淺談慣導(dǎo)發(fā)展及其分類

摘 要：主要介紹了慣性導(dǎo)航的四個發(fā)展階段的特點(diǎn)，以及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的分類即平臺慣導(dǎo)和捷聯(lián)慣導(dǎo)。簡要說明了兩種慣導(dǎo)類型的結(jié)構(gòu)，將兩種分類進(jìn)行了對比，闡述了其工作原理，指出了不同慣導(dǎo)類型的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：慣性導(dǎo)航；發(fā)展歷程；分類；優(yōu)缺點(diǎn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.254

1 引言

慣性導(dǎo)航簡稱“慣導(dǎo)”，是一門較為綜合的前沿學(xué)科。其涉及了機(jī)電、光學(xué)、數(shù)學(xué)、力學(xué)、控制及計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域[1]。慣導(dǎo)系統(tǒng)是以牛頓定律為理論支撐，用加速度計(jì)測量出載體相對于選定的坐標(biāo)的加速度，在進(jìn)行二次積分，得到相應(yīng)的位移；用陀螺儀感知轉(zhuǎn)動角速度，經(jīng)過一次積分得到轉(zhuǎn)動角度，將上述過程經(jīng)過多次迭代推算出實(shí)時(shí)位置。

因?yàn)榕c載體外界沒有信號交流，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)擁有完全自主性。慣導(dǎo)系統(tǒng)適應(yīng)性比較強(qiáng)，對工作環(huán)境沒有要求，在沒有任何外界信息攝入的情況下，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的導(dǎo)航與定位[2]。正是由于這一系列特點(diǎn)，使其在航天、航空、航海等領(lǐng)域中有著非常廣泛的應(yīng)用。

2 慣導(dǎo)技術(shù)發(fā)展歷程

按照硬件技術(shù)的發(fā)展可將慣性導(dǎo)航技術(shù)劃分四個發(fā)展階段，但各階段之間并無明顯界限[3]。

上世紀(jì)三十年代以前是慣性技術(shù)發(fā)展的第一個階段。在這一階段，具體實(shí)物上的研究進(jìn)展主要有1852年法國人傅科根據(jù)地球自轉(zhuǎn)原理制造出了第一臺真正意義上的陀螺儀，以及1908年的擺式陀羅經(jīng)問世。理論研究方面，1687年牛頓提出了牛頓三大定律，對慣性技術(shù)的發(fā)展具有劃時(shí)代的意義；1923舒勒擺理論被提出。

上世紀(jì)40年代火箭的研究推動了慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，使其進(jìn)入第二個發(fā)展階段，這一階段的發(fā)展的主要特點(diǎn)是不僅僅局限在硬件技術(shù)的研究上，而是更加注重慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的具體應(yīng)用[3]，其中最具代表性的是機(jī)械浮子式陀螺和擺式加速度計(jì)[4]。二戰(zhàn)期間，德國的V-2火箭第一次應(yīng)用了慣導(dǎo)技術(shù)；隨后在50年代中期，B29飛機(jī)上又應(yīng)用了麻省理工學(xué)院研制的單自由度液浮陀螺；60年代后期，研制出了漂移僅為0.005°/h的G6B4型動壓陀螺。在此階段，相關(guān)理論也蓬勃發(fā)展：激光技術(shù)的發(fā)展為以后其在陀螺領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；捷聯(lián)慣導(dǎo)理論發(fā)展也日漸完善。

70年代初期進(jìn)入第三發(fā)展階段，在此階段出現(xiàn)了一些新的慣性元件和相應(yīng)的慣導(dǎo)系統(tǒng)。這一階段主要陀螺包括：靜電陀螺（ESG）、動力調(diào)諧陀螺（DTG）[5]、環(huán)形激光陀螺（RLG）[6]、干涉式光纖陀螺（IFOG）[7，8]等。

當(dāng)前時(shí)代是慣性技術(shù)發(fā)展的第四階段，本階段的研究重點(diǎn)主要集中在精確度、可靠性、成本、體積、應(yīng)用領(lǐng)域等方面。隨著陀螺精度和漂移量的不斷優(yōu)化和數(shù)字計(jì)算機(jī)的進(jìn)步，捷聯(lián)慣導(dǎo)的優(yōu)勢不斷凸顯，平臺式系統(tǒng)逐漸被捷聯(lián)式慣導(dǎo)所取代。

3 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的分類

3.1 平臺慣性導(dǎo)航

具有物理穩(wěn)定平臺的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)叫做平臺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，穩(wěn)定平臺是平臺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心部分。測量載體加速度所用到的加速度計(jì)安裝在慣性平臺上，系統(tǒng)利用了陀螺儀的進(jìn)動性，對其施以力矩控制，抵消了陀螺儀為了與慣性空間保持相對穩(wěn)定而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動角度，使其始終跟蹤指定的導(dǎo)航坐標(biāo)系，避免了載體運(yùn)動對加速度測量產(chǎn)生影響，為整個系統(tǒng)提供了測量基準(zhǔn)[1]。

平臺慣導(dǎo)的平臺可以避免載體運(yùn)動對慣性元件產(chǎn)生影響，并且框架上的角度傳感器可以直接測量出用于導(dǎo)航推算的姿態(tài)角。目前平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到了很高的水平，但是其成本高，后期維護(hù)費(fèi)用昂貴，并且采用了伺服系統(tǒng)，可靠性得不到保障。

3.2 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航

捷聯(lián)，即把陀螺儀和加速度計(jì)直接安裝在載體上。其中陀螺儀和加速度計(jì)分別用來感知載體的角速度和線加速度信息。在安裝時(shí)，這兩種慣性元件在三維坐標(biāo)系的每個方向上各安裝一個，并且保證同類型元件的輸入軸兩兩正交。姿態(tài)矩陣由陀螺儀采集到的角速度計(jì)算得到，起到“數(shù)學(xué)平臺”的作用，并且在姿態(tài)矩陣中能提取出載體的航向和姿態(tài)等信息，加速計(jì)在載體坐標(biāo)中的輸出左乘轉(zhuǎn)移矩陣即得到相應(yīng)的導(dǎo)航坐標(biāo)系中的加速度信息，然后再對轉(zhuǎn)移后的加速度進(jìn)行解算。

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)省去了慣性平臺，大大減小了整個系統(tǒng)的質(zhì)量、體積與成本，其敏感元件更容易安裝、維修或更換。但是把慣性元件直接固連在載體上，載體震動會對慣性元件產(chǎn)生沖擊，系統(tǒng)精度受到影響，因此需要制定相應(yīng)的誤差補(bǔ)償方案或者采用性能更好的元件。

4 展望

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛，無論地面、海上還是空中均適用。這種導(dǎo)航系統(tǒng)成本低，自主性強(qiáng)，尤其是捷連慣導(dǎo)系統(tǒng)擁有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕等特點(diǎn)。隨著科技的發(fā)展，納米元件也開始應(yīng)用在慣性導(dǎo)航領(lǐng)域，慣性導(dǎo)航精度不斷提高，體積和重量不斷減小，費(fèi)用和耗能越來越低，慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展將會進(jìn)入一個新的時(shí)期。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉建業(yè)，曾慶化，趙偉，熊智等.導(dǎo)航系統(tǒng)理論與應(yīng)用[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

[2]秦永元.慣性導(dǎo)航[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[3]張炎華，王立瑞，戰(zhàn)興群，翟傳潤.慣性導(dǎo)航技術(shù)的新進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J].中國造船，2008，49（183）：134-144.

[4]宋海凌，馬溢清.慣性技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用需求分析[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2012，40（02）：55-59.

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[6]SMITH SG RingLaserGyros[J].Phys.Techno1，1987，18（04）.

[7]張炎華，呂葵，程加斌.光纖陀螺的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，32（08）：126，129.

[8]張睿，張炎華，汪繩武.干涉型全光纖退偏陀螺中偏振過程的研究[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，37（01）：145-148.

作者簡介：孫澤鵬（1994-），男，山東聊城人，碩士研究生在讀，研究方向：慣性導(dǎo)航、組合導(dǎo)航。