捷聯(lián)慣性技術(shù)的發(fā)展及與平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)的對(duì)比

1、捷聯(lián)慣性技術(shù)的發(fā)展及與平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)的對(duì)比2009-06-20作者：admin 來源：慣性技術(shù)與慣性導(dǎo)航的概述慣性技術(shù)是慣性導(dǎo)航技術(shù)、慣性制導(dǎo)技術(shù)、慣性儀表技術(shù)、慣性測(cè)量技術(shù)以及慣性測(cè)試設(shè) 備和裝置技術(shù)的統(tǒng)稱。它已有四十多年的發(fā)展歷史了。由于慣性技術(shù)的自主性等特點(diǎn)，它不 需要引人外界信息便可實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)于導(dǎo)航。所以，它在國(guó)防科技中占有非常重要的地位，廣泛 的運(yùn)用于航天、航空、航海等軍事領(lǐng)域；隨著慣性技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展以及成本降 低，許多國(guó)家將其應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大到現(xiàn)代化交通運(yùn)輸、海洋開發(fā)、大地測(cè)量與勘探、石油鉆井、 礦井、隧道的掘進(jìn)與貫通、機(jī)器人控制、現(xiàn)代化醫(yī)療器械、攝影技術(shù)以及森林防護(hù)、農(nóng)業(yè)播

2、種、施肥等民用領(lǐng)域。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System)，簡(jiǎn)稱慣導(dǎo)，是利用慣性敏感元件、基準(zhǔn)方 向及最初的位置信息來確定運(yùn)載體的方位、姿態(tài)和速度的自主式航位推算系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系 統(tǒng)可以分為平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)兩大類平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)是將陀螺儀和加速計(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)；捷聯(lián) 式慣導(dǎo)系統(tǒng)(Strapdown Inertial Navigation System , SI )是將慣性敏感元件(陀螺儀和加 速計(jì))直接安裝在運(yùn)載體上，是一種不再需要穩(wěn)定平臺(tái)或常平架系統(tǒng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航的目的就是為了得到運(yùn)

3、載體的實(shí)時(shí)的方位、姿態(tài)和速度。在工程運(yùn)用中，能夠測(cè)定物 體運(yùn)動(dòng)參數(shù)的方法很多：如測(cè)量位移可以用里程計(jì)，還可以用無線電定位技術(shù)、天文定位技 術(shù)和衛(wèi)星定位技術(shù)等；要測(cè)速度可以用測(cè)速計(jì)；要測(cè)轉(zhuǎn)角可用角位置傳感器(電位計(jì)、光電 碼盤等等)；要測(cè)角速度可以用轉(zhuǎn)速表、測(cè)速電機(jī)等等。但是，以上各種測(cè)量手段還沒有一 種能夠在同一時(shí)刻單獨(dú)實(shí)時(shí)而又高精度地測(cè)量運(yùn)載體的線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)而慣性技術(shù)恰是測(cè) 量這些運(yùn)動(dòng)參數(shù)的最理想的手段。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不僅可以全面地檢測(cè)到幾乎所有的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，而且還有一個(gè)極大的優(yōu)點(diǎn)是 完全自主式的導(dǎo)航測(cè)量方法。它不依賴聲、光、磁、電等外部信息來測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)， 其工作完全不受自然的和人為的

4、干擾影響，具有極其重要的軍事意義。所以慣性技術(shù)是其它 任何導(dǎo)航定位定向手段不能替代的。正因?yàn)閼T性技術(shù)的地位如此重要，它受到世界上技術(shù)先進(jìn)國(guó)家的普遍重視。美、英、法、德 和前蘇聯(lián)都投入相當(dāng)大的力量從事慣性技術(shù)及有關(guān)裝置的研究?，F(xiàn)代科技發(fā)展促進(jìn)了慣導(dǎo)技 術(shù)的發(fā)展，慣性導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代高科技發(fā)展水平的標(biāo)志之一。捷聯(lián)慣性技術(shù)的發(fā)展捷聯(lián)具有悠久的歷史，所謂捷聯(lián)捷聯(lián)慣性系統(tǒng)也就是將慣性敏感元件(陀螺與加速度計(jì)) 直接捆綁在飛行器上從而完成制導(dǎo)。捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)最早可以追溯到18世紀(jì)50年代，德國(guó) 著名科學(xué)家博耐伯格(Joha Gottlob Friedrich von Bohne erger)發(fā)明了帶有穩(wěn)

5、定平臺(tái) 的陀螺儀(gyroscope)模型。100年之后法國(guó)的光學(xué)物理實(shí)驗(yàn)學(xué)家傅科(Leon Foucault) 發(fā)明了現(xiàn)代意義上的陀螺并提出了陀螺羅經(jīng)理論。此后一直到第二次世界大戰(zhàn)，有一大批著 名的科學(xué)家為慣性技術(shù)做出了杰出的貢獻(xiàn)，如著名科學(xué)家安修茨(Dr. Herma Auschutz-Kaempfe)、斯佩里(Elmer Ambrose erry)、德雷珀(Dr. Charles Stark Draper)、舒勒(Prof. Max Schuler)等。真正第一次出色完成導(dǎo)航任務(wù)的是二戰(zhàn)末期德國(guó)著名火箭專家馮布勞恩(Wernher Von Braun)和他的研制小組發(fā)明的著名的V-2火箭

6、。在V-2火箭上裝載的導(dǎo)航系統(tǒng)就是最原 始的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，該火箭從當(dāng)時(shí)納粹德國(guó)飛越過英吉利海峽準(zhǔn)確命中倫敦震驚世界。捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)在美國(guó)和蘇聯(lián)迅速地發(fā)展起來，主要用于軍事武器系統(tǒng)。1950年起，麻省 理工學(xué)院德雷珀實(shí)驗(yàn)室先后完成了平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)的飛行器試飛和艦船試航。同時(shí)，捷聯(lián)系統(tǒng) 也得到成熟的探索。1969年，在阿波羅-13宇宙飛船在飛向月球途中，服務(wù)艙發(fā)生爆 炸使指令艙電源遭破壞。緊急情況下，正是由于德雷珀實(shí)驗(yàn)室低功耗備份捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng) LM/ASA的引導(dǎo)，將飛船引導(dǎo)到返回地球的軌道上，安全降落到太平洋上。由于捷聯(lián)系統(tǒng)本身固有的優(yōu)點(diǎn)以及隨著高速大容量的數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)和高精度陀螺儀技術(shù) 出現(xiàn)，

7、捷聯(lián)導(dǎo)航系統(tǒng)在低成本、短期中精度導(dǎo)航中呈現(xiàn)出逐漸取代平臺(tái)式系統(tǒng)的趨勢(shì)。并且 在這一時(shí)期捷聯(lián)系統(tǒng)由試飛階段進(jìn)入了應(yīng)用階段。激光、光纖等新型固態(tài)陀螺儀的已逐漸成熟。這些新型陀螺儀具有測(cè)量角速度不受限制， 過載能力強(qiáng)，精度與過載無關(guān)，可*性高，啟動(dòng)快等優(yōu)點(diǎn)，這些正是捷聯(lián)系統(tǒng)所追求的。在 歐洲，軍用飛機(jī)中的所有新型以及改進(jìn)型飛機(jī)大部分是用激光陀螺儀慣導(dǎo)裝置;在美國(guó)軍用 慣導(dǎo)系統(tǒng)1984年全部為平臺(tái)式，到1989年已有一半改為捷聯(lián)式，1994年捷聯(lián)式已占有 90%。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)正朝著高精度、高可*性、低成本、小型化、數(shù)字化、應(yīng)用領(lǐng)域更加廣 泛的方向迅速發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，SIN/G、SIN/DVL、捷

8、聯(lián)/天文導(dǎo)航等組合導(dǎo)航系統(tǒng)將成 為未來發(fā)展的一個(gè)方向。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)與平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)的對(duì)比平臺(tái)系統(tǒng)采用常平架平臺(tái)，在平臺(tái)上安裝慣性敏感元件。平臺(tái)可以隔離載體運(yùn)動(dòng)對(duì)敏感元 件的影響并且框架軸上角度傳感器直接輸出姿態(tài)角，然后進(jìn)行導(dǎo)航推算。平臺(tái)系統(tǒng)已經(jīng)達(dá) 到了很高的水平，但是其造價(jià)、維修費(fèi)用十分昂貴，而且其采用了框架伺服系統(tǒng)，相對(duì)可* 性將會(huì)下降。捷聯(lián)系統(tǒng)采用的是數(shù)學(xué)姿態(tài)轉(zhuǎn)換平臺(tái)，將慣性敏感元件直接安裝到載體上，敏 感元件的輸出信息直接輸送到導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中進(jìn)行實(shí)時(shí)的姿態(tài)矩陣解算通過姿態(tài)矩陣把慣性 導(dǎo)航系統(tǒng)中加速計(jì)測(cè)量到的信息轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航用的導(dǎo)航參考坐標(biāo)系中進(jìn)行導(dǎo)航積分運(yùn)算以及 提取姿態(tài)角信息 從平臺(tái)系統(tǒng)和捷聯(lián)系統(tǒng)的工作原理中，作如下對(duì)比:1）捷聯(lián)系統(tǒng)敏感元件便于安裝、維修和更換;2）捷聯(lián)系統(tǒng)敏感元件可以直接給出艦船坐標(biāo)系的所有導(dǎo)航參數(shù)，提供給導(dǎo)航、穩(wěn)定控制系 統(tǒng)和武備控制系統(tǒng)；3）捷聯(lián)系統(tǒng)敏感元件易于重復(fù)布置，從而在慣性敏感元件級(jí)別上實(shí)現(xiàn)冗余技術(shù)，這對(duì)提高 性能和可*性十分有利；4）捷聯(lián)系統(tǒng)去掉了常平架平臺(tái)，消除了穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)定過程的各種誤差同時(shí)減小系統(tǒng)體積。 捷聯(lián)系統(tǒng)把敏感元件直接固定在載體上導(dǎo)致慣性