某型慣導(dǎo)系統(tǒng)慣性元件的選型設(shè)計(jì)

郝東

（海軍裝備部，陜西 西安 710065）

許多遠(yuǎn)距離航行器都需要慣導(dǎo)系統(tǒng)（INS）來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航定位，慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能指標(biāo)直接影響航行器能否準(zhǔn)確航行到既定目的地，慣導(dǎo)系統(tǒng)是航行器的最重要的組成部分。航行器總體設(shè)計(jì)一般是根據(jù)航行距離、速度及環(huán)境特點(diǎn)來(lái)確定慣導(dǎo)系統(tǒng)的全航程導(dǎo)航定位精度、初始自主對(duì)準(zhǔn)時(shí)間、姿態(tài)和加速度測(cè)量范圍及精度等主要指標(biāo)。慣導(dǎo)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)主要是根據(jù)總體所分配的指標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、陀螺儀及加速度計(jì)的選型設(shè)計(jì)及導(dǎo)航算法設(shè)計(jì)，其中陀螺儀及加速度計(jì)的選型是影響慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航定位精度的最重要的因素。

1 慣性系統(tǒng)常用元件技術(shù)現(xiàn)狀

慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度主要取決于陀螺儀和加速度計(jì)的精度，特別是陀螺儀的性能對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航精度起到了決定性作用。陀螺儀是敏感角速率或角位置變化的傳感器，從當(dāng)前國(guó)內(nèi)外陀螺儀發(fā)展的水平來(lái)看，超高精度陀螺儀的精度范圍一般在0.00001°/h-0.0005°/h，中高精度陀螺儀的精度范圍在0.0005°/h-0.01°/h，低精度陀螺儀的精度一般低于0.1°/h。超高精度陀螺儀主要有液浮陀螺、氣浮陀螺和機(jī)械陀螺；中高精度陀螺儀主要有動(dòng)力調(diào)諧陀螺、光纖陀螺和激光陀螺；低精度陀螺儀主要有動(dòng)力調(diào)諧陀螺、MEMS微機(jī)電陀螺儀。液浮陀螺、氣浮陀螺和機(jī)械陀螺等超高精度陀螺儀主要用在大型航行器的導(dǎo)航，對(duì)體積和重量條件要求比較寬松，而對(duì)于那些航行時(shí)間不長(zhǎng)、對(duì)體積和重量較敏感的系統(tǒng)（魚(yú)雷、短程導(dǎo)彈等）一般采用中高精度的動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀及光學(xué)陀螺儀；低精度陀螺儀特別是MEMS陀螺儀主要用在民用領(lǐng)域，例如汽車(chē)、機(jī)器人、智能玩具及無(wú)人駕駛飛機(jī)等。

2 慣導(dǎo)系統(tǒng)慣性元件選型設(shè)計(jì)

2.1 目標(biāo)慣性系統(tǒng)參數(shù)要求?，F(xiàn)以某型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為例，來(lái)具體討論的陀螺儀和加速度計(jì)的選型設(shè)計(jì)。假定慣導(dǎo)系統(tǒng)所屬載體在水下航速為V=10節(jié)（18.4km/h），允許5小時(shí)（T）浮出水面進(jìn)行一次GPS校正，所以載體在純慣導(dǎo)導(dǎo)航（無(wú)GPS和多普勒測(cè)速儀信號(hào)校正）情況下航行5小時(shí)，要求5小時(shí)航程導(dǎo)航定位精度不低于航程的10%（P），假設(shè)載體沿子午線方向由北向南航行?？紤]系統(tǒng)5小時(shí)航程的導(dǎo)航定位精度，5小時(shí)的導(dǎo)航偏差距離Smax可通過(guò)計(jì)算獲得。

以導(dǎo)航偏差距離Smax=9.2km來(lái)反推計(jì)算慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航定位角度，載體在地球表面導(dǎo)航偏差距離Smax所對(duì)應(yīng)的緯度方向角度Φ可以通過(guò)計(jì)算獲得，地球海平面半徑取rE=6350km。

2.2 陀螺儀參數(shù)估算。根據(jù)假定的航行條件，經(jīng)過(guò)計(jì)算可獲得5小時(shí)內(nèi)緯度方向定位誤差角度Φ=0.083°，那么每小時(shí)的導(dǎo)航角偏差約為0.0166°?？紤]到慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度主要由陀螺儀精度、加速度計(jì)精度及導(dǎo)航算法共同決定的，所以先假設(shè)加速度計(jì)誤差可忽略不計(jì)，導(dǎo)航算法也比較優(yōu)良，那么導(dǎo)航角誤差完全由映射到該方向的陀螺儀的誤差所決定。鑒于載體每小時(shí)航向角偏差（角速率）在0.0166°左右，所選陀螺儀精度必須優(yōu)于0.0166°/h，具體指標(biāo)冗余量還要考慮加速度計(jì)精度和導(dǎo)航算法等方面的影響。

2.3 加速度計(jì)參數(shù)估算。估算在純慣導(dǎo)方式下加速度計(jì)對(duì)系統(tǒng)導(dǎo)航定位精度的影響，假設(shè)系統(tǒng)勻速（V=10節(jié)）直線航行，對(duì)航程計(jì)算精度影響的因素就是加速度計(jì)的隨機(jī)漂移值，那么航行5小時(shí)后通過(guò)加速度積分計(jì)算出的航程誤差可通過(guò)下面公式計(jì)算：Sa=T×ΔV/2。假定加速度計(jì)精度在10-3m/S2，速度增量（加速度）ΔV=18m/h，整個(gè)航程誤差不超過(guò)0.1km，由于一般的加速度計(jì)的精度范圍都高于10-3m/S2，可見(jiàn)加速度計(jì)的選擇對(duì)系統(tǒng)導(dǎo)航精度影響比陀螺小一個(gè)數(shù)量級(jí)還要多，所以選擇測(cè)量精度在10-4m/S2和測(cè)量范圍在20g～30g的石英加速度計(jì)可滿足要求。

2.4 系統(tǒng)其它設(shè)計(jì)。導(dǎo)航算法比較成熟，所引起的靜態(tài)誤差也相當(dāng)有限，導(dǎo)航算法對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響較大，可通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)試驗(yàn)和測(cè)試進(jìn)行補(bǔ)償和完善，這里不再詳細(xì)論述。溫度傳感器可選用數(shù)字式溫度傳感器（例如DS1820），測(cè)量范圍在-55℃～+100℃、精度在0.1℃的即可，用于系統(tǒng)溫度測(cè)試和誤差補(bǔ)償。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)本系統(tǒng)的要求，綜合考慮陀螺儀精度、加速度計(jì)精度、導(dǎo)航算法和電子線路的綜合影響，選擇精度等于0.01/h激光陀螺儀和精度等于10-3m/S2石英加速度計(jì)可滿足系統(tǒng)對(duì)5小時(shí)純慣導(dǎo)情況下的導(dǎo)航定位要求。另外，所選激光陀螺儀和石英加速度計(jì)的測(cè)量范圍可根據(jù)載體動(dòng)態(tài)指標(biāo)來(lái)定，只要能包含在系統(tǒng)的測(cè)量范圍內(nèi)即可。慣性元件的精度決定了慣性系統(tǒng)導(dǎo)航定位精度，通過(guò)對(duì)慣性元件的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析對(duì)比，明確了這些器件的使用對(duì)象。通過(guò)對(duì)假定系統(tǒng)所給出的導(dǎo)航指標(biāo)要求的綜合分析，反向推算系統(tǒng)所要采用的陀螺儀和加速度計(jì)的精度和類(lèi)型。該設(shè)計(jì)方法可以在實(shí)際慣導(dǎo)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)階段來(lái)確定慣性元件的選型。

[1]謝烈金.庫(kù)上利耶夫.激光陀螺及其應(yīng)用[M].北京：航空工業(yè)出版社，2004.

[2]張桂才.光纖陀螺原理與技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.