導航原理之簡介

InertialTechnology慣性技術(shù)付振憲SchoolofAstronautics,HIT1Lecture1--Introduction課程內(nèi)容慣性導航：器件:陀螺儀(Gyroscopes)加速度計(Accelerometers)系統(tǒng)(InertialNavigationSystems–INS):平臺式慣導系統(tǒng)(PlatformINS)捷聯(lián)慣導系統(tǒng)(StrapdownINS–SINS)2Lecture1--Introduction1.0導航的概念導航：提供載體的運動信息,如位置、速度、姿態(tài)等導航、制導與控制之間的關(guān)系:控制器執(zhí)行器位置速度姿態(tài)導航（信息反饋）3Lecture1--Introduction2.1慣性導航的基礎(chǔ)慣性導航以牛頓第二定律為基礎(chǔ)動力學(dynamics)慣性導航以對載體的加速度的測量為起點(使用加速度計–accelerometers).m敏感軸萬有引力的影響4Lecture1--Introduction2.2*慣性導航的基本思想位置、速度和加速度之間的關(guān)系:慣性導航的特點:自主(Autonomous,

self-contained)

無需外部信息

只依賴于對載體的慣性測量(借助加速度計、陀螺儀)5Lecture1--Introduction2.3二維導航例子平面二維導航載體平臺加速度計的輸出經(jīng)一次積分得速度，二次積分得位置.Acc.XAcc.Y

導航過程中，平臺需要跟蹤導航參考坐標系OXY.

平臺的穩(wěn)定是借助于陀螺儀(gyroscope)實現(xiàn)的.平臺式vs捷聯(lián)式6Lecture1--Introduction3.1*陀螺儀廣義概念

來自古希臘語:

旋轉(zhuǎn)敏感器（相對慣性空間的絕對轉(zhuǎn)動）狹義概念陀螺:高速自旋的剛體陀螺儀:陀螺+支撐裝置,以便實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)的測量陀螺的定軸性:

高速自轉(zhuǎn)的剛體具有定軸性

定軸性易受破壞

7Lecture1--Introduction3.2支撐的改進框架(gimbals)

外環(huán)軸外環(huán)

內(nèi)環(huán)

內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)子基座等效支撐點自由度(DOF)---轉(zhuǎn)子的---轉(zhuǎn)子軸的二自由度陀螺儀(自轉(zhuǎn)軸)轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)子基座內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán)軸單自由度陀螺儀8Lecture1--Introduction3.3漂移和漂移率

漂移–由干擾導致的轉(zhuǎn)子軸相對慣性空間緩慢的方向變化

漂移率–漂移的快慢（deg/h）漂移(Drift)和漂移率

慣性導航的精度–慣性級:0.01deg/h

陀螺儀的歷史–設(shè)法減少有害力矩、降低漂移的歷史9Lecture1--Introduction4.1歷史:傅科陀螺儀Foucaultgyroscope

(1852)Earth利用陀螺驗證地球自轉(zhuǎn)后期的技術(shù)改進10Lecture1--Introduction4.2歷史:在航海的應用磁羅盤(Magneticcompass)被用于早期的航海19世紀后期，大量的木質(zhì)輪船被鋼鐵材質(zhì)的輪船取代，使磁羅盤的效能受到影響.

磁羅盤的使用在地球兩極附近受到限制

尋找替代的方向指示裝置11Lecture1--Introduction4.2歷史:陀螺羅經(jīng)陀螺儀被寄予希望,但面臨著自動尋北的挑戰(zhàn)1908年,Anschutz(德國)發(fā)明了陀螺羅經(jīng)(gyrocompass)1909年,Sperry(美國)也獨立研制出陀螺羅經(jīng).——陀螺羅經(jīng)的出現(xiàn)標志著陀螺儀技術(shù)現(xiàn)代應用的發(fā)端12Lecture1--Introduction4.3歷史:航空中的應用1920s,應用于早期的飛機測量飛機的姿態(tài)方位滾動俯仰

陀螺地平儀

陀螺航向儀13Lecture1--Introduction4.4歷史:早期導彈中的應用1930s,Goddard(US)的先期研究1940s,V-1、V-2V-1V-214Lecture1--Introduction4.5歷史:液浮陀螺二戰(zhàn)后，德國導彈專家大量轉(zhuǎn)移到美國和前蘇聯(lián)(VanBraun)冷戰(zhàn)期間蘇美競賽1950s早期，MITDraper實驗室研制出液浮陀螺(Fluidsuspensiongyro)轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)(陀螺房)外環(huán)15Lecture1--Introduction4.6歷史:Argonaut號之旅1958，潛艇Argonaut號之旅珍珠港–白令海峽–北極–Portland港21days，15000Km——標志著慣性導航技術(shù)的成熟16Lecture1--Introduction5.0兩種趨勢60年代后，陀螺儀的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出兩種分支：

追求更高的精度

低成本小型化(forSINS)5.1對更高精度的追求框架支撐系統(tǒng)的改進–液浮,氣浮,磁懸浮精度優(yōu)于10e-7deg/h17Lecture1--Introduction5.1*高精度:靜電陀螺靜電懸浮陀螺：非接觸支撐陶瓷殼體球形轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸球形電極鈦離子泵1952Nordsieck提出1970s后期投入實用

用于慣導，優(yōu)于10e-7deg/h

用于太空望遠鏡10e-11deg/h18Lecture1--Introduction5.2低成本、小型化環(huán)形激光陀螺(Ringlasergyro--RLG)

1960s早期開始研制,1970s后期進入實用光纖陀螺(FiberOpticalGyro–FOG)1970s開始研制,1980s早期進入實用19Lecture1--Introduction5.2振動陀螺振動(vibratory)陀螺

音叉(Tuningfork)

壓電(Piezoelectric)陀螺

半球諧振陀螺(Hemi-sphericalresonantgyro,HRG)

微機電(MEMS)MicroElectro-MechanicalSystemsMicromachinedElectro-MechanicalSystems20Lecture1--Introduction6.0兩類慣導系統(tǒng)的發(fā)展平臺式慣導系統(tǒng)(PINS,orINS)(后來的Draper實驗室)1950s–MIT研制出首套慣導系統(tǒng)1960s,1970s–廣泛應用1980s–應用逐漸縮減，限于戰(zhàn)略高端捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)(SINS)1960s–思想提出1970s–理論已完善，產(chǎn)品還不成熟1980s–應用迅速增長.21Lecture1--Introduction課程資源PPTdownloading:(僅校園網(wǎng)訪問)Textbooks：