惯导系统 (总结)

我们研究的问题是惯性导航系统，下面我们就从惯导系统的定义、惯导系统的发展历程、惯导系统的组成、工作原理、分类与功能、优点与缺点以及惯导系统的应用现状几个方面来探讨该问题。

一、惯性导航系统的定义：

惯性导航系统是一种通过高精度的陀螺和加速度计，测量运动载体的角速率和加速度信息，经积分运算得到运动载体的加速度、位置、姿态和航向等导航参数的自主式导航系统。

二、惯导系统的发展历程：

惯导系统发展是以性能价格比为标志的，而性能价格比主要取决于惯性传感器——陀螺仪和加速度计的精度和成本,尤其是陀螺仪，其漂移率对惯导系统位置误差增长的影响是时间的三次方函数，而高精度的陀螺仪制造困难，成本高昂。因此，惯性技术界一直在寻求各种有效方法来提高陀螺仪的精度,同时降低系统成本从上世纪50年代的液浮陀螺仪到60年代的动力调谐陀螺仪(DTG)，从上世纪80年代的环形激光陀螺仪(RLG) 和光纤陀螺仪（FOG）到90年代的振动陀螺仪，以及目前报道较多的微机械电子系统陀螺仪(MEMSG)，每一种新型陀螺仪的出现都使惯导系统的性能价格比提高一大步，有一代陀螺仪就有一代惯导系统与之对应。第一代平台惯性导航系统采用精密稳定平台，陀螺仪采用液浮或静电悬浮陀螺仪，不仅体积重量大，而且系统性能受机械结构的复杂性和极限精度的制约，再加上产品可靠性和维护方面的问题，成本十分昂贵，只有战略武器上才使用这类惯导系统；上世纪60年代动力调谐陀螺仪技术成熟，精度达到惯性级，常规武器上才开始大量装备惯导系统，用动力调谐陀螺仪制造的惯性导航系统被称为第二代惯导系统；上世纪80年代激光陀螺仪技术成熟。它的出现为捷联惯导系统提供了理想器件。用它制造的惯性导航系统被称为第三代惯导系统；近10年来微电子技术已被用来制造微机械装置，如各种微传感器和微执行器，微机电系统（MEMS）异军突起，据AIAA报告可以在一块4的硅片上，用化学刻蚀的方法批量生产出4000多个独立的微型惯性仪表，这些微惯性仪表的出现迅速扩大了微惯性测量装置在军事和民用领域的应用。MEMS 技术制造的惯性传感器成本低廉，它的出现使惯导系统正由贵族产品走向货架产品。

三、系统组成

1、加速度计。用于测量飞机运动的加速度，一般应由三个加速度计完成三个方向的测量。

2、稳定平台。为加速度计提供一个准确的安装基准和测量基准，以保证不管载体姿态发生多大变化，平台相对于惯性参考坐标系的方向始终保持不变，即三个加速度计的空间指向是不变的。例如，某些飞机上的惯导系统要求这个稳定平台在方位上要对正北向，在平面上要和当地水平面平行，使平台的三个轴正好指向东、北、天三个方向。能够实现这一要求的，只有陀螺仪，所以也叫陀螺稳定平台。陀螺也就成为稳定平台和惯性导航系统的核心部件。正因为有了这样一个基准平台，飞机相对该平台在方位上的偏角反映了航向，飞机相对该平台在

水平两个轴向上的偏角反映了俯仰和倾斜（横滚）。所以稳定平台代替了地平仪、罗盘或航向姿态系统的功能。

3、导航计算机。用于进行积分、相加、乘除和三角函数等数学计算。同时，为保证平台始终水平和指北，要随飞机运动和地球自转，不断计算出修正平台位置的指令信号。还要计算并补偿有害加速度等。

4、控制显示器。一个功用是向计算机输入飞机初始运动参数和位置参数；另一个功能是显示飞行过程中的导航参数；还可以进行必要的控制操作，以实现惯性导航的更多功能。

四、惯导系统的工作原理

惯导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。

五、惯导系统分类

1、平台式惯导系统。这种惯导系统存在陀螺稳定平台，加速度计和陀螺都安装在平台上。

2、捷联式惯导系统。这种系统中没有实际的陀螺稳定平台，加速度计和陀螺直接安装在机体上，使用平台式计算机建立的“数学平台”模型来代替。

六、系统的主要功能

惯性导航系统可以自动测量飞机各种导航参数及控制参数，供飞行员使用，与飞机其他控制系统相配合完成对飞机的人工或自动控制。这些参数主要包括：基本导航参数、即时位置、地速、航向角、航迹角、航迹误差、偏流角、风速、风向、待飞时间和距离、飞机姿态角和角速率

七、惯性导航的优缺点

1、惯导系统作为一种有效的导航系统，存在很多其他的导航系统无法比

拟的优点，主要包括如下几个方面：

（1）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，也不受外界电磁干扰的影响。

（2）可全天流全球、全时间地工作于空中、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。

2、惯性导航系统也不是完美的，受各种因素的影响，同样存在不可避免的缺点，这些缺点主要体现在如下几个方面：

（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）惯导设备的价格较昂贵

（4）不能给出时间信息

八、惯导系统的应用现状

惯导系统作为一种先进的导航系统，工作环境包括空中、地面、水下，因此应用十分广泛，涉及到军民很多行业，现已大量应用于战术制导武器、战斗机、运载火箭、宇宙飞船、民航飞机、舰艇、潜艇等。