3.1 §3.2.pdf

第三章 惯性导航原理 §3.1 惯性技术概述 惯性技术是以牛顿惯性定律为基础的、用以实现运动物体姿态和 航迹控制的一项工程技术。 目前我们所说的惯性技术是惯性导航技 术、惯性制导技术、惯性测量技术、惯性元件技术及惯性元件和系统 的测试技术的总称。它是在经典陀螺力学基础上发展起来的，又是综 合了当代最新科技成果的多学科综合性实用尖端技术，在航空、航天、 航海、兵器及许多其他方面获得广泛应用。惯性技术在现代国防科学 技术中占据十分重要的地位，并在许多民用领域中发挥越来越大的作 用。 惯性导航是利用惯性敏感元件( 陀螺仪、加速度计)测量载体相对 惯性空间的线运动和角运动参数，在给定的初始条件下．输出载体的 姿态参数和导航定位参数。惯性导航系统主要用于能人工操纵的载体 上，如飞机、舰船等，其作用相当于一个测量装置，它将导航定位参 数提供给驾驶员，使载体按一定的航线航行。它还可以将导航定位参 数提供给自动驾驶仪，自动引导载体沿预定的航线到达目的地，这时 驾驶员只起监控作用。惯性导航系统的工作不依赖于任何外界信息， 是一种完全自主的导航方法，能全天候工作。 惯性制导系统和惯性导航系统的工作状态不同，它是惯性导航与 自动控制的结合。它利用导航参数，产生控制载体运动所需的信号， 直接控制载体的航线。惯性制导系统用于无人操纵的运载器上，如弹 道式导弹、人造地球卫星和宇宙探测器的运载火箭等。 惯性测量系统是在惯性导航基础上发展起来的，它与惯性导航系 统的硬结构相似，但在软件和方法上完全不同。它的定位精度更高。 对惯性元件的要求更高，设备也更复杂、更昂贵。惯性测量系统可以 完全自主、快速地测定经度、纬度、高度、方位角、重力异常和垂线 偏差六个大地测量元素。这些特点不仅使它在军事上充分发挥作用， 而且在大地测量、石油钻井定位、水下电缆铺设等经济领域得到了广 泛的应用。 惯性元件是指陀螺议和加速度计，陀螺仪用于敏感模拟坐标系相 对理想坐标系的偏角或角速度、加速度计敏感载体沿其一方向的比 力，它们是各类惯性系统中的核心部件。陀螺仪和加速度计的工作原 理、结构及工艺等是惯性元件技术的主要内容。 惯性元件和系统的测试技术主要包括各种测试原理和测试设备， 其作用是测试和检验惯性元件与系统的各种性能。 §3.2 惯性导航的基本原理 为了阐明惯性导航系统的基本组成及惯性导航的基本原理，需讨 论简化的惯性导航问题。 假设载体在地球表面作等高度运动，并假定地球是半径为 R 的圆 球体，在陀螺稳定平台上放置两个加速度计 AE 及 AN 。平台的功能就 是保证在整个导航的过程中，使加速度计 AE 及 AN 的敏感轴始终分别 沿着东西和南北两个连线方向取向，且在当地水平面内。从而使加速 度计 AE 测量沿东西方向的加速度，加速度计 AN 测量沿南北方向的加 速度。加速度计输出的信号分别为 aE 和 aN ，将测出的加速度信号进 行一次积分后，可分别得出载体的速度分量为 图 简化惯性导航系统 t V V + a dt E E 0 ∫ E 0 t V V + a dt N N 0 ∫ N 0 式中V ，V ——载体的东向及北向初始速度。 E 0 N 0 载体的经纬度λ和ϕ ，可以从下式求得 1 t