《导航技术基础》课程论文--惯性导航系统发展综述报告.doc

惯性导航系统发展综述报告学号：姓名：摘要：本文介绍了惯性导航系统的主要组成、基本原理、分类以及优缺点列 举了惯性导航系统在为前的主要应用领域及发展趋势关键词：惯性导航系统、陀螺仪、加速度计、GPS、组合导航引言美国《防务新闻》网站报道称，美军止在研制新型导航定位设备，以替代现 在广泛使用的GPS卫星定位导航系统GPSZ所以被美军诟病，主要是由于该 系统过于依赖脆弱的天基卫星系统卫星在战时极易被干扰、破坏，或受到网络 攻击，自身安全性难以得到有效保证为有效解决GPS安全性问题和美军对精 确定位、导航、授吋服务的需求之间难以调和的矛盾，美军开始积极寻求GPS 的替代品据称，基于现代原子物理学最新成就的微型惯性导航技术是未来代替 GPS的一个重要的技术解决方案惯性导航系统是人类最早研发明的导航系统之一早在1942年德国在V・2 火箭上就率先应用了惯性导航技术从2009年，美国国防部先进研究项H局就 深入进行新一代微型惯性导航技术的研发与测试工作据悉，这种新--代导航系 统主要通过集成在微型芯片上的三个原子陀螺仪、加速器和原子钟精确测量载体 平台相对惯性空间的角速率和加速度信息，利用牛顿运动定律自动计算岀载体平 台的瞬吋速度、位置信息并为载体提供精确的授时服务。

美军也对该系统的未来发展充满信心安德瑞•席克尔认为，就像30年前 人们没有预想到GPS会发展到FI前如此程度一样，在未来20年新--代微型惯性 导航系统的发展程度也是无可限量的从此报道中可以看出研究惯性导航技术的重要作用二•惯性导航系统的概念惯性导航(inertial navigation)是依据牛顿惯性原理，利用惯性元件(加速度计)来测量运载休本身的加速度，经过积分和运算得到速度和位置，从而达到 对运载体导航定位的H的组成惯性导航系统的设备都安装在运载体内，工作吋 不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统 惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成惯性导航涉及 到控制技术、计算机技术、测试技术、精密机械工艺等多门应用技术学科，是现 代高精尖技术的产物，但其基本定位原理并不复杂三•惯性导航技术的发展史1942年德国在V2火箭上首先应用了惯性导航原理，即采用两台陀螺仪和一 台横向加速度表，再加上一台模拟计算机来调整火箭飞行的方位根据测量数据, 模拟计算发出信号调整4个位于垂直尾翼上的外部方向舵来控制火箭的飞行这 是闭环导航系统的一个创新二战结束之后，以冯•布劳恩为首的500多名德国火箭科学家，加上他们的 设计图纸、实验设备都去了美国，1945年他们在德克萨斯的布利斯空军基地开 始了在美国的火箭研制工作，1950年到达了阿拉巴马州的亨茨维尔市，继续从 事火箭研究。

在50年代早期，美国空军的四部研发中心邀请麻省理工学院(MIT)的仪器仪 表实验室(即后來的德雷伯实验室)设计一种独立的导航系统，该导航系统将安装 在康维尔公司的新一代Atlas洲际弹道导弹上，在MIT该项FI的负责人是吉姆・ 弗莱彻(Jim Fletcher),他后来成为NASA的负责人Atlas导航系统当中首先 包含了机载自主导航系统与地基跟踪指挥系统后来这两种导航系统还导致了长 期的争论，最后在洲际导弹丄主要采用自主导航系统，血在空问探索过程中，则 是采用两种导航系统的混合物1952 年夏天,Richard Batt in 和 J. Hal combe Lan i ng, Jr 两位博士开始在 IBM 650计算机上进行利用MAC语言进行导航计算，直到1958年他们才完成了 第一个惯性导航计算模型，而MAC语言作为第-•种可以人工阅读的计算机语言也 在航天方而得到广泛应用，现在的航天飞机上主系统的开发语言HAL/S就来H MAC语言1954年，这两位科学家完成了针对Atlas惯性导航系统的最初的分析工作, 而这个项H的技术负责人Walter Schweidetzky曾经是冯•布劳恩的手下，参与 过V2火箭的研制。

1954年惯性导航系统在飞机上试飞成功基本原理是将现在 的运行轨迹与预先设置的运行轨迹进行比较，然后调整火箭的姿态保证实际运行 轨迹与预先设置的运行轨迹重合，不过由于半时计算机的处理能力和惯性导航系 统的测量精度问题，火箭的偏差非常大后来在三角洲(Delta)火箭当中的Q系 统才真正解决了这个问题Q系统最大的特点是可以利用口导驾驶仪当中的速度 与方向信号直接进行计算，获得相关导航参数，该系统是在1956年6月21 FI首 次公诸于众，该系统到现在仍然在导弹当中广泛使用1958年虹鱼号潜艇依靠惯性导航在北极冰下航行21天，证明了惯性导航不 但可以在火箭、飞机上使用，也可以在船舶、潜艇、车辆上使用1961年2月，NASA委托MIT为阿波罗登月计划设计导航系统，而对于航天 飞机来说，从航天飞机起飞到固体火箭助推器(SRB)分离这个阶段采用开环导航, 而固体火箭助推器分析之后，则采用一种叫做PEG4的导航系统PEG4实际上是 将Q系统与Delta系统为中的PEG导航系统结合在--起，并加上了预测校正功能 虽然在过去30年里航天飞机的导航系统多次升级，并加上了 GPS导航系统，但 是航天飞机与空间探索导航的核心系统还是惯性导航。

四•惯性导航技术的原理惯性导航系统属于推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运动 体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的半前位置惯 性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计的测量轴稳定在该 坐标系中，并给岀航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度，经过对吋 间的一次积分得到速度，速度再经过对吋间的一次积分即可得到距离五、惯性导航系统的组成1 •惯性测量仪表：用来测量载体运动的线加速度和角速度信息常用的惯性测量 仪表有陀螺仪和加速度仪a. 陀螺仪陀螺仪主要用于获取运动体角运动信息陀螺仪具有两大特性：一是定轴性, 在不受外力矩作用吋，陀螺转子的方向始终指向初始恒定方向二是进动性，在 受外力作用时，陀螺转子讲偏离原始方向根据以上两个特性制成的陀螺仪能够 精确测定陀螺轴指向H前，陀螺仪发展已经进入第四个阶段，即激光陀螺，静 电陀螺，振动陀螺广泛应用在未来，高灵敏度，高可靠性，结构简单，成木低 廉的光纤陀螺将是主要发展趋势b. 加速度仪加速度计主要用于获取运动体加速度信息假设加速度计处于垂直方向上， 由于地球重力影响，根据牛顿第二定律，只需已知测试元件质量，通过测量测试 元件所受的力，便可求出运动体加速度。

通常记f (specific force)定义为 作用在单位质量的非引力外力，可由加速度计测出H前，工程上常采用具有偏 心质量的摆式加速度，常见有液浮摆式加速度计，陀螺积分加速度计2•惯导平台：用来模拟一•个导航坐标系，把加速度计的测量轴稳定在导航坐标系, 并用模拟的方法给出载体的姿态和方位信息3. 导航计算机：完成导航计算和平台跟踪回路中指令角速度信号的计算4•输入输出单元：给定初始参数及系统需要的其他参数，并显示各种导航信息六•惯性导航技术的分类按照惯性导航仪表的安装方式，可以将惯性导航系统分为：1 •平台式惯性导航系统：将陀螺仪和加速度计安装在一个稳定平台上，以平台坐 标系为基准，测量运载体运动参数的惯性导航系统平台式惯导系统原理图2. 捷联式惯性导航系统：加速度计和陀螺仪直接安装在运动载体上，惯导平台的功能由计算机来完成，有时也称作“数学平台”； J捷联式惯导系统原理图七、 惯性导航的优缺点惯性导航系统的优点：1•由于它是不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射 能量的自主式系统，故隐蔽性好，也不受外界电磁干扰的影响2.可全天候、全 吋间地工作于空小、地球表面乃至水下3.能提供位置、速度、航向和姿态角数 据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低。

4•数据更新率高、短期精度和稳定 性好缺点：1•由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精 度差2.每次使用之前需要较长的初始对准吋间3.设备的价格较昂贵4•不能 给出吋间信息八、 惯性导航系统在各个领域的应用（一）惯性导航系统在军事上应用第二次世界大战期间，德国在V2导弹采用两个双自由度陀螺仪和一个陀螺 积分加速度计组成惯性导航系统，这是惯性导航技术在导弹制导上的首次利用 近年来，由于惯性器件性能和制造水平不断提高，惯性导航系统在军事上应用更 加广泛，主耍集中在导弹制导，复杂条件下战斗机导航，高能激光武器的瞄准, 空间飞行器控制等领域二） 惯性导航系统在航海上应用自1908年三月德国科学家安修茨设计的单转子摆式陀螺罗经首次在航海上 应用，至今一百多年来，惯性导航系统在航海导航的应用取得了不断进步和成功 美国海军于1978年将Sperry Marine公司生产的MK16 MOD II型陀螺稳定器装 备于导弹驱逐舰上，2005 - 2006年Sperry为加拿大海军的4艘潜艇装配了 MK 49,环形激光陀螺捷联惯性导航系统AN/WSN27型则于2000年开始大规模生产并 装备美国海军舰艇，代表了惯性技术发展的最新水平。

三） 组合导航技术组合导航技术是指利用运动载体上两种或者两种以上导航设备提供的多重 数据，求解位置，速度和姿态等多种导航信息，从而使多种导航设备能达到优势 互补，提高精度的H的组合的核心任务是利用滤波器估计导航参数或导航参数 的误差卡尔曼滤波器在组合导航系统的实现中有着卓有成效的应用在组合导航系 统中应用卡尔曼滤波技术，即在导航系统某些测量输出量的基础上，利用卡尔曼 滤波去估计系统的各种误差状态，并用误差状态的估计值去校正系统，以达到系 统组合的F1的FI前，惯性导航系统与GPS结合最为广泛这种组合，充分发挥了两个系统 的优点，单天线GPS不能提供姿态信息，而惯导系统可以，GPS的输出频率i般 低于20Hz,但是惯导系统的输出频率一般大于50Hz,所以在动态较高的应用中， 惯导提供了更多的信息另外在GPS系统出现故障的情况下，比如在城市环境中, GPS信号受遮挡，不能提供位置和速度信息的时候，惯导系统依然能够在一定时 间弥补GPS的这个缺点同吋由于惯导系统的误差是积累的，所以单独的惯导 系统不能够长吋间工作，否则解算的结果会飘的很严重，GPS的误差是不积累的, 可以用于校正惯导系统的误差。

值得一提的是，我国正在建设和运行的北斗导航系统，也可与惯性导航系统 采用深组合方式组成组合导航系统，从而更加充分地发挥我国自主研发北斗导航 系统作用，有效提高定位精度和系统可靠性四） 惯性导航系统在民用领域的应用惯性导航现在主要用的地方还是军工，因为高精度的导航系统实在成本太 高，一般民用的很难承受但是随着计算机技术和材料的发展，现在有光纤陀螺 和微机械惯导，这些都是低成本的，完全可以用在民用车辆，或者i些小型无人 机上和小型机器人上九、惯性导航系统发展趋势1. 惯性测量传感器的发展趋势就全球发展现状而言，现有的惯性传感器已经可以满足半前各种不同导航任 务的精度指标要求未来的主要H标是降低器件的成本、体积/重量和功耗等, 具体包插以下儿个方面:a.材料和工艺：生产厂商采用低劳动密集型生产模式和批量处理技术，选用硅片、石英、或结合光电材料（如锐酸锂）等新型材料，制造惯性传感器b・成本：包括产品自身成本和操作维护费用由于大规模的批量牛产，惯性传感器成本在大幅下降c・体积：惯性测量传感器在不断向轻量化、小型化、微型化方向发展；未来一・些新型的惯性传感器将无法用肉眼识另叽d.研究热点：一方面集中在小型化MEMS惯性器件的性能提高和有效封装上。