郝東

（海軍裝備部，陜西 西安 710065）

許多遠距離航行器都需要慣導系統(tǒng)（INS）來進行導航定位，慣導系統(tǒng)的性能指標直接影響航行器能否準確航行到既定目的地，慣導系統(tǒng)是航行器的最重要的組成部分。航行器總體設計一般是根據航行距離、速度及環(huán)境特點來確定慣導系統(tǒng)的全航程導航定位精度、初始自主對準時間、姿態(tài)和加速度測量范圍及精度等主要指標。慣導系統(tǒng)的方案設計主要是根據總體所分配的指標進行結構設計、陀螺儀及加速度計的選型設計及導航算法設計，其中陀螺儀及加速度計的選型是影響慣導系統(tǒng)導航定位精度的最重要的因素。

1 慣性系統(tǒng)常用元件技術現狀

慣導系統(tǒng)的精度主要取決于陀螺儀和加速度計的精度，特別是陀螺儀的性能對慣導系統(tǒng)的導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，從當前國內外陀螺儀發(fā)展的水平來看，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、氣浮陀螺和機械陀螺；中高精度陀螺儀主要有動力調諧陀螺、光纖陀螺和激光陀螺；低精度陀螺儀主要有動力調諧陀螺、MEMS微機電陀螺儀。液浮陀螺、氣浮陀螺和機械陀螺等超高精度陀螺儀主要用在大型航行器的導航，對體積和重量條件要求比較寬松，而對于那些航行時間不長、對體積和重量較敏感的系統(tǒng)（魚雷、短程導彈等）一般采用中高精度的動力調諧陀螺儀及光學陀螺儀；低精度陀螺儀特別是MEMS陀螺儀主要用在民用領域，例如汽車、機器人、智能玩具及無人駕駛飛機等。

2 慣導系統(tǒng)慣性元件選型設計

2.1 目標慣性系統(tǒng)參數要求?，F以某型慣性導航系統(tǒng)為例，來具體討論的陀螺儀和加速度計的選型設計。假定慣導系統(tǒng)所屬載體在水下航速為V=10節(jié)（18.4km/h），允許5小時（T）浮出水面進行一次GPS校正，所以載體在純慣導導航（無GPS和多普勒測速儀信號校正）情況下航行5小時，要求5小時航程導航定位精度不低于航程的10%（P），假設載體沿子午線方向由北向南航行?？紤]系統(tǒng)5小時航程的導航定位精度，5小時的導航偏差距離Smax可通過計算獲得。

以導航偏差距離Smax=9.2km來反推計算慣導系統(tǒng)導航定位角度，載體在地球表面導航偏差距離Smax所對應的緯度方向角度Φ可以通過計算獲得，地球海平面半徑取rE=6350km。

2.2 陀螺儀參數估算。根據假定的航行條件，經過計算可獲得5小時內緯度方向定位誤差角度Φ=0.083°，那么每小時的導航角偏差約為0.0166°?？紤]到慣導系統(tǒng)的導航定位精度主要由陀螺儀精度、加速度計精度及導航算法共同決定的，所以先假設加速度計誤差可忽略不計，導航算法也比較優(yōu)良，那么導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，具體指標冗余量還要考慮加速度計精度和導航算法等方面的影響。

2.3 加速度計參數估算。估算在純慣導方式下加速度計對系統(tǒng)導航定位精度的影響，假設系統(tǒng)勻速（V=10節(jié)）直線航行，對航程計算精度影響的因素就是加速度計的隨機漂移值，那么航行5小時后通過加速度積分計算出的航程誤差可通過下面公式計算：Sa=T×ΔV/2。假定加速度計精度在10-3m/S2，速度增量（加速度）ΔV=18m/h，整個航程誤差不超過0.1km，由于一般的加速度計的精度范圍都高于10-3m/S2，可見加速度計的選擇對系統(tǒng)導航精度影響比陀螺小一個數量級還要多，所以選擇測量精度在10-4m/S2和測量范圍在20g～30g的石英加速度計可滿足要求。

2.4 系統(tǒng)其它設計。導航算法比較成熟，所引起的靜態(tài)誤差也相當有限，導航算法對系統(tǒng)的動態(tài)性能影響較大，可通過轉臺試驗和測試進行補償和完善，這里不再詳細論述。溫度傳感器可選用數字式溫度傳感器（例如DS1820），測量范圍在-55℃～+100℃、精度在0.1℃的即可，用于系統(tǒng)溫度測試和誤差補償。

結語

針對本系統(tǒng)的要求，綜合考慮陀螺儀精度、加速度計精度、導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石英加速度計可滿足系統(tǒng)對5小時純慣導情況下的導航定位要求。另外，所選激光陀螺儀和石英加速度計的測量范圍可根據載體動態(tài)指標來定，只要能包含在系統(tǒng)的測量范圍內即可。慣性元件的精度決定了慣性系統(tǒng)導航定位精度，通過對慣性元件的技術指標進行分析對比，明確了這些器件的使用對象。通過對假定系統(tǒng)所給出的導航指標要求的綜合分析，反向推算系統(tǒng)所要采用的陀螺儀和加速度計的精度和類型。該設計方法可以在實際慣導系統(tǒng)方案設計階段來確定慣性元件的選型。

[1]謝烈金.庫上利耶夫.激光陀螺及其應用[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[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.