導(dǎo)航系統(tǒng)概述

第1章導(dǎo)航系統(tǒng)概述1.1引言將航行載體從起始點(diǎn)引導(dǎo)到目的地的過程稱為導(dǎo)航。導(dǎo)航系統(tǒng)給出的基本參數(shù)是載體在空間的即時(shí)位置、速度和姿態(tài)、航向等，導(dǎo)航參數(shù)的確定由導(dǎo)航儀表或?qū)Ш较到y(tǒng)來完成。在早期導(dǎo)航中，測(cè)量導(dǎo)航參數(shù)的儀表稱為導(dǎo)航儀表，隨著測(cè)量手段日趨完善和復(fù)雜.目前測(cè)量導(dǎo)航參數(shù)的整套設(shè)備稱為導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)：指示狀態(tài)和自動(dòng)導(dǎo)航狀態(tài)。如導(dǎo)航設(shè)備提供的導(dǎo)航信息僅供駕駛員操縱和引導(dǎo)載體用，則導(dǎo)航系統(tǒng)工作指示狀態(tài)，在指示狀態(tài)下，導(dǎo)航系統(tǒng)不直接對(duì)載體進(jìn)行控制；如果導(dǎo)航系統(tǒng)直接提供的信息給載體的自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)，由自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)操作和引導(dǎo)載體，則導(dǎo)航系統(tǒng)工作于自動(dòng)導(dǎo)航狀態(tài)。在這兩種工作狀態(tài)下，導(dǎo)航系統(tǒng)的作用都只是提供導(dǎo)航參數(shù)，“導(dǎo)航”含義也側(cè)重于測(cè)量和提供導(dǎo)航參數(shù)。導(dǎo)航有多種技術(shù)途徑，如無線電導(dǎo)航，天文導(dǎo)航，慣性導(dǎo)航等可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的導(dǎo)航任務(wù)。在這些導(dǎo)航技術(shù)中，慣性導(dǎo)航占有特殊的位置。慣性導(dǎo)航具有高度自主的突出優(yōu)點(diǎn)，以牛頓力學(xué)為理論為基礎(chǔ)，只依靠安裝在載體內(nèi)的慣性測(cè)量傳感器陀螺、加速度計(jì)和相應(yīng)的配套裝置建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系，進(jìn)而獲得載體的加速度，推算速度、位置等導(dǎo)航參數(shù)。另外，現(xiàn)代運(yùn)載體的高精度、長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)程導(dǎo)航等導(dǎo)航要求不斷提高，單純慣性導(dǎo)航不能完全滿足，采用現(xiàn)代控制理論信息融合方法，以軟硬件迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)為計(jì)算工具，將慣導(dǎo)系統(tǒng)和其他導(dǎo)航系統(tǒng)綜合，構(gòu)成以慣性導(dǎo)航為主，其他導(dǎo)航手段為輔的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，應(yīng)用日益廣泛。以航空導(dǎo)航為例，早期飛機(jī)的導(dǎo)航方法是依靠飛行前制訂的飛行計(jì)劃來確定飛行路徑，飛行中依靠磁羅盤、無線電羅盤、速度表和時(shí)鐘等導(dǎo)航儀表來保持既定航向、速度和大致判別飛行路徑，并在可能的條件下用目視地形和明顯建筑物的方法來監(jiān)視飛行路徑的正確性和尋找目的地。20世紀(jì)60年代以后，機(jī)載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)和各種無線電導(dǎo)航系統(tǒng)相繼問世。這些系統(tǒng)都能連續(xù)提供飛機(jī)的即時(shí)位置信息。制導(dǎo)是一個(gè)與“導(dǎo)航”相關(guān)的概念，也是和導(dǎo)彈、制導(dǎo)炸彈、制導(dǎo)炮彈、制導(dǎo)魚雷等帶有導(dǎo)航、制導(dǎo)功能的制導(dǎo)武器一起出現(xiàn)的術(shù)語。制導(dǎo)是指自動(dòng)控制和導(dǎo)引飛行器按預(yù)定軌跡和飛行路線準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)的過程，既包含了應(yīng)用導(dǎo)航的測(cè)量值，又包含自動(dòng)控制的閉環(huán)的全部工作過程。實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引和控制飛行器按預(yù)定規(guī)律調(diào)整飛行路線導(dǎo)向目標(biāo)的全部裝置稱為制導(dǎo)系統(tǒng)。制導(dǎo)系統(tǒng)的主要功能包括1）根據(jù)起始點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)和有關(guān)約束的信息，建立航跡參數(shù)（如位置、速度、航向、航路點(diǎn)、航線等）2）測(cè)量載體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，確定載體的真實(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)；3）根據(jù)航跡參數(shù)與實(shí)際運(yùn)動(dòng)參數(shù)，自動(dòng)產(chǎn)生控制（制導(dǎo)）信息，傳輸給運(yùn)動(dòng)載體的相應(yīng)控制部件。如飛機(jī)上的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)可以結(jié)合計(jì)算機(jī)中已存儲(chǔ)的飛行路徑中各航路點(diǎn)位置信息，再根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)提供的即時(shí)導(dǎo)航參數(shù)，就能計(jì)算出各種可用來糾正飛機(jī)航行偏差、指導(dǎo)正確航行方向的制導(dǎo)參數(shù)，如應(yīng)飛航跡角、偏航跡和待飛距離:待飛時(shí)間）。慣導(dǎo)系統(tǒng)和多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)還可計(jì)算出航跡角誤差。以上參數(shù)示意見圖1.1（圖中還示出真航向、航跡角、偏流角和地速V。）

圖1.2圖1.2導(dǎo)航制導(dǎo)閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖飛行體的制導(dǎo)參數(shù)是利用給定飛行計(jì)劃和系統(tǒng)導(dǎo)航參數(shù)計(jì)算出來的。利用制導(dǎo)參數(shù)和飛機(jī)操縱規(guī)律，可以計(jì)算出飛機(jī)的操縱指令。通過飛行控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的航行自動(dòng)化。按給定的飛行計(jì)劃飛行，常因飛行條件和任務(wù)的改變而不可能實(shí)現(xiàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，1980年代民用飛機(jī)以經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)時(shí)、安全為目的，發(fā)展了飛行管理系統(tǒng)；軍用飛機(jī)以完成軍事任務(wù)為目的，發(fā)展了飛行綜合控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)都能在任務(wù)和地理、氣象情況改變的條件下自動(dòng)計(jì)算規(guī)劃出最優(yōu)的飛行路徑，并將飛行控制系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)組合在一起.完成飛行任務(wù)。這種系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性提出了更高的要求，促使導(dǎo)航系統(tǒng)向綜合化和容錯(cuò)化發(fā)展，即發(fā)展以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為主體的各種組合導(dǎo)航系統(tǒng)和容錯(cuò)組合導(dǎo)航系統(tǒng)。國(guó)外已裝機(jī)應(yīng)用的組合導(dǎo)航系統(tǒng)有天文/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)、VOE/DME/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)和羅蘭/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)等。20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的導(dǎo)航星全球定位系統(tǒng)，具有全球性和高精度、實(shí)時(shí)三維定位測(cè)速能力，是導(dǎo)航技術(shù)的新突破，并且由衛(wèi)星定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)綜合的導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)在軍事和民用領(lǐng)域大量使用，這也是21世紀(jì)初最理想的航行載體導(dǎo)航系統(tǒng)。另外，地形、景象輔助慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)也已經(jīng)在軍事領(lǐng)域獲得越來越多的應(yīng)用。1.2導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史早期導(dǎo)航方式（19世紀(jì)前）追溯導(dǎo)航的歷史，早在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期（約公元前475年―前221年），我國(guó)人民已經(jīng)發(fā)現(xiàn)磁石指南北的特性，制出了“司南”，用司南確定準(zhǔn)確的時(shí)間。北宋（公元960年—1127年）初期，人們發(fā)現(xiàn)了人工磁化法，用天然磁石摩擦鋼針，制出了指南針。指南針作為指示船舶航行方向的儀器在航海中得到了廣泛的應(yīng)用。之后，人們把指南針固定在方位盤里，制出了羅盤針。當(dāng)時(shí)，中國(guó)航海所使用的是“水羅盤”，即磁針浮于水面，沒有固定支點(diǎn)的水浮針盤；歐洲則發(fā)展了一種具有萬向支架的旱羅盤。到18世紀(jì)末，一種新型的磁羅盤和附屬的防磁設(shè)備，即液體磁羅經(jīng)出現(xiàn)了，它能抵抗艦身磁場(chǎng)的干擾，大大減小外界對(duì)磁針的影響，保持羅面穩(wěn)定。圖1.3指南針的始祖圖1.3指南針的始祖一一司南圖1.4中國(guó)古代羅盤針當(dāng)時(shí)，人們?cè)诤Ｉ虾叫袝r(shí)還通過觀測(cè)天空中的星體來確定船只的位置，即天文導(dǎo)航1］。天文導(dǎo)航是利用天空中的星體在一定時(shí)刻與地球的地理位置具有固定關(guān)系這一特點(diǎn)，通過觀察星體以確定運(yùn)載體位置的一種導(dǎo)航方法。天文導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)是不受運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)時(shí)間、速度和地理區(qū)域的限制，隱蔽性好，定位精度較高。主要缺點(diǎn)是不能連續(xù)定位，工作受星體可見度的限制，觀察不到星體時(shí)，就無法工作。早期人們還利用地標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航⑵。利用地面上存在的地物、地標(biāo)（島嶼、航標(biāo)、特殊建筑物等），這些地物地標(biāo)在地圖或海圖上已標(biāo)明位置。在運(yùn)載體上用光學(xué)等方法，量測(cè)到這些地物地標(biāo)的距離、方位等幾何參量，用測(cè)向或測(cè)距法定出運(yùn)載體瞬時(shí)地理位置。常用的儀器有六分儀、經(jīng)緯儀、望遠(yuǎn)鏡等（見圖1.5和1.6）。這是一種較為簡(jiǎn)單而可靠的導(dǎo)航方法，但易受氣象條件和地域的限制。在一般能見度情況下，能見距離為10nmile左右，所以只適合于近海導(dǎo)航使用。圖1.5六分儀圖圖1.5六分儀圖1.6天文經(jīng)緯儀隨著科學(xué)技術(shù)與導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，又出現(xiàn)了大氣數(shù)據(jù)航程推算法（也叫儀表領(lǐng)航法）,以航空導(dǎo)航為例，自20世紀(jì)二三十年代開始，飛機(jī)上出現(xiàn)了儀表導(dǎo)航系統(tǒng)。無線電導(dǎo)航隨著社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展和人類歷史進(jìn)步的需要，特別是隨著航空、航海及航天技術(shù)的飛速發(fā)展，簡(jiǎn)單的、單一功能的導(dǎo)航方式和導(dǎo)航儀器已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足飛機(jī)、艦船及其他載體的要求。因此，也就提出了如何利用當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的新成就，創(chuàng)造出精度更高、用途更廣和適應(yīng)性更強(qiáng)的導(dǎo)航技術(shù)和導(dǎo)航儀器（系統(tǒng)），以適應(yīng)導(dǎo)航的新要求。1930年代，各種無線電導(dǎo)航系統(tǒng)問世。它的原理是利用無線電波在均勻介質(zhì)和自由空間直線傳播及恒速兩大特性，進(jìn)行引導(dǎo)航行的方法。它有兩種定位方式：一種是通過設(shè)置在飛機(jī)和地面上的收發(fā)設(shè)備，測(cè)量飛機(jī)相對(duì)地面臺(tái)的距離、距離差或相位差定位，如口乂￡測(cè)距導(dǎo)航系統(tǒng)、羅蘭雙曲線導(dǎo)航系統(tǒng)、奧米加雙曲線導(dǎo)航系統(tǒng)。另一種是通過機(jī)上接收系統(tǒng)，接收地面臺(tái)站發(fā)射的無線電信號(hào)，測(cè)量飛機(jī)相對(duì)于已知地面臺(tái)的方位角來定位，如伏爾測(cè)向?qū)Ш较到y(tǒng)。目前軍用飛機(jī)使用較多的是測(cè)向與測(cè)距共用一個(gè)地面臺(tái)的塔康導(dǎo)航系統(tǒng)。無線電導(dǎo)航的主要優(yōu)點(diǎn)是精度較高，缺點(diǎn)是工作時(shí)必須有地面臺(tái)配合，電波易受干擾，也容易暴露自身，在軍事上應(yīng)用就顯得嚴(yán)重不足。多普勒雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)1960-1970年代多普勒雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。多普勒雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)是利用隨飛機(jī)速度變化，在發(fā)射波和反射波之間產(chǎn)生的頻率差一多普勒頻移的大小，來測(cè)量飛機(jī)相對(duì)地面的速度，進(jìn)而完成導(dǎo)航任務(wù)的一種方法。這種導(dǎo)航方法，只需要機(jī)上設(shè)立雷達(dá)發(fā)射和接收裝置便可測(cè)出地速的大小。再借助機(jī)上航向系統(tǒng)輸出航向角，將地速分解成沿地理北向和東向的速度分量，進(jìn)而確定兩個(gè)方向的距離變化及、經(jīng)緯度大小，也就確定了飛機(jī)位置。多普勒雷達(dá)導(dǎo)航的主要優(yōu)點(diǎn)是無需地面臺(tái)，因而是主動(dòng)式，自主性強(qiáng)。但是它工作時(shí)必

須發(fā)射電波，容易受干擾和暴露自己；此外，定位精度與發(fā)射面形狀有密切關(guān)系，當(dāng)飛機(jī)在海面和沙漠上空工作時(shí)，由于反射性極差會(huì)大大降低工作性能；同時(shí)導(dǎo)航精度也受雷達(dá)天線姿態(tài)的影響，當(dāng)飛機(jī)接收不到反射波時(shí)，就會(huì)完全喪失工作能力。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)發(fā)展起來的慣性導(dǎo)航是一種完全自主式的先進(jìn)的導(dǎo)航方法3]，它是根據(jù)牛頓力學(xué)定律，利用慣性器件來測(cè)量運(yùn)載體本身的加速度，經(jīng)過一次積分得到運(yùn)載體的速度，再經(jīng)過一次積分得到運(yùn)載體的地理位置。它能提供運(yùn)載體姿態(tài)、速度和位置九維導(dǎo)航信息，并且由于和外界不發(fā)生任何光電聯(lián)系，因此隱蔽性好，工作不受氣象條件的限制。這一獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使其成為航天、航空和航海領(lǐng)域中的一種廣泛應(yīng)用的主要導(dǎo)航方法。.理論和基礎(chǔ)1687年牛頓提出了力學(xué)和引力定律，是慣性技術(shù)的基礎(chǔ)；1765年俄國(guó)歐拉院士出版了“剛體繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的理論”的書，是陀螺儀理論的基礎(chǔ)；1852年發(fā)現(xiàn)了陀螺效應(yīng)，法國(guó)科學(xué)家首先使用“Gyro"(Gyroscope—轉(zhuǎn)動(dòng)+觀察)這個(gè)名詞；1923年，舒勒發(fā)表了84.4分的無干擾理論，陀螺儀的設(shè)計(jì)開始完善；1939年，原蘇聯(lián)布爾佳科夫院士出版的“陀螺儀實(shí)用理論”一書，認(rèn)為是陀螺儀實(shí)用理論的奠基性著作。.現(xiàn)代陀螺的“史前期”(18世紀(jì)中期一20世紀(jì)初)[4]1810年前后，德國(guó)培根做了第一個(gè)具有轉(zhuǎn)動(dòng)陀螺的雛形陀螺；1851年，傅科的陀螺、傅科擺，驗(yàn)證了地球的自轉(zhuǎn)；1851年，法國(guó)物理學(xué)家讓?傅科在巴黎國(guó)葬院安放了一個(gè)鐘擺裝置，擺的長(zhǎng)度為67米，底部的擺錘是重28千克的鐵球，在鐵球的下方鑲嵌了一枚細(xì)長(zhǎng)的尖針。圖1.71851年傅科實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖1.71851年傅科實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖1.8法國(guó)國(guó)葬院內(nèi)傅科擺實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與傅科的設(shè)想完全吻合，擺的擺動(dòng)顯示為由東向西的、緩慢而持續(xù)的方向旋轉(zhuǎn)。傅科的演示直接證明了地球自西向東的自轉(zhuǎn)。1880年前后，特魯弗、霍普金斯發(fā)明了電動(dòng)機(jī)用于陀螺的驅(qū)動(dòng)，陀螺儀開始走向?qū)嵱茫?927年，安修茨設(shè)計(jì)了實(shí)用的用于航海的陀螺羅經(jīng)，使用了幾乎半個(gè)世紀(jì)。3.近代慣導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展(20世紀(jì)初一1990年代)1920年前后，出現(xiàn)了供飛機(jī)使用的轉(zhuǎn)彎速率指示器、人工水平儀和方位陀螺；(1)人工水平儀測(cè)量飛機(jī)姿態(tài)角的關(guān)鍵問題是在飛機(jī)上建立一個(gè)當(dāng)?shù)卮咕€基準(zhǔn)，并且該垂線基準(zhǔn)既具有方向選擇性，又具有方向穩(wěn)定性。為此，取陀螺儀的方向穩(wěn)定性這一長(zhǎng)處，以陀螺儀作為儀表的工作基礎(chǔ)，并取擺的方向選擇性這一長(zhǎng)處，用擺對(duì)陀螺儀進(jìn)行修正，使陀螺儀獲得敏感垂線的方向選擇性。垂直陀螺儀就是通過這種技術(shù)途徑在飛機(jī)上建立一個(gè)精確而穩(wěn)定的垂線基準(zhǔn)。圖1.11垂直陀螺儀結(jié)構(gòu)原理圖內(nèi)框架航向刻度盤方位修正電位器(角度傳感器Y電位器)方位修正/力矩電機(jī)液體開關(guān)水平修正力矩電機(jī)平密校正電位器圖1.12方位陀螺儀結(jié)構(gòu)原理圖圖1.13維納?馮?布勞恩圖1.13維納?馮?布勞恩(2)方位陀螺儀能使自轉(zhuǎn)軸保持水平的二自由度陀螺儀。它是利用陀螺特性而做成的測(cè)量飛機(jī)航向角的一種陀螺儀表。經(jīng)過水平修正、方位修正以及航向協(xié)調(diào)以后，便能使陀螺儀相對(duì)子午面較精確地保持方位穩(wěn)定，給飛機(jī)航向角的測(cè)量提供了基準(zhǔn)。借助指標(biāo)和刻度盤組成的指示機(jī)構(gòu)，即可給出飛機(jī)航向角的判讀指示。若在外框軸上裝有電位器或自整角機(jī)等角度傳感器，即可傳輸飛機(jī)航向角的電氣信號(hào)。1942年10月3日，德國(guó)的庇納門德火箭研究中心在維納?馮?布勞恩的主持下制成“丫”型導(dǎo)彈，并于1944年用以轟炸英國(guó)。這就是現(xiàn)代導(dǎo)彈的鼻祖一一用自動(dòng)駕駛儀操縱的“V-l”巡航導(dǎo)彈和“V-2”彈道導(dǎo)彈。導(dǎo)彈是依靠自身的動(dòng)力裝置推進(jìn)，由制導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)引、控制其飛行軌跡，并將戰(zhàn)斗部導(dǎo)向目標(biāo)的武器?！癡-2”彈道導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)用兩個(gè)二自由度位置陀螺儀控制箭體的姿態(tài)和航向，用一個(gè)陀螺加速度計(jì)測(cè)量沿箭體縱軸方向的加速度，當(dāng)飛行速度達(dá)到1380m/s時(shí)(飛行70s),接通火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的熄火裝置，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，使箭體按自由彈道飛行，實(shí)現(xiàn)了軌道和彈著點(diǎn)的控制。盡管這時(shí)還沒有完善的三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)，結(jié)構(gòu)上還有許多不合理之處，導(dǎo)航和制導(dǎo)精度也比較低，精度為5km(CEP),但它是當(dāng)時(shí)世界上獨(dú)一無二的付諸實(shí)際使用的第一個(gè)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)。這一慣導(dǎo)系統(tǒng)的雛形引起了世界上發(fā)達(dá)國(guó)家的極大重視，把慣導(dǎo)技術(shù)的研究推向了一個(gè)新的高度。圖1.14V-2彈道導(dǎo)彈 圖1.15V-2發(fā)射情景3)慣性傳感器的發(fā)展：(1)液浮和氣浮陀螺冏40年代出現(xiàn)液浮陀螺，到50年代末60年代初，其制造技術(shù)趨于成熟。液浮技術(shù)改進(jìn)了陀螺的支撐方式，減小了器件中的干擾力矩，提高了陀螺性能。50年代開始，以液浮和氣浮陀螺（見圖1.16和1.17）構(gòu)成的平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)開始在飛機(jī)、艦船和導(dǎo)彈上廣泛應(yīng)用。單自由度液浮積分陀螺儀結(jié)構(gòu)圖1.17半液浮速率陀螺產(chǎn)品圖1.16圖1.18液浮擺式加速度計(jì)原理圖1.19液浮加速度計(jì)產(chǎn)品（2）動(dòng)力調(diào)諧式撓性陀螺[6]60年代動(dòng)力調(diào)諧式撓性陀螺（見圖1.20、1.21和1.22）研制成功。1966年美國(guó)基爾福特（Kearfott）公司研制出撓性陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)，并用于飛機(jī)和導(dǎo)彈。這為后來航空慣導(dǎo)的典型代表美國(guó)利登公司的軍用LN-39和民用LTN-72的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。圖1.20動(dòng)力調(diào)諧式撓性陀螺儀的撓性接頭圖1.22動(dòng)力調(diào)諧式撓性陀螺儀實(shí)物圖圖1.20動(dòng)力調(diào)諧式撓性陀螺儀的撓性接頭圖1.22動(dòng)力調(diào)諧式撓性陀螺儀實(shí)物圖1.21動(dòng)力調(diào)諧速率陀螺儀組成圖1.23撓性加速度計(jì)結(jié)構(gòu)（3）靜電陀螺70年代，在利用高壓靜電場(chǎng)支承球形轉(zhuǎn)子、取代機(jī)械支承的靜電陀螺（見圖1.24和1.25）研制成功，陀螺性能進(jìn)一步提高。

圖1.24靜電陀螺原理示意圖圖圖1.24靜電陀螺原理示意圖圖1.25靜電陀螺儀結(jié)構(gòu)示意圖(4)光學(xué)陀螺［力激光于1960年在世界上首次出現(xiàn)。1962年，美、英、法、前蘇聯(lián)幾乎同時(shí)開始醞釀研制用激光來作為方位測(cè)向器，稱之為激光陀螺儀。60年代初期，光學(xué)裝置中發(fā)現(xiàn)了薩格納克效應(yīng)。美國(guó)斯佩里公司于1963年首先做出了激光陀螺儀的實(shí)驗(yàn)裝置。1966年美國(guó)霍尼威爾公司開始使用石英作腔體，并研究出交變機(jī)械抖動(dòng)偏頻法，使這項(xiàng)技術(shù)有了實(shí)用的可能。1972年，霍尼威爾公司研制出GG-1300型激光陀螺儀。80年代以后，激光陀螺、光纖陀螺(見圖1.26?1.29)廣泛應(yīng)用于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。圖1.26XW-G60光纖陀螺圖1.27KVH單軸光纖陀螺圖1.28VG949P圖1.26XW-G60光纖陀螺圖1.27KVH單軸光纖陀螺圖1.28VG949P光纖陀螺圖1.29機(jī)載三軸激光陀螺4)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用［148,9］1949年，J.H.Laning,Jr.發(fā)表名為“Thevectoranalysisoffiniterotationsandangles”的報(bào)告，建立了捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航的理論基礎(chǔ)；同時(shí)，美國(guó)麻省理工學(xué)院德雷伯(C.S.Draper)教授驗(yàn)證了平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的可行性。1953年，德雷伯(C.S.Draper)教授，作為將慣導(dǎo)系統(tǒng)用于飛機(jī)上的開拓者，將純慣性導(dǎo)航系統(tǒng)安裝到一架B-29遠(yuǎn)程轟炸機(jī)上，首次實(shí)現(xiàn)了橫貫美國(guó)大陸的飛行，飛行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10小時(shí)，證實(shí)了純慣性導(dǎo)航在飛機(jī)上應(yīng)用的技術(shù)可行性。但一直拖到60年代初才用于軍用飛機(jī)，而直到70年代初期商用飛機(jī)還沒有公認(rèn)可行的慣性導(dǎo)航儀。1958年美國(guó)“鸚鵡螺”號(hào)核潛艇裝備液浮陀螺平臺(tái)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核潛艇，從珍珠港附近潛入冰層以下的深海進(jìn)行遠(yuǎn)程航行，潛航96個(gè)小時(shí)順利穿過北極點(diǎn)，到達(dá)歐洲波斯蘭港，此次航行歷時(shí)21天，航程1830海里，露出水面時(shí)，其實(shí)際位置和計(jì)算位置僅差幾海里。1960年，世界上第一套飛機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)(LN-3)出廠，但當(dāng)時(shí)美國(guó)空軍可能出自謹(jǐn)慎考慮，把它裝在了西德空軍的一架F-104軍用飛機(jī)上，試飛結(jié)果非常滿意。自此以后，美國(guó)和西方發(fā)達(dá)國(guó)家的空軍開始在各類軍用機(jī)上裝備慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。靜電陀螺出現(xiàn)后，先后在核潛艇和遠(yuǎn)程飛機(jī)上裝備靜電陀螺平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)。其中B-52遠(yuǎn)程轟炸機(jī)上的GEANS慣導(dǎo)系統(tǒng)精度可達(dá)0.04nmile/h。早期框架式平臺(tái)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，穩(wěn)定部件將敏感器與運(yùn)載體的角運(yùn)動(dòng)隔離，從而建立加速度計(jì)的一個(gè)參考系。這些功能簡(jiǎn)化了將加速度轉(zhuǎn)化成速度和位置所需的計(jì)算量，同時(shí)大大減小了陀螺必須適應(yīng)的動(dòng)態(tài)范圍。但平臺(tái)慣導(dǎo)的框架系統(tǒng)加工、裝配的復(fù)雜性使得為了達(dá)到高精度要求必須賦出更高的人工代價(jià)。在60年代末，一些機(jī)構(gòu)進(jìn)行從平臺(tái)慣導(dǎo)到捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的過渡研究。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將慣性傳感器與載體固聯(lián)，減少了框架式的平臺(tái)結(jié)構(gòu)，以降低了重量、復(fù)雜性和成本，同時(shí)提高了可靠性(去掉了三個(gè)或四個(gè)框架及其導(dǎo)電環(huán)、力矩器和伺服電子線路)。捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)的應(yīng)用中，比較有標(biāo)志性意義的是美國(guó)登月計(jì)劃中阿波羅9號(hào)上的捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)的首次應(yīng)用。登月艙(lunarexcursionmodule——LEM)在安裝了主制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)(PGNCS)的同時(shí)，還安裝了一套采用了捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)急制導(dǎo)系統(tǒng)(AbortGuidanceSystem——AGS)作為備份系統(tǒng)，監(jiān)視主制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)是否故障，一旦PGNCS，應(yīng)急系統(tǒng)則將脫離繞月軌道，保障宇航員返回地面。1970年代計(jì)算能力提高，捷聯(lián)速率敏感器迅速發(fā)展，尤其是改進(jìn)的環(huán)形激光陀螺(RLG)具有極好的標(biāo)度因數(shù)線性度、對(duì)載體加速度敏感性低，適合于軍事和商用飛機(jī)使用的動(dòng)態(tài)范圍。在霍尼威爾公司研制出GG-1300型激光陀螺儀以后，1975年基于激光陀螺儀的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)上試飛成功，1976年在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上試驗(yàn)成功，捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)迅速發(fā)展，進(jìn)入大量應(yīng)用的時(shí)期。80年代后，僅在美國(guó)，空軍把激光陀螺應(yīng)用到空軍系統(tǒng)中，海軍把激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)用到艦載飛機(jī)中，陸軍把激光陀螺用于陸軍飛機(jī)的定位/導(dǎo)航、監(jiān)視/偵察、火控以及飛行控制系統(tǒng)。90年代，根據(jù)先進(jìn)巡航導(dǎo)彈和戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)導(dǎo)航的要求，美國(guó)進(jìn)行了激光陀螺捷聯(lián)性能的研究(SPS)。這一時(shí)期航空慣導(dǎo)的典型代表是LITTON公司的環(huán)形激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)LN-93，美國(guó)霍尼韋爾(Honeywell)公司的環(huán)形激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)H-423(H-423/E)，這些系統(tǒng)作為通用導(dǎo)航系統(tǒng)，應(yīng)用于多種武器系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航歷經(jīng)60多年的發(fā)展，其導(dǎo)航定位的精度也越來越高，但是它具有原理誤差。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種推算式的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，自主性強(qiáng)，工作環(huán)境不受限制，但定位誤差隨著時(shí)間積累，主要與陀螺和加速度計(jì)的精度有關(guān)。在要求自主性的應(yīng)用場(chǎng)合，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是不可替代的。慣導(dǎo)系統(tǒng)鮮明的優(yōu)缺點(diǎn)和巨大的需求，既促進(jìn)慣性器件性能的不斷提高和采用新原理的慣性傳感器不斷產(chǎn)生［10,11,12］也促進(jìn)了慣性及其組合導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。1.2.5衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng).子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(20世紀(jì)60年代)1964年1月美國(guó)海軍武器實(shí)驗(yàn)室研制成功“子午儀(Transit)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”，它用于北極星核潛艇的導(dǎo)航定位，并逐步應(yīng)用于其它各種艦艇的導(dǎo)航定位。雖然，子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在導(dǎo)航和定位技術(shù)發(fā)展中具有劃時(shí)代的意義，但是仍然存在著明顯的缺陷。由于衛(wèi)星數(shù)少，而且軌道較低，故每隔1?2h才有一次衛(wèi)星通過地面觀測(cè)站而被踉蹤觀測(cè)，另外，由于觀測(cè)解算導(dǎo)航參數(shù)的時(shí)間長(zhǎng)，不能滿足連續(xù)實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航的要求，尤其不能滿足高動(dòng)態(tài)目標(biāo)的導(dǎo)航要求。

.全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(20世紀(jì)60年代)圖1.30GPS衛(wèi)星星座分布1970年代初期，鑒于子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的成功及其存在的缺陷，促使美國(guó)海軍和空軍研究更先進(jìn)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，經(jīng)過20多年的努力，最后于1994年3月10日，24顆工作衛(wèi)星全部進(jìn)入預(yù)定軌道，系統(tǒng)全面正常運(yùn)行［13］圖1.30GPS衛(wèi)星星座分布全球定位系統(tǒng)(GPS)是一種可以定時(shí)和測(cè)距的空間交會(huì)定點(diǎn)的導(dǎo)航系統(tǒng)，它可以向全球用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間信息，滿足軍事部門和民用部門的需要。從此，衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用前景得到世界各國(guó)的普遍承認(rèn)和關(guān)注，各國(guó)不僅在GPS的應(yīng)用研究與GPS信息資源開發(fā)中傾注了巨大的人力和物力，而且不少國(guó)家和地區(qū)亦在積極研制自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。.前蘇聯(lián)GLONASS系統(tǒng)及其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(20世紀(jì)70—90年代)圖1.31GLONASS衛(wèi)星星座分布前蘇聯(lián)自1978年10月開始，發(fā)射了自己的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)試驗(yàn)衛(wèi)星，由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成，均勻分布在三個(gè)軌道平面上，見圖1.31。歐洲空間局(ESA)亦在籌建民用導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，它包括在赤道平面上的六顆同步衛(wèi)星(GEO)和12顆高橢圓軌道(HEO)衛(wèi)星的混合衛(wèi)星星座［14］圖1.31GLONASS衛(wèi)星星座分布地形輔助導(dǎo)航系統(tǒng)1980年代以來，地形輔助導(dǎo)航(TAN)系統(tǒng)受到廣泛重視，并已得到成功使用［15,16,17］。它與一般組合導(dǎo)航系統(tǒng)相比，只增加了唯一的硬件一一存儲(chǔ)數(shù)字地形高度數(shù)據(jù)的大容量存儲(chǔ)器，便于工程實(shí)現(xiàn)，而且隱身式無線電高度表向下發(fā)射的旁瓣小、能量低，幾乎不會(huì)被發(fā)現(xiàn)和干擾。在低高度，特別是在山丘地帶，由于GPS能觀察到的導(dǎo)航星少，很難達(dá)到完善的幾何精度，使得其導(dǎo)航精度顯著下降。而此時(shí)TAN正處于最佳狀態(tài)。但TAN在平坦地形和海面上空幾乎失去對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)提供位置修正的能力，而且基本上只能在低高度使用。組合導(dǎo)航系統(tǒng)1990年代以后，慣導(dǎo)系統(tǒng)和GPS的互補(bǔ)性在各種國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議和科技文獻(xiàn)中得到反復(fù)強(qiáng)調(diào)，因?yàn)榕c其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比，GPS在精度上具有壓倒性的優(yōu)勢(shì)，但慣性系統(tǒng)的完全自主的特性是GPS所不具備的，所以，慣導(dǎo)與GPS相組合已成為導(dǎo)航領(lǐng)域的重要發(fā)展方向［18］。隨著航行體機(jī)動(dòng)性的增大、航程加長(zhǎng)、可靠性要求的增高，均要求實(shí)現(xiàn)多信息的組合，提高導(dǎo)航系統(tǒng)的余度和容錯(cuò)能力。因此，出現(xiàn)了地形輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)、合成孔徑雷達(dá)慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)QNS/SAR)等多種組合導(dǎo)航方式19］,它們各自取長(zhǎng)不短，不僅使組合后的導(dǎo)航精度要高于兩個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)工作的精度，而且擴(kuò)大了系統(tǒng)的使用范圍，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。綜上所述，鑒于慣性導(dǎo)航的主導(dǎo)航地位，本書以敘述慣性導(dǎo)航原理為主；結(jié)合衛(wèi)星定位和其它導(dǎo)航方式在各種組合導(dǎo)航中的地位和前景，研究其應(yīng)用技術(shù)。1.3導(dǎo)航技術(shù)中常用的基本參數(shù)測(cè)試慣性器件，導(dǎo)航解算以及評(píng)價(jià)導(dǎo)航系統(tǒng)性能都需要用到一些基本的物理量如長(zhǎng)度（距離）、角度，常用的單位除國(guó)際單位米、弧度外，還有海里、節(jié)、密耳等表示長(zhǎng)度和距離，用角秒、角分、密位表示角度，有關(guān)單位之間的轉(zhuǎn)換見表1.1和表1.2。表1.1常用長(zhǎng)度單位及其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系表參數(shù)英文全稱表示符號(hào)與對(duì)應(yīng)相關(guān)單位的轉(zhuǎn)換關(guān)系海里nauticalmilenm1海里=1852米碼yardyd1碼=0.9144米英尺footft1英尺=0.3048米英寸inchin1英寸=0.0254米表1.1中，海里是海上的長(zhǎng)度單位。它原指地球子午線上緯度1分的長(zhǎng)度，赤道上1海里約等于1843米；緯度45°處約等于1852.2米，兩極約等于1861.6米。1929年國(guó)際水文地理學(xué)會(huì)議，通過用1分平均長(zhǎng)度1852米作為1海里，故國(guó)際上采用1852米為標(biāo)準(zhǔn)海里長(zhǎng)度。表1.2常用角度單位及其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系表參數(shù)英文全稱表示符號(hào)與對(duì)應(yīng)相關(guān)單位的轉(zhuǎn)換關(guān)系度degree°1度=0.0174532925弧度角分arcmin，1角分=60角秒角秒arcsec“毫弧度milliradianmrad1毫弧度=3.44角分=206.4角秒密位milmil1密位=3.6角分=216角秒表1.2中，“密位”和“度”、“角分”、“角秒”等一樣，也是一種表示角度的單位。把一個(gè)圓周分成360等份，每一等份弧長(zhǎng)所對(duì)的圓心角稱為1度角；如果把圓周分成6000等份，每一等份弧長(zhǎng)所對(duì)的圓心角叫1密位。即1密位所對(duì)弧長(zhǎng)，等于圓周長(zhǎng)的1/6000。根據(jù)圓周長(zhǎng)與半徑的關(guān)系，每1密位所對(duì)弧長(zhǎng)恰好等于半徑的1/1000，即：弧長(zhǎng)/密位二半徑/1000。地球上，導(dǎo)航技術(shù)中在表示系統(tǒng)的某些參數(shù)時(shí)，長(zhǎng)度和角度單位之間具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，比如說某系統(tǒng)定位精度為每小時(shí)1海里或1角分，兩者意義是相同的，這種對(duì)應(yīng)是地球上的弧長(zhǎng)與弧長(zhǎng)在地球曲率半徑下的角度之間的對(duì)應(yīng)。思考與練習(xí)題了解導(dǎo)航的概念和導(dǎo)航系統(tǒng)的工作狀態(tài)，導(dǎo)航技術(shù)在國(guó)防和民用領(lǐng)域的應(yīng)用以及導(dǎo)航系統(tǒng)，導(dǎo)航技術(shù)的地位。區(qū)別導(dǎo)航和制導(dǎo)的意義，區(qū)別導(dǎo)航參數(shù)和制導(dǎo)參數(shù)。傅科擺實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了什么現(xiàn)象，是怎樣來驗(yàn)證的？了解導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展過程。參考文獻(xiàn)[1]陳金枝.天文導(dǎo)航與星光制導(dǎo).艦船科學(xué)技術(shù),2001.1[2]丁衡高.海陸空天顯神威:慣性技術(shù)縱橫談.北京:清華大學(xué)出版社,2000[3]張宗麟.慣性導(dǎo)航與組合導(dǎo)航.北京:航空工業(yè)出版社,2000.8[4]黃德鳴.慣性技術(shù)神奇的指路魔杖.濟(jì)南:山東教育出版社,2001[5