捷联惯性技术的发展及与平台惯导系统的对比

捷联惯性技术的发展及与平台惯导系统的对比

[2009-06-20] 作者：admin 来源：

1.惯性技术与惯性导航的概述

惯性技术是惯性导航技术、惯性制导技术、惯性仪表技术、惯性测量技术以及惯性测试设备和装置技术的统称。它已有四十多年的发展历史了。由于惯性技术的自主性等特点，它不需要引人外界信息便可实现制导于导航。所以，它在国防科技中占有非常重要的地位，广泛的运用于航天、航空、航海等军事领域；随着惯性技术和计算机技术的不断发展以及成本降低，许多国家将其应用领域扩大到现代化交通运输、海洋开发、大地测量与勘探、石油钻井、矿井、隧道的掘进与贯通、机器人控制、现代化医疗器械、摄影技术以及森林防护、农业播种、施肥等民用领域。

惯性导航系统(Inertial Navigation System)，简称惯导，是利用惯性敏感元件、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位、姿态和速度的自主式航位推算系统。惯性导航系统可以分为平台式惯导系统和捷联式惯导系统两大类：平台式惯导系统是将陀螺仪和加速计安装在一个稳定平台上，以平台坐标系为基准，测量运载体运动参数的惯性导航系统；捷联式惯导系统(Strapdown Inertial Navigation System , SI )是将惯性敏感元件(陀螺仪和加速计)直接安装在运载体上，是一种不再需要稳定平台或常平架系统的惯性导航系统。

导航的目的就是为了得到运载体的实时的方位、姿态和速度。在工程运用中，能够测定物体运动参数的方法很多：如测量位移可以用里程计，还可以用无线电定位技术、天文定位技术和卫星定位技术等；要测速度可以用测速计；要测转角可用角位置传感器(电位计、光电码盘等等)；要测角速度可以用转速表、测速电机等等。但是，以上各种测量手段还没有一种能够在同一时刻单独实时而又高精度地测量运载体的线运动和角运动，而惯性技术恰是测量这些运动参数的最理想的手段。

惯性导航系统不仅可以全面地检测到几乎所有的运动参数，而且还有一个极大的优点――是完全自主式的导航测量方法。它不依赖声、光、磁、电等外部信息来测量物体的运动参数，其工作完全不受自然的和人为的干扰影响，具有极其重要的军事意义。所以惯性技术是其它任何导航定位定向手段不能替代的。

正因为惯性技术的地位如此重要，它受到世界上技术先进国家的普遍重视。美、英、法、德和前苏联都投入相当大的力量从事惯性技术及有关装置的研究。现代科技发展促进了惯导技术的发展，惯性导航技术已经成为现代高科技发展水平的标志之一。

2.捷联惯性技术的发展

捷联具有悠久的历史，所谓捷联捷联惯性系统也就是将惯性敏感元件（陀螺与加速度计）直接捆绑在飞行器上从而完成制导。捷联惯导技术最早可以追溯到18世纪50年代，德国著名科学家博耐伯格（Joha Gottlob Friedrich von Bohne erger）发明了带有稳定平台的陀螺仪（gyroscope）模型。100年之后法国的光学物理实验学家傅科(Leon Foucault)发明了现代意义上的陀螺并提出了陀螺罗经理论。此后一直到第二次世界大战，有一大批著名的科学家为惯性技术做出了杰出的贡献，如著名科学家安修茨(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导航任务的是二战末期德国著名火箭专家冯•布劳恩（Wernher Von Braun）和他的研制小组发明的著名的V-2火箭。在V-2火箭上装载的导航系统就是最原始的捷联惯性导航系统，该火箭从当时纳粹德国飞越过英吉利海峡准确命中伦敦，震惊世界。捷联惯导技术在美国和苏联迅速地发展起来，主要用于军事武器系统。1950年起，麻省理工学院德雷珀实验室先后完成了平台惯导系统的飞行器试飞和舰船试航。同时，捷联系统也得到成熟的探索。1969年，在“阿波罗-13”宇宙飞船在飞向月球途中，服务舱发生爆

炸使指令舱电源遭破坏。紧急情况下，正是由于德雷珀实验室低功耗备份捷联惯导系统LM/ASA的引导，将飞船引导到返回地球的轨道上，安全降落到太平洋上。

由于捷联系统本身固有的优点，以及随着高速大容量的数字计算机技术和高精度陀螺仪技术出现，捷联导航系统在低成本、短期中精度导航中呈现出逐渐取代平台式系统的趋势。并且在这一时期捷联系统由试飞阶段进入了应用阶段。

激光、光纤等新型固态陀螺仪的已逐渐成熟。这些新型陀螺仪具有测量角速度不受限制，过载能力强，精度与过载无关，可*性高，启动快等优点，这些正是捷联系统所追求的。在欧洲，军用飞机中的所有新型以及改进型飞机大部分是用激光陀螺仪惯导装置；在美国军用惯导系统1984年全部为平台式，到1989年已有一半改为捷联式，1994年捷联式已占有90%。

捷联惯性导航系统正朝着高精度、高可*性、低成本、小型化、数字化、应用领域更加广泛的方向迅速发展。在此基础上，SIN/G 、SIN/DVL、捷联/天文导航等组合导航系统将成为未来发展的一个方向。

3.捷联惯导系统与平台惯导系统的对比

平台系统采用常平架平台，在平台上安装惯性敏感元件。平台可以隔离载体运动对敏感元件的影响并且框架轴上角度传感器直接输出姿态角，然后进行导航推算。平台系统已经达到了很高的水平，但是其造价、维修费用十分昂贵，而且其采用了框架伺服系统，相对可*性将会下降。捷联系统采用的是数学姿态转换平台，将惯性敏感元件直接安装到载体上，敏感元件的输出信息直接输送到导航计算机中进行实时的姿态矩阵解算，通过姿态矩阵把惯性导航系统中加速计测量到的信息转换到导航用的导航参考坐标系中进行导航积分运算以及提取姿态角信息

从平台系统和捷联系统的工作原理中，作如下对比：

1) 捷联系统敏感元件便于安装、维修和更换；

2) 捷联系统敏感元件可以直接给出舰船坐标系的所有导航参数，提供给导航、稳定控制系统和武备控制系统；

3) 捷联系统敏感元件易于重复布置，从而在惯性敏感元件级别上实现冗余技术，这对提高性能和可*性十分有利；

4) 捷联系统去掉了常平架平台，消除了稳定平台稳定过程的各种误差同时减小系统体积。捷联系统把敏感元件直接固定在载体上导致惯性敏感元件工作环境恶化，降低了系统的精度。因此，必须采取误差补偿措施，或采用新型的光学陀螺。

惯性导航系统技术目前的热点主要集中在惯性敏感器件、系统精度、系统体积、可*性、系统综合、系统校正等几个方面。关键在于修正、惯性元件误差模型的建立和实时补偿、捷联矩阵的更新等等。