第二章無人機單一導航技術(shù)

1、第2章 無人機的單一導航技術(shù)目前在無人機上采用的導航技術(shù)主要包括慣性導航、衛(wèi)星導航、多普勒導航、地形輔助導航以及地磁導航等。這些導航技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點，因此，在無人機導航中，要根據(jù)無人機任務需求的不同來選擇合適的導航技術(shù)。 慣性導航系統(tǒng)(Inertial Navigation System，INS)作為一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導航系統(tǒng)。其工作環(huán)境可不受地域的限制，這種自主式導航系統(tǒng)主要通過測量加速度、角速度來推算飛行器的速度、位置等導航信息。2.1 慣性導航在運載體上安裝陀螺儀和加速度計，經(jīng)過計算(一次積分和二次積分)，從而求得運動軌道(載體的運動速度和距離)，進行導

2、航的技術(shù)，稱為慣性導航。利用慣性導航求得運動軌道(運載體運動的速度和距離)，并且產(chǎn)生對運載體運動所需要的控制信號，控制運載體按要求彈道運動，稱為慣性制導。作為一種自主式的導航方法，慣性導航是完全依靠載體上的設備自主地確定出載體的航向、位置、姿態(tài)、和速度等導航參數(shù)，并不需要任何的外界信息。因此，慣性導航系統(tǒng)具有隱蔽性好、全天候工作能力等獨特優(yōu)點，對飛行器、艦船和地面移動載體（特別是用于軍事目的）等尤為重要。近年來由于捷聯(lián)技術(shù)在慣導系統(tǒng)中的應用為慣導系統(tǒng)在民用領(lǐng)域中的應用和發(fā)展開辟了更廣闊的前景。 2.1.1慣性導航的結(jié)構(gòu)慣性導航作為一個自主的空間基準保持系統(tǒng)，從原理上講，各種類型的慣性導航系統(tǒng)都

3、可以用幾何學的觀點來解釋，它應由以下兩個分系統(tǒng)所組成：（1）指示當?shù)氐卮咕€方向的分系統(tǒng)。它是通過測定艦船所在的重力方向，再對重力偏差角進行修正，以獲取大地參考橢球上該點的位置。（2）保持慣性空間基準的分系統(tǒng)。它是通過指示地球自轉(zhuǎn)軸的方向，來確定地心慣性坐標系。 有了地球自轉(zhuǎn)軸方向和當?shù)卮咕€方向之間的幾何關(guān)系，即可確定艦船導航所需的經(jīng)緯度值。在慣性導航系統(tǒng)中，用加速度計測量當?shù)氐卮咕€的方向，用陀螺儀測量地球自轉(zhuǎn)軸的方向，把所測到的這些參數(shù)連同事先給出的時間、引力場、初始位置和初始速度一起送入導航計算機，即可實時計算出載體相對所選擇的導航參考坐標系的位置。所以說，兩個慣性敏感器（陀螺儀和加速度計）

4、是慣性導航系統(tǒng)中的核心部分。加速度計又稱比力接收器，它是以牛頓慣性定律作為理論基礎(chǔ)的，它可以敏感和測量運動體沿一定方向的比力（即運動體的絕對加速度和引力加速度之差）。測量加速度的方法很多，有機械的、電磁的、光學的、放射線的等等。按照作用原理和結(jié)構(gòu)的不同，慣性系統(tǒng)用加速度計可分為兩大類，即機械加速度計和固態(tài)加速度計。 慣性導航系統(tǒng)通常由慣性測量裝置、計算機、控制顯示器等組成。慣性測量裝置包括加速度計和陀螺儀，又稱慣性導航組合。3軸陀螺儀用來測量飛行器的沿3個軸做轉(zhuǎn)動運動的角速度；3個加速度計用來測量飛行器的3個平移運動的加速度；計算機根據(jù)測得的加速度和角速度計算出飛行器的速度和位置；控制顯示器顯

5、示各種導航參數(shù)。 慣性測量裝置用來測量載體的線運動和角運動參數(shù)，并通過接口電路將測量數(shù)據(jù)發(fā)送給導航計算機。導航計算機是軟件的載體，有兩項主要功能：在初始對準階段，接收來自慣性測量裝置的測量信號（陀螺和加速度計的輸出信號），并借助“對準軟件”完成慣導系統(tǒng)的初始對準，即建立導航坐標系；在導航階段，接收慣性測量裝置的測量信號，并借助“導航軟件”完成導航計算。導航計算又有兩項使命：第一，維持平臺坐標系的空間指向（跟蹤導航系）；第二，解算導航參數(shù)、為載體定位，并通過接口電路將導航參數(shù)發(fā)送給控制系統(tǒng)（或顯示器）。 下面介紹慣性導航的三個主要部件陀螺儀、加速度計和慣導平臺。（一）陀螺儀傳統(tǒng)意義上的陀螺儀是安

6、裝在框架中繞回轉(zhuǎn)體的對軸高速旋轉(zhuǎn)的物體。陀螺儀具有穩(wěn)定性和進動性，利用這些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角偏差的位置陀螺。由于光學、MEMS等技術(shù)被引入陀螺儀的研制，現(xiàn)在習慣上把能夠完成陀螺功能的裝置稱為陀螺。 陀螺儀種類多種多樣，按陀螺轉(zhuǎn)子主軸所具有的進動自由度數(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，撓性陀螺(動力調(diào)諧式撓性陀螺儀)，靜電陀螺；按物理原理分為利用高速旋轉(zhuǎn)體物理特性工作的轉(zhuǎn)子式陀螺，和利用其他物理原理工作的半球諧振陀螺、微機械陀螺、環(huán)形激光陀螺和光纖陀螺等。 在平臺式慣導系統(tǒng)中，用陀螺來穩(wěn)定裝有加速度計的平臺，而產(chǎn)

7、生平臺漂移的主要因素是陀螺漂移，因此，對陀螺漂移值的大小提出一定的限制。對于捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)，除了上述的要求之外，還必須對陀螺儀提出速率范圍，標度系數(shù)的精度、帶寬等特殊要求。根據(jù)陀螺儀應用場合的不同，對其漂移速度的要求也不盡相同，這與應用的情況，系統(tǒng)的精度要求，使用時間的長短等因素有關(guān)。在同一個系統(tǒng)的應用中，采取不同的設計方案時，亦會對陀螺的精度提出不同的要求。就使用對象來劃分，戰(zhàn)術(shù)彈和火力控制用陀螺儀，漂移速度大于0.1度h，巡航彈用陀螺儀，漂移速度約在0.01度h至0.001度h，彈道導彈用陀螺儀，約在0.001度h左右。此外，對用于半解析式慣導系統(tǒng)中的陀螺儀，由于需要對陀螺進行精確控制

8、，對陀螺中的力矩發(fā)生器的線性度提出了嚴格的要求。 （二）加速度計加速度計是慣性導航系統(tǒng)的核心元件之。依靠它對比力的測量，完成慣導系統(tǒng)確定載體的位置、速度以及產(chǎn)生跟蹤信號的任務。載體加速度的測量必須十分準確地進行，而且是在由陀螺穩(wěn)定的參考坐標系中進行。在不需要進行高度控制的慣導系統(tǒng)中，只要兩個加速度計就可以完成上述任務。加速度計的基本工作原理為牛頓第二定律。 加速度計的分類：按照輸入與輸出的關(guān)系可分為普通型、積分性和二次積分型；按物理原理可分為擺式和非擺式，擺式加速度計包括擺式積分加速度計、液浮擺式加速度計和撓性擺式加速度計，非擺式加速度計包括振梁加速度計和靜電加速度計；按測量的自由度可分為單軸

9、、雙軸、三軸；按測量精度可分為高精度、中精度和低精度三類。 此外，MEMS技術(shù)的發(fā)展促使微加速度計制作技術(shù)越來越成熟，國內(nèi)外都將微加速度計開發(fā)作為MEMS技術(shù)產(chǎn)品化的優(yōu)先項目。與通常的加速度計相比，微加速度計具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高等優(yōu)點，因此可被廣泛運用于航空航天、汽車工業(yè)、工業(yè)自動化及機器人等領(lǐng)域，也給加速度計的發(fā)展帶來了新的機遇。 常見的微加速度計按敏感原理的不同可分為：壓阻式、壓電式、隧道效應式、電容式以及熱敏式等；按照工藝方法又可分為體硅工藝微加速度計和表面工藝微加速度計。自1977年美國斯坦福大學首先利用MEMS技術(shù)制作了一種開環(huán)微加速度計以來，國內(nèi)外已開發(fā)出了

10、各種結(jié)構(gòu)和原理的微加速度計。國外一些公司已經(jīng)實現(xiàn)了部分類型微加速度計的產(chǎn)品化，例如美國AD公司1993年就開始批量化生產(chǎn)基于平面工藝的電容式微加速度計。 （三）慣導平臺慣導平臺是慣性導航系統(tǒng)的核心部件，它的作用是為整個慣性系統(tǒng)提供載體比力的大小和方向，或者說，把載體的比力矢量沿導航坐標系分解為相應的比力分量，如圖2.1.1所示。 圖2.1.1 慣導平臺為了做到這一點，有兩種方案可行。一是“捷聯(lián)方式”，二是“平臺方式”。在捷聯(lián)方式時，加速度計直接安裝在載體上，測量沿著與載體固連的坐標系軸方向的比力。為了要知道每一瞬間軸坐標系相對計算坐標系的方向，必須在載體上安裝陀螺儀。這種陀螺儀應當能夠以很高的

11、精度在很大的測量范圍內(nèi)測量載體的旋轉(zhuǎn)角速度。 2.1.2慣導系統(tǒng)中常用的坐標系（一）慣性坐標系（簡稱i系）在慣性導航中，慣性坐標系是一個十分重要的概念。按照牛頓力學的定義，它是加速度矢量恒為零的“絕對空間”，或者絕對靜止、或者作嚴格意義上的勻速直線運動。但這一定義只有數(shù)學意義，因為在自然界中，找不到一個絕對靜止、或者作勻速直線運動的物體作為參照物。在實際的工程問題中，只能根據(jù)所研究問題的性質(zhì)和所要求的導航精度，選取一個近似靜止的參照物作為慣性參考系。 在慣性技術(shù)領(lǐng)域，常用的慣性系有兩個：一個是以太陽中心為坐標原點的“日心慣性系”，三根坐標軸分別指向三個恒星；另一個是，以地球中心為坐標原點的“地

12、心慣性系”，一根坐標軸沿地球的極軸（自轉(zhuǎn)軸）、另外兩根軸在地球的赤道平面內(nèi)，三根軸正交，并分別指向宇宙空間的三個恒星，記為oxiyizi，如圖2.1.2（a）所示。請注意，地心慣性系與地球不是固連的、不跟隨地球一起旋轉(zhuǎn)。日心慣性系多應用于天文觀測和空間飛行器中；地心慣性系多應用于相對地球表面運動的航行體（例如，飛機、導彈、艦船和戰(zhàn)車等）。這里以地心慣性系作為參考基準。 圖2.1.2 坐標系示意圖（二）地球坐標系（簡稱e系）地球的表面形狀十分復雜，而且質(zhì)量分布也不均勻，通常將其近似地看成一個旋轉(zhuǎn)的橢球體。但為了簡化分析和計算，在精度允許的范圍內(nèi)，可進一步將其簡化成一個理想的圓球體。在慣性導航中，

13、用地球坐標系代替地球參與各種分析與計算?；蛘哒f，地球坐標系是地球的數(shù)學抽象。 地球坐標系的坐標原點取在地球的中心，并與地球固連。ze軸沿地球的極軸，指向北極為正，其余兩根軸在地球的赤道平面內(nèi)。xe軸為零度子午面與赤道平面的交線，由地心向外指為正；ye軸為東經(jīng)90子午面與赤道平面的交線，同樣由地心向外指為正。三根軸共同構(gòu)成右手直角坐標系oxeyeze，如圖2.1.2（a）所示。請注意，地球坐標系與地球固連，隨地球一起旋轉(zhuǎn)。 （三）載體坐標系（簡稱b系）載體坐標系與載體（航行體）固連，是載體的數(shù)學抽象，代替載體參與分析計算。載體坐標系的坐標原點取在載體的質(zhì)心，一根軸與載體的縱向?qū)ΨQ軸重合，指向前方

14、為正，稱為縱軸（xb軸）；第二根軸在載體的縱向?qū)ΨQ平面內(nèi)與縱軸垂直，指向上方為正，稱為豎軸、或立軸（yb軸）；第三根軸垂直于載體的縱向?qū)ΨQ平面，其指向按右手系的規(guī)定確定，稱為橫軸、或側(cè)軸（zb）?？紤]到載體的多樣性，如果載體為導彈，則載體系就是彈體系；如果載體為飛機，則載體系就是機體系。 （四）地理坐標系（簡稱t系）地理坐標系的原點取在航行體的質(zhì)心，隨航行體一起運動，但與載體不固連。一根軸與當?shù)氐牡卮咕€重合，但其取向比較隨意，可以“指天為正”、也可以“指地為正”。其余兩根軸位于當?shù)氐乃矫鎯?nèi)，一根指北、另一根指東。三根軸的命名沒有統(tǒng)一的規(guī)定，可根據(jù)需要確定。例如，xt軸在當?shù)厮矫鎯?nèi)指東、yt

15、軸沿當?shù)刈游缇€指北、zt軸沿當?shù)氐牡卮咕€指天，則稱該坐標系為“東北天”地理坐標系，如圖2.1.2（a）所示。反過來，如果將北向命名為xt軸，將東向命名為yt軸，那么按照右手坐標系的規(guī)則，zt軸沿地垂線指地為正，稱這樣的坐標系為“北東地”地理坐標系。要特別注意的是，地理坐標的定義不同，投影的結(jié)果也不同。 圖2.1.2（a）中的為當?shù)亟?jīng)度，為當?shù)鼐暥?。由于工程界?jīng)常采用經(jīng)度和緯度來表示航行器在地球表面的地理位置，所以又稱地理坐標系為“經(jīng)緯度坐標系”。國際上統(tǒng)一規(guī)定，通過英國“格林威治”天文臺的子午線為零度子午線，也稱為“本初子午線”。本初子午線與地球極軸構(gòu)成的平面，稱為“本初子午面”。本初子午面與

16、當?shù)刈游缑娴膴A角，稱為“經(jīng)度”。地垂線與赤道平面之間的夾角，稱為“緯度”。赤道平面的平行面與地球表面的交線，稱為“緯度圈”。 （五）目標方位坐標系（簡稱d系）目標方位坐標系，主要用于短程、戰(zhàn)術(shù)導彈的慣導系統(tǒng)。引入這個坐標系的目的，是為了簡化導航方程，從而減少計算量。坐標原點取在過導彈發(fā)射點和目標點的地球大圓上，并且隨著導彈的飛行，在該大圓上同步移動。xd軸始終與大圓相切并指向目標點（目標方位）；yd軸在大圓平面內(nèi)，始終與過坐標系原點的地垂線重合，指天為正；z d軸垂直于大圓平面，其指向按右手系配置，如圖2.1.2（b）所示。由于該坐標系以地球大圓為基準，故又稱為“大圓坐標系”。 另外，由于地理

17、坐標系的oxtyt平面與大圓坐標系的ozdxd平面都在當?shù)氐牡仄矫鎯?nèi)（與地球表面相切），所以又稱這兩個坐標系為“切平面坐標系”。二者的坐標原點均與載體的質(zhì)心重合（但不固連），其差別僅在于切平面內(nèi)的一個方位角k，如圖2.1.3所示。 圖2.1.3 地理坐標系與大圓坐標系的關(guān)系（六）導航坐標系導航坐標系，是慣性測量和導航計算的基準。不同的航行器、不同的導航系統(tǒng)、不同的任務使命，所使用的導航坐標系，一般來說是不同的。上述的地理坐標系和大圓坐標系，就是兩種較為常用的導航坐標系。地理坐標系多應用于飛機和遠距離飛行的巡航導彈，而大圓坐標系多應用于近距離飛行的戰(zhàn)術(shù)導彈?！暗貙Φ貙棥蓖ǔ２捎脩T性系作為導航坐

18、標系。無論選擇什么樣的導航坐標系，其目的只有一個：簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和導航計算過程，最終的目的是降低研制成本。 （七）平臺坐標系（簡稱P系）平臺坐標系用來模擬導航坐標系，在平臺式慣導系統(tǒng)中，平臺坐標系就是真實的物理平臺；在捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)中，則代表虛擬的數(shù)學平臺。在對慣導系統(tǒng)進行誤差分析時，還需將平臺坐標系區(qū)分為“理想平臺系”和“實際平臺系”。理想平臺系，代表沒有誤差的平臺，就是前面定義的導航坐標系。但由于制造誤差和干擾因素的存在，實際的物理平臺是有誤差的，與理想平臺（定義的坐標系）是不重合的，故稱為“實際平臺系”。在捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)中，由于計算機的計算也是有誤差的，用軟件得到的坐標轉(zhuǎn)換矩陣稱為“計算平

19、臺系”，相當于平臺式慣導的“實際平臺系”。 2.1.2慣性導航的發(fā)展由于陀螺儀是慣性導航的核心部件，因此，可以按各種類型陀螺出現(xiàn)的先后、理論的建立和新型傳感器制造技術(shù)的出現(xiàn)，將慣性技術(shù)的發(fā)展劃分為四代，但是慣性技術(shù)發(fā)展的各階段之間并無明顯界線。第一代慣性技術(shù)指1930年以前的慣性技術(shù)。自1687年牛頓三大定律的建立，并成為慣性導航的理論基礎(chǔ)；到1852年，傅科(Leon Foucault)提出陀螺的定義、原理及應用設想；再到1908年由安修茨(Hermann AnschtzKaempfe)研制出世界上第一臺擺式陀螺羅經(jīng)，以及1910年的舒勒(Max Schuler)調(diào)諧原理；第一代慣性技術(shù)奠定

20、了整個慣性導航發(fā)展的基礎(chǔ)。 第二代慣性技術(shù)開始于上世紀40年代火箭發(fā)展的初期，其研究內(nèi)容從慣性儀表技術(shù)發(fā)展擴大到慣性導航系統(tǒng)的應用。首先是慣性技術(shù)在德國V-II火箭上的第一次成功應用。到50年代中后期，0.5n mileh的單自由度液浮陀螺平臺慣導系統(tǒng)研制并應用成功。1968年，漂移約為0.005h的G6B4型動壓陀螺研制成功。這一時期，還出現(xiàn)了另一種慣性傳感器-加速度計。在技術(shù)理論研究方面，為減少陀螺儀表支承的摩擦與干擾，撓性、液浮、氣浮、磁懸浮和靜電等支承懸浮技術(shù)被逐步采用；1960年激光技術(shù)的出現(xiàn)為今后激光陀螺(RLG)的發(fā)展提供了理論支持；捷聯(lián)慣性導航(SINS)理論研究趨于完善。 7

21、0年代初期，第三代慣性技術(shù)發(fā)展階段出現(xiàn)了一些新型陀螺、加速度計和相應的慣性導航系統(tǒng)(INS)，其研究目標是進一步提高INS的性能，并通過多種技術(shù)途徑來推廣和應用慣性技術(shù)。這一階段的主要陀螺包括：靜電陀螺(ESG)、動力調(diào)諧陀螺(DTG)、環(huán)形激光陀螺(RLG)、干涉式光纖陀螺IFOG等。ESG的漂移可達10-4h；DTG的體積小、結(jié)構(gòu)簡單，隨機漂移可達0.01h量級； 基于Sagnac干涉效應的RLG和捷聯(lián)式激光陀螺慣導系統(tǒng)(SINS)在民航方面得到應用，導航精度可達0.1n mileh。除此之外，超導體陀螺、粒子陀螺、音叉振動陀螺、流體轉(zhuǎn)子陀螺及固態(tài)陀螺等基于不同物體原理的陀螺儀表相繼設計成

22、功。80年代，伴隨著半導體工藝的成熟和完善，采用微機械結(jié)構(gòu)和控制電路工藝制造的微機電系統(tǒng)(MEMS)開始出現(xiàn)。 當前，慣性技術(shù)正處于第四代發(fā)展階段，其目標是實現(xiàn)高精度、高可靠性、低成本、小型化、數(shù)字化、應用領(lǐng)域更加廣泛的導航系統(tǒng)。一方面，陀螺的精度不斷提高，漂移量可達10-6/h ；另一方面，隨著RLG、FOG、MEMS等新型固態(tài)陀螺儀的逐漸成熟，以及高速大容量的數(shù)字計算機技術(shù)的進步，SINS在低成本、短期中精度慣性導航中呈現(xiàn)出取代平臺式系統(tǒng)的趨勢。在慣性技術(shù)發(fā)展的歷史過程中，Draper驗室、Sperry、原Litton、Delco、Honeywell、Kearfott、Rockwell、G

23、E(General Electric)以及其它一些公司和研究機構(gòu)，對慣性技術(shù)的成熟和廣泛應用做出了較大貢獻。 2.1.3慣性導航的工作原理與分類慣性導航是以牛頓力學定律為基礎(chǔ)，依靠安裝在載體（飛機、艦船、火箭等）內(nèi)部的加速度計和陀螺儀測量載體在三個軸向的運動加速度和角速度，經(jīng)積分運算得出載體的瞬時速度和位置，以及測量載體姿態(tài)的一種導航方式。從物理意義上來解釋，慣性導航是一門信息科學，也可以說它是一個信息處理系統(tǒng)。根據(jù)牛頓慣性定律，當載體相對慣性空間以加速度a運動時，可以用載體中的加速度計測出作用在單位質(zhì)量上慣性力和引力的矢量和的大小，即比力的大小。 MSF = ma mg (式2.1)式中 S

24、F 加速度計檢測質(zhì)量受到的比力； m 感受加速度的檢測質(zhì)量； a 載體的運動加速度； g 地球的引力加速度。式2.1表明，通過載體上加速度計測出比力后，在載體內(nèi)部不必依賴外界信息而只是通過慣性元件即可測得載體相對慣性坐標系的加速度。當知道了載體的初始位置和初始速度后，只要對該加速度進行兩次積分便可以分別先后獲取該載體定位所需要的速度和位置信息。 慣性導航系統(tǒng)可分為平臺式慣性導航系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)兩大類。前者是將陀螺儀和加速度計安裝在一個穩(wěn)定平臺上，以平臺坐標系為基準測量運載體運動參數(shù)的慣性導航系統(tǒng)；后者是將慣性敏感器（陀螺和加速度計）直接安裝在運載體上，不再需要穩(wěn)定平臺和常平架系統(tǒng)的慣性

25、導航系統(tǒng)。 一、平臺式慣性導航平臺式慣性導航系統(tǒng)，根據(jù)建立的坐標系不同，又分為空間穩(wěn)定和本地水平兩種工作方式?？臻g穩(wěn)定平臺式慣性導航系統(tǒng)的臺體相對慣性空間穩(wěn)定，用以建立慣性坐標系。地球自轉(zhuǎn)、重力加速度等影響由計算機加以補償。這種系統(tǒng)多用于運載火箭的主動段和一些航天器上。 本地水平平臺式慣性導航系統(tǒng)的特點是臺體上的兩個加速度計輸入軸所構(gòu)成的基準平面能夠始終跟蹤飛行器所在點的水平面（利用加速度計與陀螺儀組成舒拉回路來保證），因此加速度計不受重力加速度的影響。這種系統(tǒng)多用于沿地球表面作等速運動的飛行器（如飛機、巡航導彈等）。在平臺式慣性導航系統(tǒng)中，框架能隔離飛行器的角振動，儀表工作條件較好。平臺能直

26、接建立導航坐標系，計算量小，容易補償和修正儀表的輸出，但結(jié)構(gòu)復雜，尺寸大。 需要注意的是，慣性導航系統(tǒng)的導航精度與地球參數(shù)的精度密切相關(guān)。高精度的慣性導航系統(tǒng)須用參考橢球來提供地球形狀和重力的參數(shù)。由于地殼密度不均勻、地形變化等因素，地球各點的參數(shù)實際值與參考橢球求得的計算值之間往往有差異，并且這種差異還帶有隨機性，這種現(xiàn)象稱為重力異常。正在研制的重力梯度儀能夠?qū)χ亓鲞M行實時測量，提供地球參數(shù)，解決重力異常問題。 （一）平臺的結(jié)構(gòu)與組成（1）平臺的框架結(jié)構(gòu)陀螺穩(wěn)定平臺是平臺式慣導系統(tǒng)的核心部件，按其具有的環(huán)架數(shù)又可將其劃分為雙環(huán)、三環(huán)和四環(huán)平臺。雙環(huán)平臺極為少見，三環(huán)平臺廣泛應用于導彈、飛機

27、和船舶上，四環(huán)平臺基本上只用在飛機上。由于飛機要做大姿態(tài)（俯仰角接近90）機動飛行，有可能造成三環(huán)平臺的滾動軸與方位軸重合，從而喪失一個自由度（不能夠恢復三軸正交的狀態(tài)），稱這種現(xiàn)象為三環(huán)平臺的“環(huán)架自鎖”。 為了克服這一現(xiàn)象，通常在飛機上采用四環(huán)平臺。所謂四環(huán)平臺，是在三環(huán)平臺的基礎(chǔ)上再增加一個“外橫滾環(huán)”，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.1.4所示。 圖2.1.4四環(huán)平臺的結(jié)構(gòu)示意圖其中，外滾環(huán)和方位環(huán)，均具有360的自由度；內(nèi)滾環(huán)一般只具有20左右的自由度；俯仰環(huán)應具有90以上的自由度。由圖2-3可知，平臺的臺體中就是方位環(huán)、與方位軸固連，方位軸垂直于臺體平面，靠裝配工藝保證；內(nèi)滾環(huán)與內(nèi)滾軸固連，內(nèi)

28、滾軸與方位軸正交、共面（在內(nèi)滾環(huán)平面內(nèi)），靠裝配工藝保證；俯仰環(huán)與俯仰軸固連，俯仰軸與內(nèi)滾軸正交、共面（在俯仰環(huán)平面內(nèi)），靠裝配工藝保證；外滾環(huán)與外滾軸固連，外滾軸與載體的縱軸x b保持一致，外滾軸與俯仰軸正交、共面（在外滾環(huán)平面內(nèi)），同樣靠裝配工藝保證。 由圖2.1.4還可知，俯仰軸位于俯仰環(huán)平面與外滾環(huán)平面的交線上，在俯仰環(huán)平面內(nèi)與內(nèi)滾軸正交、共面；且在外滾環(huán)平面內(nèi)與外滾軸正交、共面，但俯仰軸與方位軸的空間關(guān)系是不確定的。 （2）加速度計組合與陀螺組合平臺的臺體與平臺坐標系oxpypzp是固連的，或者說臺體就是平臺坐標系的物理實現(xiàn)，而平臺坐標系又是臺體的數(shù)學抽象。yp軸垂直于臺面，就是方位

29、軸。xp軸和zp軸同處于臺體平面內(nèi)，而且正交，三根坐標軸共同構(gòu)成右手直角坐標系。在平臺的臺體上，固定安裝了加速度計組合和陀螺組合。加速度計組合由三個正交的加速度計構(gòu)成，測量軸與平臺坐標系保持一致。陀螺組合可以由三個正交的單自由度陀螺構(gòu)成，也可以由兩個雙自由度陀螺構(gòu)成。每個雙自由度陀螺具有兩根測量軸，多余的一根軸需要通過專門的電路鎖在零位。陀螺組合的三根測量軸必須正交安裝、并與平臺坐標系保持一致，而且與加速度計組合的測量軸保持平行。 雙自由度陀螺的多余軸存在漂移，如果放任不管，時間長了會導致轉(zhuǎn)子碰檔、進動，進而造成平臺翻倒（倒臺）。因此，通常采用“力矩反饋回路”將其鎖在零位，與平臺坐標系保持一致

30、，而且與加速度計組合的測量軸保持平行，如圖2.1.5所示。 圖2.1.5力矩反饋回路示意圖由圖2.1.5可知，信號器和力矩器不在同一根軸上，當多余軸產(chǎn)生漂移后，多余軸的信號器（裝在有用軸上）輸出與漂移成比例的電壓信號，再經(jīng)鎖定放大器解調(diào)、校正、放大后，輸出與之成比例的加矩電流，并注入到力矩器（裝在多余軸上）中，使轉(zhuǎn)子繞有用軸進動，直到多余軸的信號器歸零時為止。雙自由度陀螺（自由陀螺）的命名，通常以轉(zhuǎn)子軸（動量矩軸）為準。 轉(zhuǎn)子軸沿平臺方位軸安裝的陀螺，稱為“垂直陀螺”，它的兩根測量軸與平臺坐標系的兩根水平軸保持一致，用來感測臺體相對水平面的偏角。轉(zhuǎn)子軸位于臺體平面內(nèi)的陀螺，稱為“水平陀螺”（相

31、對垂直陀螺而言），它的一根測量軸與平臺的方位軸保持一致，用來感測臺體繞方位軸的偏角。另一根測量軸位于臺體平面內(nèi)，并且與轉(zhuǎn)子軸垂直。由于水平陀螺的主要用途是用來感測臺體繞方位軸的偏角，所以又稱為“方位陀螺”。 單自由度陀螺（速率陀螺）的命名，通常以測量軸為準。測量軸與方位軸一致的陀螺，稱為“方位陀螺”；測量軸位于臺體平面內(nèi)的陀螺，稱為“水平陀螺”。要特別注意兩種定義方法的區(qū)別，“方位陀螺”的含義基本上是一致的，但“水平陀螺”的含義相去甚遠，單自由度水平陀螺的功能，相當于雙自由度“垂直陀螺”的功能。 （3）姿態(tài)角傳感器與力矩電機在方位軸、內(nèi)滾軸、俯仰軸和外滾軸的兩端，分別裝有一個角度傳感器（線性旋

32、轉(zhuǎn)變壓器）和一個力矩電機。方位軸上的角度傳感器輸出載體的航向角 ；俯仰軸上的角度傳感器輸出載體的俯仰角 ；外滾軸上的角度傳感器輸出載體的橫滾角；這三個角度傳感器統(tǒng)稱為“姿態(tài)角傳感器”。內(nèi)滾軸上的角度傳感器，只用于外滾環(huán)的控制，不對外輸出信號。 力矩電機用來驅(qū)動各自對應的環(huán)架，但又不同于傳統(tǒng)的伺服電機。傳統(tǒng)伺服電機的特點是，高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩、啟動慢（加速到額定轉(zhuǎn)速所需的時間較長）；力矩電機則剛好相反，低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩、啟動快（瞬間啟動）。因此，力矩電機不需要既大、且重的減速器，能夠直接驅(qū)動平臺的環(huán)架組合件。由于沒有減速器，平臺的轉(zhuǎn)位精度才可以做得很高。 （二）初始對準的基本概念平臺式慣導系統(tǒng)之所以需

33、要一個平臺，是為了給加速度計提供一個良好的工作環(huán)境和測量基準。然而，平臺沒有鎖定機構(gòu)，在剛通電工作時，各環(huán)架和臺體并沒有處于指定位置，無法提供基準。因此，在慣導系統(tǒng)執(zhí)行任務之前，必須采取技術(shù)手段將平臺調(diào)整到指定的狀態(tài)，使平臺坐標系與導航坐標系對齊，這就是平臺的初始對準。 （1）導航前的準備慣導系統(tǒng)在執(zhí)行任務之前，除了要完成初始對準之外，還必須通過接口電路將載體的初始速度和初始位置、任務區(qū)域的重力場參數(shù)、以及時間基準等，發(fā)送給慣導系統(tǒng)的導航計算機，這一過程稱為“參數(shù)裝訂”。 導航計算機在對加速度進行積分計算之前，必須知道載體的初始速度和初始位置，統(tǒng)稱為“積分初條件”。在導航開始時刻，如果載體是靜

34、止的，稱為“靜基座”，初始速度為零、初始位置就是當?shù)氐慕?jīng)緯度。在導航開始時刻，如果載體是運動的，稱為“動基座”，載體的速度和位置是連續(xù)變化的，必須由外部的基準導航系統(tǒng)提供。然而，外部提供的初條件是有誤差的，而且是慣導系統(tǒng)的主要誤差源之一，因此提供初條件的基準導航系統(tǒng)必須具有更高的導航精度。 由加速度計的測量原理可知，在垂直加速度計的測量信號中包含有由慣性力（ ）造成的“+g”，在進行積分計算之前，必須加上一個“-g”對其進行補償，而后才可以進行積分計算。然而，由于各地的地質(zhì)構(gòu)造和地球表面形態(tài)的不同，重力加速度 通常不是常量，需要由外部提供。此外，重力加速度還與地理緯度和高度有關(guān)，隨著緯度的增加

35、而增加、隨著高度的增加而減小。重力加速度的這種因地而異的現(xiàn)象，稱為“重力異?！薄５途鹊膽T導系統(tǒng)，可以不考慮這種差異，將重力加速度視為常量，通常取9.8m/s 2。但高精度的慣導系統(tǒng)必須考慮這種差異，并將任務區(qū)內(nèi)的重力場參數(shù)發(fā)送給慣導系統(tǒng)的導航計算機。 另外，在執(zhí)行任務期間，除慣導系統(tǒng)外，還有其他設備的參與。但不同的設備，具有各自的時鐘。為了實現(xiàn)精確定位，在執(zhí)行任務前必須對這些時鐘的計時起點進行協(xié)調(diào)，類似于日常生活中的“鐘表對時”，也稱為“時統(tǒng)”。 （2）初始對準的指標與分類平臺式慣導系統(tǒng)的初始對準，就是采取技術(shù)手段將平臺坐標系（P系）調(diào)整到與導航坐標系（t 系）重合的狀態(tài)，初始對準的過程就是

36、導航坐標系的建立過程。但元器件和平臺的制造誤差是客觀存在的，二者不可能完全重合，只能做到接近重合。對準完成后，水平誤差一般在10 角秒左右，方位誤差通常在25 角分的范圍內(nèi)。初始對準的主要技術(shù)指標有兩項：對準速度和對準精度。 為了既快又準地實現(xiàn)對準，通常將對準過程劃分為“粗對準”和“精對準”兩個步驟。粗對準在前，首先解決“快速性”的問題，操控平臺盡快地向?qū)Ш较悼繑n，越快越好，特別是軍用慣導系統(tǒng)，對準時間過長會貽誤戰(zhàn)機。粗對準的精度雖然沒有嚴格的要求，但也要具有一定的精度，能為精對準提供一個良好的初條件。否則，精對準的時間可能會很長。精對準在粗對準的基礎(chǔ)上進行，主要解決對準精度的問題，對準時間的

37、長短，取決于任務的重要程度，可以是幾分鐘、數(shù)小時、甚至更長，但對準精度必須滿足規(guī)定的要求。因此，必須合理把握精度與快速性之間的矛盾。 初始對準的方式很多，按照是否需要從外部引入基準信息，可劃分為自主式對準和非自主式對準。只依賴地球的重力矢量（加速度計的測量信號）和地球自轉(zhuǎn)角速率矢量（陀螺的測量信號）實現(xiàn)的對準，稱為自主式對準、或自對準。需要外部設備提供基準信息的對準，稱為非自主式對準、或外對準。外對準，主要指方位對準（確定初始航向），須借助光學、或者機電等手段，將外部提供的北向基準信息引入慣導系統(tǒng)的導航計算機，再由導航計算機控制平臺實現(xiàn)對準。外對準的精度雖然很高，但設備相當復雜、對準時間也較長

38、，只適用于遠程戰(zhàn)略導彈的慣導系統(tǒng)。 根據(jù)中國民用航空局飛行標準司規(guī)定，無人機駕駛航空器（UA：Unmanned Aircraft），簡稱無人機，是一架由遙控站管理（包括遠程操作或自主飛行）的航空器，也稱遙控駕駛航空器。無人機系統(tǒng)（UVS：Unmanned Aircraft System），也稱無人機駕駛航空器系統(tǒng)，是指一架無人機、相關(guān)的遙控站、所需的指揮與管制鏈路以及批準的型號設計規(guī)定的任何其他部件組成的系統(tǒng)。無人機系統(tǒng)包括地面系統(tǒng)、飛機系統(tǒng)、任務載荷和無人機使用保障人員，如圖1.1.1所示。 另外，按照載體是否運動，又可劃分為靜基座對準和動基座對準。靜基座對準，在載體相對地球靜止的情況下進行

39、。由于載體是靜止的，所以在加速度計的輸出中只含有重力加速度的分量，并將其作為誤差信號進行對準，對準過程就是重力加速度分量逐漸趨于零的過程，對準精度取決于加速度計的零位。動基座對準，在運動的載體上進行。此時，在加速度計輸出中，不但含有重力加速度的分量，還有載體的運動加速度和振動噪聲。其中，只有重力加速度分量是有用信號，其余的統(tǒng)稱為“有害加速度”。 如果能夠從加速度計的輸出中將有害成份清除掉，只留下有用部分，那么就可像靜基座一樣進行初始對準，這就是動基座對準的基本思路。通常的作法是，在載體上再安裝一個已經(jīng)對準、并連續(xù)跟蹤導航系的基準慣導系統(tǒng)，也稱“母慣導”。理論上，母慣導的水平加速度計不感測重力加

40、速度的分量，只感測載體的運動加速度和振動噪聲。如果連續(xù)地將母慣導的測量信息傳遞給正在進行對準的子慣導，即可將重力加速度分量分離出來（做減法）并用于子慣導的對準。因此，又稱動基座對準為“傳遞對準”、或“匹配對準”。由于基準信息的形式不同，傳遞對準的方式也有很多，常見的是“速度傳遞對準”。 （三）平臺的表觀運動（1）地球自轉(zhuǎn)引起的表觀運動初始對準初步建立了導航坐標系，此后，如果不再對平臺繼續(xù)施加控制，由于地球自轉(zhuǎn)的存在，即使載體靜止不動，平臺的指向也會自動地偏離地理坐標系，這種現(xiàn)象稱為“地球自轉(zhuǎn)引起的表觀運動”，如圖2.1.6所示。 圖2.1.6表觀運動示意圖（北極俯視圖）如圖2.1.6所示，在子

41、夜零時，將平臺p與地理系對齊，xp軸指東、yp軸指北，隨著地球的自轉(zhuǎn)，二者將逐漸偏離。6個小時后，xp軸指南、yp軸指東；12個小時后，xp軸指西、yp軸指南；18個小時后，xp軸指北、yp軸指西；24個小時后，平臺回復原位，xp軸指東、yp軸指北?；蛘哒f，站在慣性空間的觀察者認為，平臺不動，地理系隨地球一起旋轉(zhuǎn)；而站在地球上的觀察者則認為，地理系不動，平臺在旋轉(zhuǎn)，但旋轉(zhuǎn)的方向與地球相反。 要保持平臺系與導航系始終對齊，就必須對表觀運動進行補償。為此，必須將地球的自轉(zhuǎn)角速率矢量 向地理系上投影。為了便于討論，暫不考慮載體的運動（相對地球靜止）。另外，地理系的定義不同，投影結(jié)果也不同，下面仍以“

42、東北天”地理系為例加以說明。 假設，當?shù)鼐暥葹椋瑬|軸為xt，北軸為yt，天軸（地垂線）為zt，則地球自轉(zhuǎn)角速率 在地理系上的投影為： （式2.2） （2）地理位置變化引起的表觀運動在執(zhí)行導航任務的過程中，由于載體的運動，其地理位置在連續(xù)地變化，任意兩個地點的地垂線、或者地平面是不重合的。如果不對平臺連續(xù)施加控制，即使假想能夠使地球停止轉(zhuǎn)動，但隨著載體的運動，平臺的指向也會自動地偏離導航系，這種現(xiàn)象稱為“地理位置變化引起的表觀運動”，如圖2.1.7所示。 圖2.1.7表觀運動示意圖為了便于說明，圖中將地理系換成了“大圓坐標系”。在初始位置A，平臺系xpypzp與大圓坐標系xdydzd對齊。當載體

43、沿著地球大圓運動到B位置后，由于平臺被穩(wěn)定在慣性空間不動，仍然保持原來的指向不變，但兩地的地垂線不重合，大圓坐標系的指向發(fā)生了變化，于是二者產(chǎn)生了偏離。偏離的角度，就是地垂線的轉(zhuǎn)過的角度。 （四）載體的運動加速度（1）載體空間運動的描述相對地球表面飛行的飛機和導彈，可將其視為在三維空間運動的剛體，其運動狀態(tài)可分解為跟隨質(zhì)心的平行移動和繞質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)運動兩個部分。所謂“平行移動”是指，剛體上任意兩點之間的連線，在運動的過程中始終保持其長度和方向不變，有時也稱為“平動”。由此定義可知，剛體上所有點的運動狀態(tài)是完全相同的，所以才可以用質(zhì)心（具有確定質(zhì)量的空間點）的空間運動代表剛體的平動。 質(zhì)心的空間位

44、置可以用直角坐標（x、y、z）來表示，在不同的坐標系中具有不同的數(shù)值；剛體相對質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)（繞定點轉(zhuǎn)動）可以用廣義歐拉角（ 、 、）來表示，如圖2.1.8所示。 圖2.1.8載體空間運動示意圖 廣義歐拉角是相對“古典歐拉角”而言的，二者的區(qū)別僅在于第三次旋轉(zhuǎn)。如果第三次旋轉(zhuǎn)所繞的轉(zhuǎn)軸是前兩次未曾用過的軸，那么三次旋轉(zhuǎn)得到的三個轉(zhuǎn)角就是“廣義歐拉角”，多應用于陀螺力學中。如果第三次旋轉(zhuǎn)所繞的轉(zhuǎn)軸是第一次旋轉(zhuǎn)已經(jīng)用過的軸，那么三次旋轉(zhuǎn)得到的三個轉(zhuǎn)角就是“古典歐拉角”，多應用于古典力學中。因此，旋轉(zhuǎn)前必須明確規(guī)定轉(zhuǎn)動的順序，而且不可以隨意變更。 （2）載體空間運動的加速度我們知道，載體的平動可以用質(zhì)心

45、的運動來替代，如果從“地心慣性系”的原點（地心e）到載體的質(zhì)心p 引位置矢量 ，那么該矢量的末端就是載體所在的空間位置，如圖2.1.9所示。 圖2.1.9載體空間位置示意圖 為了求取載體相對慣性坐標系的速度和加速度，必須采用矢量微分的哥氏（Coriolis）定理：矢量在靜參考系上的“絕對微分”，等于該矢量在動參考系上的“相對微分”，再加上動參考系的旋轉(zhuǎn)角速率矢量與該矢量的“叉乘積”（兩個矢量的乘積）。根據(jù)哥氏定理，可將載體相對慣性系的運動速度表示如下： （式2.3） 式中的 ，稱為“絕對速度”，是觀察者站在慣性系（靜參考系）中看到的運動，不但能看到地球的自轉(zhuǎn)，而且能看到載體相對地球的運動；下標

46、i表示慣性系。 （二）捷聯(lián)式慣性導航1.概述“捷聯(lián)”（strapdown）這一術(shù)語的英文原意就是“捆綁”的意思，因此所謂捷聯(lián)系統(tǒng)就是將慣性測量的敏感器（陀螺儀與加速度計）直接捆綁在運載體上，從而可實現(xiàn)運動對象的自主導航。 陀螺儀作為角速率傳感器而不是作為角位移傳感器；加速度計的輸入軸不是保持在已知確定方向上，加速度計測量值是運載體瞬時運動方向的加速度值。通過計算機內(nèi)的姿態(tài)矩陣實時解析計算而得到一個“數(shù)學解析平臺”，它同樣可以起到機電結(jié)合的穩(wěn)定平臺所提供的在慣性空間始終保持所要求姿態(tài)的作用。 現(xiàn)代捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)大多數(shù)都使用了高速、大容量的數(shù)字計算機和一些新技術(shù)，所以許多方面它己有逐漸取代平臺

47、式慣性導航系統(tǒng)的趨勢。據(jù)有關(guān)資料報道，美國軍用慣性導航系統(tǒng)1984年全部為平臺式，到了1989年已有一半改為捷聯(lián)式；戰(zhàn)術(shù)導彈的慣性制導系統(tǒng)1954年有83%為平臺式，而到1989年下降到34%；戰(zhàn)略性導航的慣性制導系統(tǒng)1984年有16%為捷聯(lián)式，到1989年己經(jīng)上升到44%，而民用航空方面1984年有70%為捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)，到1989年己上升到90%；而在航海方面，西德利欽夫公司早在1985年就己推出捷聯(lián)式平臺羅經(jīng)。 2.工作原理前面我們已經(jīng)知道捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)中有兩種敏感器件：陀螺儀和加速度計。陀螺儀組件測取沿運載體坐標系3個軸的角速度信號，并被送入導航計算機，經(jīng)誤差補償計算后進行姿態(tài)矩陣

48、計算。加速度計組件測取沿運載體坐標系3個軸的加速度信號，并被送入導航計算機，經(jīng)誤差補償計算后，進行由運載體坐標系至“平臺坐標系”的坐標變換計算。他們沿機體坐標系三軸安裝，并且與機體固連，它們所測得的都是機體坐標系下的物理量。 加速度計測量的是機體坐標系(b系)相對于慣性空間的加速度在機體坐標系中的投影，該測試量也稱為比力。而對于捷聯(lián)慣導系統(tǒng)，導航計算機要在導航坐標系中完成，因此，首先要將機體系中的測試量轉(zhuǎn)換導航坐標系中的物理量，即實現(xiàn)由機體坐標系到導航坐標系的坐標轉(zhuǎn)換。這一轉(zhuǎn)換由姿態(tài)矩陣完成，也就是利用陀螺儀的輸出，即載體相對慣性空間轉(zhuǎn)動的角速率在機體坐標系下的投影計算得到，姿態(tài)矩陣是隨時間的

49、變化而不斷變化的。另外，從姿態(tài)矩陣中可以單值的確定飛行器的姿態(tài)角。 捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)中需要實時地求取姿態(tài)矩陣，以便提取飛行器姿態(tài)角（首向角、縱搖角、橫搖角）以及變換比力。所以說，在捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)中，是由導航計算機來完成具有常平架的穩(wěn)定平臺功能，既用“數(shù)學解析平臺”取代穩(wěn)定平臺的功能。它的原理簡圖如圖2.1.10所示，圖中虛線框部分起了平臺的作用。 圖 2.1.10捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)原理簡圖3.分類捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)根據(jù)所用陀螺儀的不同分為兩類：一類采用速率陀螺儀，如單自由度撓性陀螺儀、激光陀螺儀等，它們測得的是飛行器的角速度，這種系統(tǒng)稱為速率型捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)；另一類采用雙自由度陀螺儀，如

50、靜電陀螺儀，它測得的是飛行器的角位移，這種系統(tǒng)稱為位置型捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)。通常所說的捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)是指速率型捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)。 4.精度慣性導航和制導系統(tǒng)對陀螺儀和加速度計的精度要求極高，如加速度計分辨率通常為0.0001g0.00001g，陀螺隨機漂移率為0.01/小時甚至更低，并且要求其有大的測量范圍，如軍用飛機所要求的測速范圍應達10的9次方（0.01/小時400/秒）。因此，陀螺儀和加速度計屬于精密儀表范疇。 目前，捷聯(lián)系統(tǒng)的精度還未達到平臺系統(tǒng)所取得的精度水平，還不能完全滿足各種軍用和民用的要求，其原因是：（a）新型捷聯(lián)用的慣性儀表，如動力調(diào)諧陀螺儀、激光陀螺儀、光纖陀螺等漂

51、移達到0.01/h，石英加速度計的標度因數(shù)誤差達到110-4之后，進一步提高儀表精度將會遇到加工工藝、材料、光電元器件等方面技術(shù)極限的限制，進一步提高儀表硬件精度將會更加困難，大幅度地追加投資不一定能夠收到成比例的技術(shù)效益，同時也會給低成本優(yōu)勢的捷聯(lián)系統(tǒng)蒙上陰影。 （b）捷聯(lián)系統(tǒng)中的慣性儀表是直接與載體聯(lián)接，飛行器的惡劣動力學環(huán)境如過載沖擊、振動以及機動飛行等都會給慣性儀表和捷聯(lián)系統(tǒng)帶來動態(tài)誤差，這類誤差比較難以補償。為了充分發(fā)揮捷聯(lián)慣性系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢，需要利用其它系統(tǒng)的高精度測量信息來補償和抑制慣性系統(tǒng)隨工作時間延長而增長的誤差，達到提高導航（制導）精度的目的，建立以慣性系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以其它各

52、種測量信息為輔助的組合導航系統(tǒng)。 慣性技術(shù)的發(fā)展表明，從傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)子型陀螺向固態(tài)陀螺儀（激光、光纖和半球諧振陀螺儀）轉(zhuǎn)移并進一步向以半導體硅為基本材料的微機械振動陀螺發(fā)展；從框架式平臺系統(tǒng)向捷聯(lián)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移；從純慣性捷聯(lián)系統(tǒng)向以慣性系統(tǒng)為基礎(chǔ)的多體制導航組合系統(tǒng)發(fā)展，成為今后慣性技術(shù)發(fā)展的總趨勢。 5.捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)的初始對準從慣性導航系統(tǒng)的原理可知，載體的位置是由系統(tǒng)中的加速度計測得的加速度經(jīng)兩次積分而求得。要進行積分必須知道初始條件，例如初始速度和初始位置。而對捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)中初始對準的另一個關(guān)鍵問題是要在較短的時間內(nèi)以一定的精度確定出從載體坐標系到地理坐標系的初始變換矩陣 。這是因

53、為在捷聯(lián)系統(tǒng)中慣性敏感器直接測量得到的是載體相對慣性坐標系的各軸向的加速度大小，而捷聯(lián)系統(tǒng)數(shù)學解析平臺軟件程序中所需的應是載體坐標系相對于地理坐標系的加速度信息。 近地載體導航用的慣性系統(tǒng)大多選用與地球固聯(lián)的參考坐標，所以借助于慣性敏感器測量的兩個在空間不共線的矢量，即地球自轉(zhuǎn)速率ie和地球重力矢量g來實現(xiàn)自主式對準是很方便的，它包括水平對準和方位對準。 （1）捷聯(lián)慣導系統(tǒng)初始對準的主要特點大的初始失準角捷聯(lián)慣導系統(tǒng)直接安裝在基座上，其失準由基座的姿態(tài)和航向決定，一般不能將失準視為小量，這就帶來數(shù)學處理上的麻煩。事實上捷聯(lián)慣導系統(tǒng)初始對準的目的是測定慣性測量系相對導航坐標系的方向余弦矩陣。 對

54、瞬時方向余弦陣的測定捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)與平臺式慣性系統(tǒng)的另一個主要差別就是前者在初始對準時，必須求出瞬時方向余弦陣，而不是平均方向余弦陣。這是因為對捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)來講，基座的角運動不能被隔離，因此必須考慮上述基座運動對誤差角速度測定精度的影響。 有利于在對準過程中標定慣性儀表的參數(shù)捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)與平臺式慣性系統(tǒng)相比，能夠輸出更多的可用信息，這樣，捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)就能在對準過程中標定更多的慣性儀表誤差系數(shù)。以雙位置對準為例，捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)能標定三個陀螺常值漂移和三個加速度計零偏，而對平臺式系統(tǒng)則只能標定兩個陀螺漂移和一個法向加速度計零偏。 有更多的可用信息對于平臺系統(tǒng)，只有加速度計輸出可直接用于初始對

55、準，陀螺輸出要提供平臺穩(wěn)定回路，而沿平臺軸的輸出信息只能從同位器獲得，但同位器的分辨率太低，不能滿足初始對準的精度要求。與此相反，捷聯(lián)陀螺的信息具有極高的角分辨率，可直接用于初始對準。這是捷聯(lián)系統(tǒng)優(yōu)于平臺系統(tǒng)的地方，對方位陀螺的標定尤為有利。 （2）初始對準的一般要求 慣性導航系統(tǒng)的初始化包括:給定初始速度和初始位置，慣導平臺的初始對準，陀螺儀的測漂和定標。第一項任務比較簡單。第三項任務在陀螺性能比較穩(wěn)定的情況下，不一定每次啟動都要進行。而平臺的初始對準，則每次啟動進入導航工作狀態(tài)之前都要進行，而且要求對準精度高，對準時間短。對準精度的高低，直接影響導航性能。對于平臺系統(tǒng)，初始對準就是使平臺坐

56、標系向?qū)Ш阶鴺讼祵?，對準過程是一個物理過程。而對于捷聯(lián)系統(tǒng)，初始對準就是確定初始時刻的姿態(tài)陣 。 對準的方法有兩類:一類是將外部參考基準通過光學或機電的辦法引入平臺:另一類是利用慣導系統(tǒng)本身的加速度計和陀螺儀測量重力加速度g以及地球自轉(zhuǎn)角速度 進行自主式對準。由于平臺系統(tǒng)和捷聯(lián)系統(tǒng)基本原理相同，因此，它們的自對準原理也是相同的。不同的僅是實現(xiàn)方法上有差異。 初始對準的要求包括精度和快速兩個方面。為了滿足精度要求，希望慣性敏感器具有盡可能高的精度和穩(wěn)定性，并希望系統(tǒng)能對外界干擾不敏感，即整個系統(tǒng)的魯棒性要好。為提高捷聯(lián)系統(tǒng)的精度，還希望初始對準能對陀螺漂移、加速度計零位誤差以及它們的標度系數(shù)進

57、行測定和補償。要使系統(tǒng)具有較好的抗干擾能力，還應采用頻譜技術(shù)、濾波技術(shù)，將有用信息和干擾信息從時域和頻率域上加以分離。顯然上述措施的實現(xiàn)，都需要容量大、速度快的計算機給以保證。很明顯，精度和快速性這兩方面的要求是矛盾的，因此需要合理地進行系統(tǒng)設計，盡可能兼顧這兩方面的要求，以期求得滿意的效果。一般性的設計原則是在保證初始對準精度的前提下設法縮短對準時間。 （3）初始對準方法按照不同的分類方法，捷聯(lián)慣導系統(tǒng)初始對準大致有以下幾種分類:按是否利用外觀測信息來分，有自主對準與非自主對準。自主對準是利用系統(tǒng)本身的慣性元件，結(jié)合系統(tǒng)作用原理，自動進行對準的方法。非自主對準則要靠外部參考進行對準，這一過程

58、要有地面設施的支持，平時費時、費力，戰(zhàn)時缺乏有效的機動和靈活性。 自主對準加強了慣導系統(tǒng)的自主性、隱蔽性，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中具有非自主對準不可代替的作用。而在慣導系統(tǒng)中，從其功能的完善性和使用的方便性出發(fā)，都要求在定位的同時具有自主定向，即對準的功能。傳統(tǒng)的導航，即定位的概念正在被新的綜合性定位定向概念所取代。未來的導航系統(tǒng)應當都具有自動對準的能力。因此，自主對準技術(shù)以其重要的價值和意義，越來越引起了廣泛的重視和研究.但是，從控制理論觀點分析，自主對準技術(shù)的基本困難是系統(tǒng)不完全可觀測。 按階段來分，初始對準有粗對準和精對準兩個階段。粗對準階段用重力矢量g和地球自轉(zhuǎn)速率ie 的測量值，直接估算載體坐標

59、系到地理坐標系的變換矩陣，大約需要一分鐘，這樣對準的精度為:方位角在幾度以內(nèi)，兩個水平角在1度以內(nèi)。粗對準階段也可采用傳遞對準或光學對準的方法。捷聯(lián)慣導系統(tǒng)精對準是粗對準的繼續(xù)，這個階段的主要任務是: 通過處理慣性敏感器的輸出信息，精確校正計算參考坐標系與真實參考坐標系之間的小失準角，從而建立起準確的初始變換矩陣 ，為導航計算提供精確的初始條件，以便正常地進行導航工作。 實際應用中，捷聯(lián)系統(tǒng)工作在具有各種噪聲擾動的動態(tài)環(huán)境重，直接靜基座算法將會產(chǎn)生很大的誤差。我們應該采用穩(wěn)定系統(tǒng)控制原理，以重力矢量g和地球自轉(zhuǎn)速率ie為控制信號，使捷聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定在地理坐標系上。捷聯(lián)矩陣 可以形象地理解成數(shù)學解析

60、平臺，系統(tǒng)中的數(shù)學解析平臺的水平及方位失準角作為系統(tǒng)的負反饋以一定的控制算法，使數(shù)學解析平臺工作在具有較好的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性的工作狀態(tài)。 數(shù)學解析平臺的工作過程與穩(wěn)定平臺式系統(tǒng)類似，當數(shù)學解析平臺有方位失準角時，則地球自轉(zhuǎn)角速率分量iecossin就耦合到解析平臺的東軸上，從而產(chǎn)生了羅經(jīng)效應。其中羅經(jīng)效應項iecossin就使數(shù)學解析平臺繞東西軸旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生水平傾角。解析系統(tǒng)利用這一控制信息，一方面控制解析平臺減小水平傾斜角；另一方面又控制解析平臺減小方位失準角，從而使數(shù)學解析平臺能穩(wěn)定在地理坐標系上。其穩(wěn)定過程是以如下數(shù)學公式進行的。 這里的為計算地理坐標系與真實地理坐標系的誤差角，、分