段國(guó)棟++萬(wàn)子平++彭歡

【摘 要】隨著市場(chǎng)及實(shí)際應(yīng)用的需求，未來(lái)導(dǎo)航系統(tǒng)的主要發(fā)展方向?qū)⑾蛞詰T性導(dǎo)航為基礎(chǔ)的組合導(dǎo)航靠攏。慣導(dǎo)系統(tǒng)穩(wěn)定回路由方位、內(nèi)橫滾、俯仰、外橫滾四個(gè)主回路及一個(gè)多余軸鎖定回路組成，而每個(gè)主回路又由角度傳感器（即旋轉(zhuǎn)變壓器）、撓性陀螺儀、陀螺前置放大器、伺服放大器、直流力矩電機(jī)、相關(guān)的傳感器激磁電源及放大器正常工作所需的直流電源組成。因四個(gè)通道的組成原理相同，結(jié)合故障現(xiàn)象，現(xiàn)以俯仰通道為例進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】慣性導(dǎo)航 技術(shù)介紹 應(yīng)用

慣性導(dǎo)航，利用慣性元件來(lái)測(cè)量運(yùn)載體本身的加速度，經(jīng)過(guò)積分和運(yùn)算得到速度和位置，從而達(dá)到對(duì)運(yùn)載體導(dǎo)航定位的目的。 組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)備都安裝在運(yùn)載體內(nèi)，工作時(shí)不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。

1 慣性導(dǎo)航介紹

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是20世紀(jì)初發(fā)展起來(lái)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其主要優(yōu)點(diǎn)是能夠獨(dú)立自主地進(jìn)行導(dǎo)航，在不依賴任何外界系統(tǒng)支持的情況下，也能連續(xù)地提供包括姿態(tài)角、速高比等在內(nèi)的飛機(jī)運(yùn)動(dòng)信息，具有良好的短期精度和穩(wěn)定性。基于上述優(yōu)點(diǎn)，慣性導(dǎo)航定位不僅可用于空中、陸地的運(yùn)動(dòng)物體定位和導(dǎo)航，也可以用于水下和地下的運(yùn)動(dòng)載體的定位與導(dǎo)航。慣導(dǎo)系統(tǒng)是以陀螺儀和加速度計(jì)為敏感元件的導(dǎo)航參數(shù)解算系統(tǒng)，以陀螺儀的輸出數(shù)據(jù)為依據(jù)建立導(dǎo)航坐標(biāo)系，根據(jù)加速度計(jì)的輸出計(jì)算運(yùn)載體的速度、相對(duì)位置以及姿態(tài)等參數(shù)。陀螺儀是利用其陀螺效應(yīng)，不依賴任何外界信息，測(cè)量載體相對(duì)慣性空間的角位移或角速度的一種儀表。對(duì)于無(wú)人偵察機(jī)而言，需要有高靈敏度、高精度的自身姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)才能保證準(zhǔn)確的自主飛行，一般使用的是激光陀螺和光纖陀螺，其中光纖陀螺具有啟動(dòng)快、抗震動(dòng)和沖擊、沒(méi)有高壓、無(wú)閉鎖現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)，而且價(jià)格低廉，因此逐漸占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。加速度計(jì)是慣性姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中另一個(gè)關(guān)鍵性元件，是用來(lái)測(cè)量運(yùn)載體相對(duì)慣性坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)的加速度在載體坐標(biāo)系中分量，然后經(jīng)過(guò)捷聯(lián)矩陣變換成沿地理坐標(biāo)系的分量，最后經(jīng)過(guò)一次積分就可以得到運(yùn)載體的速度，而二次積分就可以得到其相應(yīng)的位置。

單獨(dú)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)容易受到累積誤差的影響，隨著飛行時(shí)間和距離的增加，定位精度會(huì)逐漸下降，因此很多情況下都是采用組合導(dǎo)航定位。通過(guò)把兩種或以上的不同導(dǎo)航系統(tǒng)以適當(dāng)方式綜合在一起，可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)性能互補(bǔ)，從而獲得更高的導(dǎo)航性能。目前比較成熟的組合導(dǎo)航定位方式主要有GPS/INS組合導(dǎo)航和地圖匹配導(dǎo)航定位。

2 慣性技術(shù)的應(yīng)用

2.1 慣性技術(shù)在載人航天中的應(yīng)用

撓性捷聯(lián)慣性測(cè)量單元用于國(guó)內(nèi)載人飛船GNC分系統(tǒng)；測(cè)量飛船的轉(zhuǎn)動(dòng)角速率、平移加速度。光纖捷聯(lián)慣性測(cè)量單元也已用于載人飛船手控交匯對(duì)接GNC分系統(tǒng)；測(cè)量飛船的轉(zhuǎn)動(dòng)角速率、平移加速度，并完成手動(dòng)交匯對(duì)接任務(wù)。光纖陀螺組合已用于目標(biāo)飛行器GNC分系統(tǒng)，測(cè)量其轉(zhuǎn)動(dòng)角速率，進(jìn)行飛行器的姿態(tài)控制和穩(wěn)定，并完成與飛船交會(huì)對(duì)接任務(wù)。目前，光纖慣性測(cè)量單元正用于空間站GNC分系統(tǒng)，提供艙體相對(duì)于慣性空間的轉(zhuǎn)動(dòng)角速率以及視加速度。

2.2 慣性技術(shù)在衛(wèi)星中的應(yīng)用

慣性技術(shù)主要用于衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定，包括用于測(cè)量姿態(tài)的陀螺儀和用于穩(wěn)定的慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)。衛(wèi)星用陀螺儀包括動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀、液浮陀螺儀和光纖陀螺儀。由于衛(wèi)星應(yīng)用要求長(zhǎng)壽命和高可靠，而全固態(tài)的光纖陀螺在這一方面比液浮陀螺和動(dòng)力調(diào)諧陀螺具有顯著優(yōu)勢(shì)，因此國(guó)內(nèi)衛(wèi)星應(yīng)用正逐漸用光纖陀螺替代傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子陀螺。目前，地面開(kāi)展的研究工作表明光纖陀螺的長(zhǎng)期穩(wěn)定性已經(jīng)滿足10年以上的衛(wèi)星應(yīng)用要求。慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)方面，基于轉(zhuǎn)子技術(shù)的飛輪和控制力矩陀螺在衛(wèi)星上得到了普遍使用。由于轉(zhuǎn)子的壽命問(wèn)題，磁懸浮軸承技術(shù)也已在開(kāi)展試驗(yàn)應(yīng)用工作。

2.3 慣性技術(shù)在運(yùn)載火箭中的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)神舟三號(hào)之前運(yùn)載火箭采用了氣浮平臺(tái)慣性測(cè)量系統(tǒng)，用于運(yùn)載火箭的導(dǎo)航、指導(dǎo)與控制（GNC）系統(tǒng)；測(cè)量運(yùn)載火箭的轉(zhuǎn)動(dòng)角速率、平移加速度，同時(shí)供遙測(cè)系統(tǒng)測(cè)量使用。神舟三號(hào)后運(yùn)載火箭采用了2套撓性捷聯(lián)慣性測(cè)量單元，互為主備份，主要用于運(yùn)載火箭的GNC系統(tǒng)；測(cè)量運(yùn)載火箭的轉(zhuǎn)動(dòng)角速率、平移加速度，供遙測(cè)系統(tǒng)測(cè)量使用。目前激光慣性測(cè)量單元和光纖慣性測(cè)量單元互為主備份，用于運(yùn)載火箭GNC系統(tǒng)，測(cè)量箭體轉(zhuǎn)動(dòng)角速率、平移加速度。光纖速率陀螺和橫法向加速度計(jì)組合正用于火箭穩(wěn)定系統(tǒng)和姿態(tài)控制系統(tǒng)，測(cè)量箭體的偏航、俯仰和滾動(dòng)角速度，以及箭體線加速度和姿態(tài)信息。

3 慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展

慣性傳感器包含加速度計(jì)和陀螺儀，陀螺儀種類多種多樣，按陀螺轉(zhuǎn)子主軸所具有的進(jìn)動(dòng)自由度數(shù)目可分為二自由度陀螺儀和單自由度陀螺儀；按支承系統(tǒng)可分為滾珠軸承支承陀螺，液浮、氣浮與磁浮陀螺，靜電陀螺；按物理原理分為轉(zhuǎn)子式陀螺、半球諧振陀螺、環(huán)形激光陀螺和光纖陀螺等。兩束光波沿著同一個(gè)圓周路徑反向而行，當(dāng)光源與圓周均發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩束光的行進(jìn)路程不同，產(chǎn)生了相位差，可測(cè)出激光陀螺的角速度。近十幾年來(lái)，激光陀螺已經(jīng)發(fā)展十分成熟，新型激光陀螺研究的主要成果是在激光陀螺的小型化、工程化和新型化等方面取得的進(jìn)展。光纖陀螺（FOG）使用與環(huán)形激光陀螺相同的基本原理，但其使用光纖作為激光回路，可看作是第二代激光陀螺。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展方向：①傳遞對(duì)準(zhǔn)所利用的信息多樣化，除了主子慣導(dǎo)提供的信息外，GPS、雷達(dá)等設(shè)備提供的信息也可用于輔助傳遞對(duì)準(zhǔn)。②隨著傳遞對(duì)準(zhǔn)中新的模型、誤差補(bǔ)償技術(shù)和濾波器技術(shù)的發(fā)展，傳遞對(duì)準(zhǔn)的性能將會(huì)不斷提高。③可觀測(cè)度的相關(guān)研究將會(huì)繼續(xù)深入，進(jìn)而更好地指導(dǎo)傳遞對(duì)準(zhǔn)濾波器的設(shè)計(jì)。④發(fā)展超穩(wěn)定、且累積誤差小的慣性導(dǎo)航組件等，為長(zhǎng)航時(shí)載體提供無(wú)須外部信息支持的定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)。

與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比，慣導(dǎo)系統(tǒng)同時(shí)具有信息全面、完全自主、高度隱蔽、信息實(shí)時(shí)與連續(xù)，且不受時(shí)間、地域的限制和人為因素干擾等重要特性，可在各種環(huán)境中正常工作。在導(dǎo)彈、火箭、飛機(jī)等需要機(jī)動(dòng)、高速運(yùn)行的運(yùn)載體的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)中，慣性系統(tǒng)因其測(cè)量頻帶寬且數(shù)據(jù)頻率高、測(cè)量延時(shí)短，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，成為GNC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速、精確制導(dǎo)與控制的核心信息源，其性能對(duì)制導(dǎo)精度起著關(guān)鍵作用。

參考文獻(xiàn)：

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