本概念平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)之所以需

33、要一個(gè)平臺(tái)，是為了給加速度計(jì)提供一個(gè)良好的工作環(huán)境和測(cè)量基準(zhǔn)。然而，平臺(tái)沒(méi)有鎖定機(jī)構(gòu)，在剛通電工作時(shí)，各環(huán)架和臺(tái)體并沒(méi)有處于指定位置，無(wú)法提供基準(zhǔn)。因此，在慣導(dǎo)系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)之前，必須采取技術(shù)手段將平臺(tái)調(diào)整到指定的狀態(tài)，使平臺(tái)坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系對(duì)齊，這就是平臺(tái)的初始對(duì)準(zhǔn)。 （1）導(dǎo)航前的準(zhǔn)備慣導(dǎo)系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)之前，除了要完成初始對(duì)準(zhǔn)之外，還必須通過(guò)接口電路將載體的初始速度和初始位置、任務(wù)區(qū)域的重力場(chǎng)參數(shù)、以及時(shí)間基準(zhǔn)等，發(fā)送給慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，這一過(guò)程稱(chēng)為“參數(shù)裝訂”。 導(dǎo)航計(jì)算機(jī)在對(duì)加速度進(jìn)行積分計(jì)算之前，必須知道載體的初始速度和初始位置，統(tǒng)稱(chēng)為“積分初條件”。在導(dǎo)航開(kāi)始時(shí)刻，如果載體是靜

34、止的，稱(chēng)為“靜基座”，初始速度為零、初始位置就是當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度。在導(dǎo)航開(kāi)始時(shí)刻，如果載體是運(yùn)動(dòng)的，稱(chēng)為“動(dòng)基座”，載體的速度和位置是連續(xù)變化的，必須由外部的基準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)提供。然而，外部提供的初條件是有誤差的，而且是慣導(dǎo)系統(tǒng)的主要誤差源之一，因此提供初條件的基準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)必須具有更高的導(dǎo)航精度。 由加速度計(jì)的測(cè)量原理可知，在垂直加速度計(jì)的測(cè)量信號(hào)中包含有由慣性力（ ）造成的“+g”，在進(jìn)行積分計(jì)算之前，必須加上一個(gè)“-g”對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，而后才可以進(jìn)行積分計(jì)算。然而，由于各地的地質(zhì)構(gòu)造和地球表面形態(tài)的不同，重力加速度 通常不是常量，需要由外部提供。此外，重力加速度還與地理緯度和高度有關(guān)，隨著緯度的增加

35、而增加、隨著高度的增加而減小。重力加速度的這種因地而異的現(xiàn)象，稱(chēng)為“重力異?！?。低精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)，可以不考慮這種差異，將重力加速度視為常量，通常取9.8m/s 2。但高精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)必須考慮這種差異，并將任務(wù)區(qū)內(nèi)的重力場(chǎng)參數(shù)發(fā)送給慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。 另外，在執(zhí)行任務(wù)期間，除慣導(dǎo)系統(tǒng)外，還有其他設(shè)備的參與。但不同的設(shè)備，具有各自的時(shí)鐘。為了實(shí)現(xiàn)精確定位，在執(zhí)行任務(wù)前必須對(duì)這些時(shí)鐘的計(jì)時(shí)起點(diǎn)進(jìn)行協(xié)調(diào)，類(lèi)似于日常生活中的“鐘表對(duì)時(shí)”，也稱(chēng)為“時(shí)統(tǒng)”。 （2）初始對(duì)準(zhǔn)的指標(biāo)與分類(lèi)平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)，就是采取技術(shù)手段將平臺(tái)坐標(biāo)系（P系）調(diào)整到與導(dǎo)航坐標(biāo)系（t 系）重合的狀態(tài)，初始對(duì)準(zhǔn)的過(guò)程就是

36、導(dǎo)航坐標(biāo)系的建立過(guò)程。但元器件和平臺(tái)的制造誤差是客觀存在的，二者不可能完全重合，只能做到接近重合。對(duì)準(zhǔn)完成后，水平誤差一般在10 角秒左右，方位誤差通常在25 角分的范圍內(nèi)。初始對(duì)準(zhǔn)的主要技術(shù)指標(biāo)有兩項(xiàng)：對(duì)準(zhǔn)速度和對(duì)準(zhǔn)精度。 為了既快又準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)，通常將對(duì)準(zhǔn)過(guò)程劃分為“粗對(duì)準(zhǔn)”和“精對(duì)準(zhǔn)”兩個(gè)步驟。粗對(duì)準(zhǔn)在前，首先解決“快速性”的問(wèn)題，操控平臺(tái)盡快地向?qū)Ш较悼繑n，越快越好，特別是軍用慣導(dǎo)系統(tǒng)，對(duì)準(zhǔn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)貽誤戰(zhàn)機(jī)。粗對(duì)準(zhǔn)的精度雖然沒(méi)有嚴(yán)格的要求，但也要具有一定的精度，能為精對(duì)準(zhǔn)提供一個(gè)良好的初條件。否則，精對(duì)準(zhǔn)的時(shí)間可能會(huì)很長(zhǎng)。精對(duì)準(zhǔn)在粗對(duì)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，主要解決對(duì)準(zhǔn)精度的問(wèn)題，對(duì)準(zhǔn)時(shí)間的

37、長(zhǎng)短，取決于任務(wù)的重要程度，可以是幾分鐘、數(shù)小時(shí)、甚至更長(zhǎng)，但對(duì)準(zhǔn)精度必須滿(mǎn)足規(guī)定的要求。因此，必須合理把握精度與快速性之間的矛盾。 初始對(duì)準(zhǔn)的方式很多，按照是否需要從外部引入基準(zhǔn)信息，可劃分為自主式對(duì)準(zhǔn)和非自主式對(duì)準(zhǔn)。只依賴(lài)地球的重力矢量（加速度計(jì)的測(cè)量信號(hào)）和地球自轉(zhuǎn)角速率矢量（陀螺的測(cè)量信號(hào)）實(shí)現(xiàn)的對(duì)準(zhǔn)，稱(chēng)為自主式對(duì)準(zhǔn)、或自對(duì)準(zhǔn)。需要外部設(shè)備提供基準(zhǔn)信息的對(duì)準(zhǔn)，稱(chēng)為非自主式對(duì)準(zhǔn)、或外對(duì)準(zhǔn)。外對(duì)準(zhǔn)，主要指方位對(duì)準(zhǔn)（確定初始航向），須借助光學(xué)、或者機(jī)電等手段，將外部提供的北向基準(zhǔn)信息引入慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，再由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)。外對(duì)準(zhǔn)的精度雖然很高，但設(shè)備相當(dāng)復(fù)雜、對(duì)準(zhǔn)時(shí)間也較長(zhǎng)

38、，只適用于遠(yuǎn)程戰(zhàn)略導(dǎo)彈的慣導(dǎo)系統(tǒng)。 根據(jù)中國(guó)民用航空局飛行標(biāo)準(zhǔn)司規(guī)定，無(wú)人機(jī)駕駛航空器（UA：Unmanned Aircraft），簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)人機(jī)，是一架由遙控站管理（包括遠(yuǎn)程操作或自主飛行）的航空器，也稱(chēng)遙控駕駛航空器。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)（UVS：Unmanned Aircraft System），也稱(chēng)無(wú)人機(jī)駕駛航空器系統(tǒng)，是指一架無(wú)人機(jī)、相關(guān)的遙控站、所需的指揮與管制鏈路以及批準(zhǔn)的型號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)定的任何其他部件組成的系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)包括地面系統(tǒng)、飛機(jī)系統(tǒng)、任務(wù)載荷和無(wú)人機(jī)使用保障人員，如圖1.1.1所示。 另外，按照載體是否運(yùn)動(dòng)，又可劃分為靜基座對(duì)準(zhǔn)和動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)。靜基座對(duì)準(zhǔn)，在載體相對(duì)地球靜止的情況下進(jìn)行

39、。由于載體是靜止的，所以在加速度計(jì)的輸出中只含有重力加速度的分量，并將其作為誤差信號(hào)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)過(guò)程就是重力加速度分量逐漸趨于零的過(guò)程，對(duì)準(zhǔn)精度取決于加速度計(jì)的零位。動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)，在運(yùn)動(dòng)的載體上進(jìn)行。此時(shí)，在加速度計(jì)輸出中，不但含有重力加速度的分量，還有載體的運(yùn)動(dòng)加速度和振動(dòng)噪聲。其中，只有重力加速度分量是有用信號(hào)，其余的統(tǒng)稱(chēng)為“有害加速度”。 如果能夠從加速度計(jì)的輸出中將有害成份清除掉，只留下有用部分，那么就可像靜基座一樣進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)，這就是動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)的基本思路。通常的作法是，在載體上再安裝一個(gè)已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)、并連續(xù)跟蹤導(dǎo)航系的基準(zhǔn)慣導(dǎo)系統(tǒng)，也稱(chēng)“母慣導(dǎo)”。理論上，母慣導(dǎo)的水平加速度計(jì)不感測(cè)重力加

40、速度的分量，只感測(cè)載體的運(yùn)動(dòng)加速度和振動(dòng)噪聲。如果連續(xù)地將母慣導(dǎo)的測(cè)量信息傳遞給正在進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)的子慣導(dǎo)，即可將重力加速度分量分離出來(lái)（做減法）并用于子慣導(dǎo)的對(duì)準(zhǔn)。因此，又稱(chēng)動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)為“傳遞對(duì)準(zhǔn)”、或“匹配對(duì)準(zhǔn)”。由于基準(zhǔn)信息的形式不同，傳遞對(duì)準(zhǔn)的方式也有很多，常見(jiàn)的是“速度傳遞對(duì)準(zhǔn)”。 （三）平臺(tái)的表觀運(yùn)動(dòng)（1）地球自轉(zhuǎn)引起的表觀運(yùn)動(dòng)初始對(duì)準(zhǔn)初步建立了導(dǎo)航坐標(biāo)系，此后，如果不再對(duì)平臺(tái)繼續(xù)施加控制，由于地球自轉(zhuǎn)的存在，即使載體靜止不動(dòng)，平臺(tái)的指向也會(huì)自動(dòng)地偏離地理坐標(biāo)系，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“地球自轉(zhuǎn)引起的表觀運(yùn)動(dòng)”，如圖2.1.6所示。 圖2.1.6表觀運(yùn)動(dòng)示意圖（北極俯視圖）如圖2.1.6所示，在子

41、夜零時(shí)，將平臺(tái)p與地理系對(duì)齊，xp軸指東、yp軸指北，隨著地球的自轉(zhuǎn)，二者將逐漸偏離。6個(gè)小時(shí)后，xp軸指南、yp軸指東；12個(gè)小時(shí)后，xp軸指西、yp軸指南；18個(gè)小時(shí)后，xp軸指北、yp軸指西；24個(gè)小時(shí)后，平臺(tái)回復(fù)原位，xp軸指東、yp軸指北?；蛘哒f(shuō)，站在慣性空間的觀察者認(rèn)為，平臺(tái)不動(dòng)，地理系隨地球一起旋轉(zhuǎn)；而站在地球上的觀察者則認(rèn)為，地理系不動(dòng)，平臺(tái)在旋轉(zhuǎn)，但旋轉(zhuǎn)的方向與地球相反。 要保持平臺(tái)系與導(dǎo)航系始終對(duì)齊，就必須對(duì)表觀運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。為此，必須將地球的自轉(zhuǎn)角速率矢量 向地理系上投影。為了便于討論，暫不考慮載體的運(yùn)動(dòng)（相對(duì)地球靜止）。另外，地理系的定義不同，投影結(jié)果也不同，下面仍以“

42、東北天”地理系為例加以說(shuō)明。 假設(shè)，當(dāng)?shù)鼐暥葹?，東軸為xt，北軸為yt，天軸（地垂線(xiàn)）為zt，則地球自轉(zhuǎn)角速率 在地理系上的投影為： （式2.2） （2）地理位置變化引起的表觀運(yùn)動(dòng)在執(zhí)行導(dǎo)航任務(wù)的過(guò)程中，由于載體的運(yùn)動(dòng)，其地理位置在連續(xù)地變化，任意兩個(gè)地點(diǎn)的地垂線(xiàn)、或者地平面是不重合的。如果不對(duì)平臺(tái)連續(xù)施加控制，即使假想能夠使地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)，但隨著載體的運(yùn)動(dòng)，平臺(tái)的指向也會(huì)自動(dòng)地偏離導(dǎo)航系，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“地理位置變化引起的表觀運(yùn)動(dòng)”，如圖2.1.7所示。 圖2.1.7表觀運(yùn)動(dòng)示意圖為了便于說(shuō)明，圖中將地理系換成了“大圓坐標(biāo)系”。在初始位置A，平臺(tái)系xpypzp與大圓坐標(biāo)系xdydzd對(duì)齊。當(dāng)載體

43、沿著地球大圓運(yùn)動(dòng)到B位置后，由于平臺(tái)被穩(wěn)定在慣性空間不動(dòng)，仍然保持原來(lái)的指向不變，但兩地的地垂線(xiàn)不重合，大圓坐標(biāo)系的指向發(fā)生了變化，于是二者產(chǎn)生了偏離。偏離的角度，就是地垂線(xiàn)的轉(zhuǎn)過(guò)的角度。 （四）載體的運(yùn)動(dòng)加速度（1）載體空間運(yùn)動(dòng)的描述相對(duì)地球表面飛行的飛機(jī)和導(dǎo)彈，可將其視為在三維空間運(yùn)動(dòng)的剛體，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分解為跟隨質(zhì)心的平行移動(dòng)和繞質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩個(gè)部分。所謂“平行移動(dòng)”是指，剛體上任意兩點(diǎn)之間的連線(xiàn)，在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中始終保持其長(zhǎng)度和方向不變，有時(shí)也稱(chēng)為“平動(dòng)”。由此定義可知，剛體上所有點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是完全相同的，所以才可以用質(zhì)心（具有確定質(zhì)量的空間點(diǎn)）的空間運(yùn)動(dòng)代表剛體的平動(dòng)。 質(zhì)心的空間位

44、置可以用直角坐標(biāo)（x、y、z）來(lái)表示，在不同的坐標(biāo)系中具有不同的數(shù)值；剛體相對(duì)質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)（繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)）可以用廣義歐拉角（ 、 、）來(lái)表示，如圖2.1.8所示。 圖2.1.8載體空間運(yùn)動(dòng)示意圖 廣義歐拉角是相對(duì)“古典歐拉角”而言的，二者的區(qū)別僅在于第三次旋轉(zhuǎn)。如果第三次旋轉(zhuǎn)所繞的轉(zhuǎn)軸是前兩次未曾用過(guò)的軸，那么三次旋轉(zhuǎn)得到的三個(gè)轉(zhuǎn)角就是“廣義歐拉角”，多應(yīng)用于陀螺力學(xué)中。如果第三次旋轉(zhuǎn)所繞的轉(zhuǎn)軸是第一次旋轉(zhuǎn)已經(jīng)用過(guò)的軸，那么三次旋轉(zhuǎn)得到的三個(gè)轉(zhuǎn)角就是“古典歐拉角”，多應(yīng)用于古典力學(xué)中。因此，旋轉(zhuǎn)前必須明確規(guī)定轉(zhuǎn)動(dòng)的順序，而且不可以隨意變更。 （2）載體空間運(yùn)動(dòng)的加速度我們知道，載體的平動(dòng)可以用質(zhì)心

45、的運(yùn)動(dòng)來(lái)替代，如果從“地心慣性系”的原點(diǎn)（地心e）到載體的質(zhì)心p 引位置矢量 ，那么該矢量的末端就是載體所在的空間位置，如圖2.1.9所示。 圖2.1.9載體空間位置示意圖 為了求取載體相對(duì)慣性坐標(biāo)系的速度和加速度，必須采用矢量微分的哥氏（Coriolis）定理：矢量在靜參考系上的“絕對(duì)微分”，等于該矢量在動(dòng)參考系上的“相對(duì)微分”，再加上動(dòng)參考系的旋轉(zhuǎn)角速率矢量與該矢量的“叉乘積”（兩個(gè)矢量的乘積）。根據(jù)哥氏定理，可將載體相對(duì)慣性系的運(yùn)動(dòng)速度表示如下： （式2.3） 式中的 ，稱(chēng)為“絕對(duì)速度”，是觀察者站在慣性系（靜參考系）中看到的運(yùn)動(dòng)，不但能看到地球的自轉(zhuǎn)，而且能看到載體相對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)；下標(biāo)

46、i表示慣性系。 （二）捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航1.概述“捷聯(lián)”（strapdown）這一術(shù)語(yǔ)的英文原意就是“捆綁”的意思，因此所謂捷聯(lián)系統(tǒng)就是將慣性測(cè)量的敏感器（陀螺儀與加速度計(jì)）直接捆綁在運(yùn)載體上，從而可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)對(duì)象的自主導(dǎo)航。 陀螺儀作為角速率傳感器而不是作為角位移傳感器；加速度計(jì)的輸入軸不是保持在已知確定方向上，加速度計(jì)測(cè)量值是運(yùn)載體瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)方向的加速度值。通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)的姿態(tài)矩陣實(shí)時(shí)解析計(jì)算而得到一個(gè)“數(shù)學(xué)解析平臺(tái)”，它同樣可以起到機(jī)電結(jié)合的穩(wěn)定平臺(tái)所提供的在慣性空間始終保持所要求姿態(tài)的作用。 現(xiàn)代捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)大多數(shù)都使用了高速、大容量的數(shù)字計(jì)算機(jī)和一些新技術(shù)，所以許多方面它己有逐漸取代平臺(tái)

47、式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的趨勢(shì)。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，美國(guó)軍用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)1984年全部為平臺(tái)式，到了1989年已有一半改為捷聯(lián)式；戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)1954年有83%為平臺(tái)式，而到1989年下降到34%；戰(zhàn)略性導(dǎo)航的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)1984年有16%為捷聯(lián)式，到1989年己經(jīng)上升到44%，而民用航空方面1984年有70%為捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，到1989年己上升到90%；而在航海方面，西德利欽夫公司早在1985年就己推出捷聯(lián)式平臺(tái)羅經(jīng)。 2.工作原理前面我們已經(jīng)知道捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中有兩種敏感器件：陀螺儀和加速度計(jì)。陀螺儀組件測(cè)取沿運(yùn)載體坐標(biāo)系3個(gè)軸的角速度信號(hào)，并被送入導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，經(jīng)誤差補(bǔ)償計(jì)算后進(jìn)行姿態(tài)矩陣

48、計(jì)算。加速度計(jì)組件測(cè)取沿運(yùn)載體坐標(biāo)系3個(gè)軸的加速度信號(hào)，并被送入導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，經(jīng)誤差補(bǔ)償計(jì)算后，進(jìn)行由運(yùn)載體坐標(biāo)系至“平臺(tái)坐標(biāo)系”的坐標(biāo)變換計(jì)算。他們沿機(jī)體坐標(biāo)系三軸安裝，并且與機(jī)體固連，它們所測(cè)得的都是機(jī)體坐標(biāo)系下的物理量。 加速度計(jì)測(cè)量的是機(jī)體坐標(biāo)系(b系)相對(duì)于慣性空間的加速度在機(jī)體坐標(biāo)系中的投影，該測(cè)試量也稱(chēng)為比力。而對(duì)于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)要在導(dǎo)航坐標(biāo)系中完成，因此，首先要將機(jī)體系中的測(cè)試量轉(zhuǎn)換導(dǎo)航坐標(biāo)系中的物理量，即實(shí)現(xiàn)由機(jī)體坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。這一轉(zhuǎn)換由姿態(tài)矩陣完成，也就是利用陀螺儀的輸出，即載體相對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)的角速率在機(jī)體坐標(biāo)系下的投影計(jì)算得到，姿態(tài)矩陣是隨時(shí)間的

49、變化而不斷變化的。另外，從姿態(tài)矩陣中可以單值的確定飛行器的姿態(tài)角。 捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中需要實(shí)時(shí)地求取姿態(tài)矩陣，以便提取飛行器姿態(tài)角（首向角、縱搖角、橫搖角）以及變換比力。所以說(shuō)，在捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，是由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)來(lái)完成具有常平架的穩(wěn)定平臺(tái)功能，既用“數(shù)學(xué)解析平臺(tái)”取代穩(wěn)定平臺(tái)的功能。它的原理簡(jiǎn)圖如圖2.1.10所示，圖中虛線(xiàn)框部分起了平臺(tái)的作用。 圖 2.1.10捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖3.分類(lèi)捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)所用陀螺儀的不同分為兩類(lèi)：一類(lèi)采用速率陀螺儀，如單自由度撓性陀螺儀、激光陀螺儀等，它們測(cè)得的是飛行器的角速度，這種系統(tǒng)稱(chēng)為速率型捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；另一類(lèi)采用雙自由度陀螺儀，如

50、靜電陀螺儀，它測(cè)得的是飛行器的角位移，這種系統(tǒng)稱(chēng)為位置型捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。通常所說(shuō)的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是指速率型捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。 4.精度慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)的精度要求極高，如加速度計(jì)分辨率通常為0.0001g0.00001g，陀螺隨機(jī)漂移率為0.01/小時(shí)甚至更低，并且要求其有大的測(cè)量范圍，如軍用飛機(jī)所要求的測(cè)速范圍應(yīng)達(dá)10的9次方（0.01/小時(shí)400/秒）。因此，陀螺儀和加速度計(jì)屬于精密儀表范疇。 目前，捷聯(lián)系統(tǒng)的精度還未達(dá)到平臺(tái)系統(tǒng)所取得的精度水平，還不能完全滿(mǎn)足各種軍用和民用的要求，其原因是：（a）新型捷聯(lián)用的慣性?xún)x表，如動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀、激光陀螺儀、光纖陀螺等漂

51、移達(dá)到0.01/h，石英加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)誤差達(dá)到110-4之后，進(jìn)一步提高儀表精度將會(huì)遇到加工工藝、材料、光電元器件等方面技術(shù)極限的限制，進(jìn)一步提高儀表硬件精度將會(huì)更加困難，大幅度地追加投資不一定能夠收到成比例的技術(shù)效益，同時(shí)也會(huì)給低成本優(yōu)勢(shì)的捷聯(lián)系統(tǒng)蒙上陰影。 （b）捷聯(lián)系統(tǒng)中的慣性?xún)x表是直接與載體聯(lián)接，飛行器的惡劣動(dòng)力學(xué)環(huán)境如過(guò)載沖擊、振動(dòng)以及機(jī)動(dòng)飛行等都會(huì)給慣性?xún)x表和捷聯(lián)系統(tǒng)帶來(lái)動(dòng)態(tài)誤差，這類(lèi)誤差比較難以補(bǔ)償。為了充分發(fā)揮捷聯(lián)慣性系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，需要利用其它系統(tǒng)的高精度測(cè)量信息來(lái)補(bǔ)償和抑制慣性系統(tǒng)隨工作時(shí)間延長(zhǎng)而增長(zhǎng)的誤差，達(dá)到提高導(dǎo)航（制導(dǎo)）精度的目的，建立以慣性系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以其它各

52、種測(cè)量信息為輔助的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。 慣性技術(shù)的發(fā)展表明，從傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)子型陀螺向固態(tài)陀螺儀（激光、光纖和半球諧振陀螺儀）轉(zhuǎn)移并進(jìn)一步向以半導(dǎo)體硅為基本材料的微機(jī)械振動(dòng)陀螺發(fā)展；從框架式平臺(tái)系統(tǒng)向捷聯(lián)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移；從純慣性捷聯(lián)系統(tǒng)向以慣性系統(tǒng)為基礎(chǔ)的多體制導(dǎo)航組合系統(tǒng)發(fā)展，成為今后慣性技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。 5.捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)從慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的原理可知，載體的位置是由系統(tǒng)中的加速度計(jì)測(cè)得的加速度經(jīng)兩次積分而求得。要進(jìn)行積分必須知道初始條件，例如初始速度和初始位置。而對(duì)捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中初始對(duì)準(zhǔn)的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是要在較短的時(shí)間內(nèi)以一定的精度確定出從載體坐標(biāo)系到地理坐標(biāo)系的初始變換矩陣 。這是因

53、為在捷聯(lián)系統(tǒng)中慣性敏感器直接測(cè)量得到的是載體相對(duì)慣性坐標(biāo)系的各軸向的加速度大小，而捷聯(lián)系統(tǒng)數(shù)學(xué)解析平臺(tái)軟件程序中所需的應(yīng)是載體坐標(biāo)系相對(duì)于地理坐標(biāo)系的加速度信息。 近地載體導(dǎo)航用的慣性系統(tǒng)大多選用與地球固聯(lián)的參考坐標(biāo)，所以借助于慣性敏感器測(cè)量的兩個(gè)在空間不共線(xiàn)的矢量，即地球自轉(zhuǎn)速率ie和地球重力矢量g來(lái)實(shí)現(xiàn)自主式對(duì)準(zhǔn)是很方便的，它包括水平對(duì)準(zhǔn)和方位對(duì)準(zhǔn)。 （1）捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)的主要特點(diǎn)大的初始失準(zhǔn)角捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)直接安裝在基座上，其失準(zhǔn)由基座的姿態(tài)和航向決定，一般不能將失準(zhǔn)視為小量，這就帶來(lái)數(shù)學(xué)處理上的麻煩。事實(shí)上捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)的目的是測(cè)定慣性測(cè)量系相對(duì)導(dǎo)航坐標(biāo)系的方向余弦矩陣。 對(duì)

54、瞬時(shí)方向余弦陣的測(cè)定捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)與平臺(tái)式慣性系統(tǒng)的另一個(gè)主要差別就是前者在初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)，必須求出瞬時(shí)方向余弦陣，而不是平均方向余弦陣。這是因?yàn)閷?duì)捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)來(lái)講，基座的角運(yùn)動(dòng)不能被隔離，因此必須考慮上述基座運(yùn)動(dòng)對(duì)誤差角速度測(cè)定精度的影響。 有利于在對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中標(biāo)定慣性?xún)x表的參數(shù)捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)與平臺(tái)式慣性系統(tǒng)相比，能夠輸出更多的可用信息，這樣，捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)就能在對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中標(biāo)定更多的慣性?xún)x表誤差系數(shù)。以雙位置對(duì)準(zhǔn)為例，捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)能標(biāo)定三個(gè)陀螺常值漂移和三個(gè)加速度計(jì)零偏，而對(duì)平臺(tái)式系統(tǒng)則只能標(biāo)定兩個(gè)陀螺漂移和一個(gè)法向加速度計(jì)零偏。 有更多的可用信息對(duì)于平臺(tái)系統(tǒng)，只有加速度計(jì)輸出可直接用于初始對(duì)

55、準(zhǔn)，陀螺輸出要提供平臺(tái)穩(wěn)定回路，而沿平臺(tái)軸的輸出信息只能從同位器獲得，但同位器的分辨率太低，不能滿(mǎn)足初始對(duì)準(zhǔn)的精度要求。與此相反，捷聯(lián)陀螺的信息具有極高的角分辨率，可直接用于初始對(duì)準(zhǔn)。這是捷聯(lián)系統(tǒng)優(yōu)于平臺(tái)系統(tǒng)的地方，對(duì)方位陀螺的標(biāo)定尤為有利。 （2）初始對(duì)準(zhǔn)的一般要求 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的初始化包括:給定初始速度和初始位置，慣導(dǎo)平臺(tái)的初始對(duì)準(zhǔn)，陀螺儀的測(cè)漂和定標(biāo)。第一項(xiàng)任務(wù)比較簡(jiǎn)單。第三項(xiàng)任務(wù)在陀螺性能比較穩(wěn)定的情況下，不一定每次啟動(dòng)都要進(jìn)行。而平臺(tái)的初始對(duì)準(zhǔn)，則每次啟動(dòng)進(jìn)入導(dǎo)航工作狀態(tài)之前都要進(jìn)行，而且要求對(duì)準(zhǔn)精度高，對(duì)準(zhǔn)時(shí)間短。對(duì)準(zhǔn)精度的高低，直接影響導(dǎo)航性能。對(duì)于平臺(tái)系統(tǒng)，初始對(duì)準(zhǔn)就是使平臺(tái)坐

56、標(biāo)系向?qū)Ш阶鴺?biāo)系對(duì)準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)過(guò)程是一個(gè)物理過(guò)程。而對(duì)于捷聯(lián)系統(tǒng)，初始對(duì)準(zhǔn)就是確定初始時(shí)刻的姿態(tài)陣 。 對(duì)準(zhǔn)的方法有兩類(lèi):一類(lèi)是將外部參考基準(zhǔn)通過(guò)光學(xué)或機(jī)電的辦法引入平臺(tái):另一類(lèi)是利用慣導(dǎo)系統(tǒng)本身的加速度計(jì)和陀螺儀測(cè)量重力加速度g以及地球自轉(zhuǎn)角速度 進(jìn)行自主式對(duì)準(zhǔn)。由于平臺(tái)系統(tǒng)和捷聯(lián)系統(tǒng)基本原理相同，因此，它們的自對(duì)準(zhǔn)原理也是相同的。不同的僅是實(shí)現(xiàn)方法上有差異。 初始對(duì)準(zhǔn)的要求包括精度和快速兩個(gè)方面。為了滿(mǎn)足精度要求，希望慣性敏感器具有盡可能高的精度和穩(wěn)定性，并希望系統(tǒng)能對(duì)外界干擾不敏感，即整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性要好。為提高捷聯(lián)系統(tǒng)的精度，還希望初始對(duì)準(zhǔn)能對(duì)陀螺漂移、加速度計(jì)零位誤差以及它們的標(biāo)度系數(shù)進(jìn)

57、行測(cè)定和補(bǔ)償。要使系統(tǒng)具有較好的抗干擾能力，還應(yīng)采用頻譜技術(shù)、濾波技術(shù)，將有用信息和干擾信息從時(shí)域和頻率域上加以分離。顯然上述措施的實(shí)現(xiàn)，都需要容量大、速度快的計(jì)算機(jī)給以保證。很明顯，精度和快速性這兩方面的要求是矛盾的，因此需要合理地進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，盡可能兼顧這兩方面的要求，以期求得滿(mǎn)意的效果。一般性的設(shè)計(jì)原則是在保證初始對(duì)準(zhǔn)精度的前提下設(shè)法縮短對(duì)準(zhǔn)時(shí)間。 （3）初始對(duì)準(zhǔn)方法按照不同的分類(lèi)方法，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)大致有以下幾種分類(lèi):按是否利用外觀測(cè)信息來(lái)分，有自主對(duì)準(zhǔn)與非自主對(duì)準(zhǔn)。自主對(duì)準(zhǔn)是利用系統(tǒng)本身的慣性元件，結(jié)合系統(tǒng)作用原理，自動(dòng)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)的方法。非自主對(duì)準(zhǔn)則要靠外部參考進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，這一過(guò)程

58、要有地面設(shè)施的支持，平時(shí)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，戰(zhàn)時(shí)缺乏有效的機(jī)動(dòng)和靈活性。 自主對(duì)準(zhǔn)加強(qiáng)了慣導(dǎo)系統(tǒng)的自主性、隱蔽性，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中具有非自主對(duì)準(zhǔn)不可代替的作用。而在慣導(dǎo)系統(tǒng)中，從其功能的完善性和使用的方便性出發(fā)，都要求在定位的同時(shí)具有自主定向，即對(duì)準(zhǔn)的功能。傳統(tǒng)的導(dǎo)航，即定位的概念正在被新的綜合性定位定向概念所取代。未來(lái)的導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)都具有自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的能力。因此，自主對(duì)準(zhǔn)技術(shù)以其重要的價(jià)值和意義，越來(lái)越引起了廣泛的重視和研究.但是，從控制理論觀點(diǎn)分析，自主對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的基本困難是系統(tǒng)不完全可觀測(cè)。 按階段來(lái)分，初始對(duì)準(zhǔn)有粗對(duì)準(zhǔn)和精對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)階段。粗對(duì)準(zhǔn)階段用重力矢量g和地球自轉(zhuǎn)速率ie 的測(cè)量值，直接估算載體坐標(biāo)

59、系到地理坐標(biāo)系的變換矩陣，大約需要一分鐘，這樣對(duì)準(zhǔn)的精度為:方位角在幾度以?xún)?nèi)，兩個(gè)水平角在1度以?xún)?nèi)。粗對(duì)準(zhǔn)階段也可采用傳遞對(duì)準(zhǔn)或光學(xué)對(duì)準(zhǔn)的方法。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)精對(duì)準(zhǔn)是粗對(duì)準(zhǔn)的繼續(xù)，這個(gè)階段的主要任務(wù)是: 通過(guò)處理慣性敏感器的輸出信息，精確校正計(jì)算參考坐標(biāo)系與真實(shí)參考坐標(biāo)系之間的小失準(zhǔn)角，從而建立起準(zhǔn)確的初始變換矩陣 ，為導(dǎo)航計(jì)算提供精確的初始條件，以便正常地進(jìn)行導(dǎo)航工作。 實(shí)際應(yīng)用中，捷聯(lián)系統(tǒng)工作在具有各種噪聲擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)環(huán)境重，直接靜基座算法將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。我們應(yīng)該采用穩(wěn)定系統(tǒng)控制原理，以重力矢量g和地球自轉(zhuǎn)速率ie為控制信號(hào)，使捷聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定在地理坐標(biāo)系上。捷聯(lián)矩陣 可以形象地理解成數(shù)學(xué)解析

60、平臺(tái)，系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)解析平臺(tái)的水平及方位失準(zhǔn)角作為系統(tǒng)的負(fù)反饋以一定的控制算法，使數(shù)學(xué)解析平臺(tái)工作在具有較好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性的工作狀態(tài)。 數(shù)學(xué)解析平臺(tái)的工作過(guò)程與穩(wěn)定平臺(tái)式系統(tǒng)類(lèi)似，當(dāng)數(shù)學(xué)解析平臺(tái)有方位失準(zhǔn)角時(shí)，則地球自轉(zhuǎn)角速率分量iecossin就耦合到解析平臺(tái)的東軸上，從而產(chǎn)生了羅經(jīng)效應(yīng)。其中羅經(jīng)效應(yīng)項(xiàng)iecossin就使數(shù)學(xué)解析平臺(tái)繞東西軸旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生水平傾角。解析系統(tǒng)利用這一控制信息，一方面控制解析平臺(tái)減小水平傾斜角；另一方面又控制解析平臺(tái)減小方位失準(zhǔn)角，從而使數(shù)學(xué)解析平臺(tái)能穩(wěn)定在地理坐標(biāo)系上。其穩(wěn)定過(guò)程是以如下數(shù)學(xué)公式進(jìn)行的。 這里的為計(jì)算地理坐標(biāo)系與真實(shí)地理坐標(biāo)系的誤差角，、分