解决方案

        什么是惯性导航系统

        日期:2014-12-09 11:14

        什么是 惯性导航系统

        科技名词定义

        中文名称:
        惯性导航系统
        英文名称:
        inertial navigation system;INS
        定义1:
        能完成惯性导航任务的成套装置。
        应用学科:
        船舶工程(一级学科);船舶通信导航(二级学科)
        航空科技(一级学科);飞行控制、导航、显示、控制和记录系统(二级学科)
        应用高精度的陀螺仪和加速度计等惯性敏感器件测量运动载体的加速度,再经过计算机解算出运动载体的加速度、位置、姿态和航向等导航参数的自主式导航系统。
        应用学科:
        船舶工程(一级学科);船舶通信导航(二级学科)
        航空科技(一级学科);飞行控制、导航、显示、控制和记录系统(二级学科)
        以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布

        百科名片

        惯性导航系统(INS,以下简称惯导)是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面,还可以在水下。惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础,通过测量载体在惯性参考系的加速度,将它对时间进行积分,且把它变换到导航坐标系中,就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

         
        简介

        定义

          惯性导航系统( 英语:INS )是一个使用加速计和陀螺仪来测量物体的加速度和旋转,并用计算机来连续估算运动物体位置、姿态和速度的辅助导航系统。它不需要一个外部参考系,常常被用在飞机,潜艇,导弹和各种航天器上。

        原理

          属于一种推算导航方式.即从一已知点的位置根据连续测得的运载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当前位置。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出航向和姿态角;加速度计用来测量运动体的加速度经过对时间的一次积分得到速度,速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。惯性导航系统有如下主要优点.(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)可全天流全球、全时间地工作于空中、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.其缺点是.(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时间;(3)设备的价格较昂贵;(4)不能给出时间信息
         
          但惯导有固定的漂移率,这样会造成物体运动的误差,因此射程远的武器通常会采用指令、GPS等对惯导进行定时修正,以获取持续准确的位置参数。惯导系统目前已经发展出挠性惯导、光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表等多种方式。陀螺仪由传统的绕线陀螺发展到静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机械陀螺等。激光陀螺测量动态范围宽,线性度好,性能稳定,具有良好的温度稳定性和重复性,在高精度的应用领域中一直占据着主导位置。由于科技进步,成本较低的光纤陀螺(FOG)和微机械陀螺(MEMS)精度越来越高,是未来陀螺技术发展的方向。

        分类

          捷联式惯性导航系统
         
          解析式惯性导航系统
         
          半解析式惯性导航系

        应用

          惯性导航系统用于各种运动机具中,包括飞机、潜[1]艇、航天飞机等运输工具及导弹,然而成本及复杂性限制了其可以应用的场合。
         
          惯性系统最先应用于火箭制导,美国火箭先驱罗伯特.戈达尔( ROBERT GODDARD )试验了早期的陀螺系统。二战期间经德国人冯布劳恩改进应后,应用于 V-2火箭 制导。战后美国麻省理工学院等研究机构及人员对惯性制导进行深入研究,从而发展成应用飞机、火箭、航天飞机、潜艇的现代惯性导航系统。
         

        惯性技术的重要性

          惯性技术是对载体进行导航的关键技术之一, 惯性技术是利用惯性原理或其它有关 原理,自主测量和控制运载体运动过程的技术,它是惯性导航、惯性制导、惯性测量和 惯性敏感器技术的总称。 现代惯性技术在各国政府雄厚资金的支持下, 己经从最初的军 事应用渗透到民用领域。 惯性技术在国防装备技术中占有非常重要的地位。 对于惯性制导的中远程导弹, 一 般说来命中精度 70%取决于制导系统的精度。对于导弹核潜艇,由于潜航时间长,其位 置和速度是变化的,而这些数据是发射导弹的初始参数,直接影响导弹的命中精度,因 而需要提供高精度位置、 速度和垂直对准信号。 目前适用于潜艇的唯一导航设备就是惯 性导航系统。 惯性导航完全是依靠运载体自身设备独立自主地进行导航, 不依赖外部信 息,具有隐蔽性好、工作不受气象条件和人为干扰影响的优点,而且精度高。对于远程 巡航导弹, 惯性制导系统加上地图匹配技术或其它制导技术, 可保证它飞越几千公里之 后仍能以很高的精度击中目标。 惯性技术己经逐步推广到航天、航空、航海、石油开发、大地测量、海洋调查、地 质钻控、机器人技术和铁路等领域,随着新型惯性敏感器件的出现,惯性技术在汽车工 业、 医疗电子设备中都得到了应用。 因此惯性技术不仅在国防现代化中占有十分重要的 地位,在国民经济各个领域中也日益显示出它的巨大作用。
         

        惯性技术的发展

          从广义上讲从起始点将航行载体引导到目的地的过程统称为导航。 从狭义上讲导航 是指给航行载体提供实时的姿态、 速度和位置信息的技术和方法。 早期人们依靠地磁场、 星光、太阳高度等天文、地理方法获取定位、定向信息,随着科学技术的发展,无线电 导航、惯性导航和卫星导航等技术相继问世,在军事、民用等领域广泛应用。其中,惯 性导航是使用装载在运载体上的陀螺仪和加速度计来测定运载体姿态、 速度、 位置等信 息的技术方法。实现惯性导航的软、硬件设备称为惯性导航系统,简称惯导系统。
         
          捷联式惯性导航系统(Strap-down Inertial Navigation System,简写 SINS)是将 加速度计和陀螺仪直接安装在载体上, 在计算机中实时计算姿态矩阵, 即计算出载体坐 标系与导航坐标系之间的关系, 从而把载体坐标系的加速度计信息转换为导航坐标系下 的信息,然后进行导航计算。由于其具有可靠性高、功能强、重量轻、成本低、精度高 以及使用灵活等优点,使得 SINS 已经成为当今惯性导航系统发展的主流。捷联惯性测 量组件(Inertial Measurement Unit,简写 IMU)是惯导系统的核心组件,IMU 的输出信 息的精度在很大程度上决定了系统的精度。
         
          陀螺仪和加速度计是惯性导航系统中不可缺 少的核心测量器件。 现代高精度的惯性导航系统对所采用的陀螺仪和加速度计提出了很 高的要求, 因为陀螺仪的漂移误差和加速度计的零位偏值是影响惯导系统精度的最直接 的和最重要的因素,因此如何改善惯性器件的性能,提高惯性组件的测量精度,特别是 陀螺仪的测量精度,一直是惯性导航领域研究的重点。 陀螺仪的发展经历了几个阶段。 最初的滚珠轴承式陀螺, 其漂移速率为(l-2)°/h, 通过攻克惯性仪表支撑技术而发展起来的气浮、液浮和磁浮陀螺仪,其精度可以达到 0.001°/h,而静电支撑陀螺的精度可优于 0.0001°/h。从 60 年代开始,挠性陀螺的 研制工作开始起步,其漂移精度优于 0.05°/h 量级,最好的水平可以达到 0.001°/h。
         
          1960 年激光陀螺首次研制成功,标志着光学陀螺开始主宰陀螺市场。目前激光陀螺的 零偏稳定性最高可达 0.0005°/h,激光陀螺面临的最大问题是其制造工艺比较复杂, 因而造成成本偏高, 同时其体积和重量也偏大, 这一方面在一定程度上限制了其在某些 领域的发展应用, 另一方面也促使激光陀螺向低成本、 小型化以及三轴整体式方向发展。 而另一种光学陀螺-光纤陀螺不但具有激光陀螺的很多优点, 而且还具有制造工艺简单、 成本低和重量轻等特点,目前正成为发展最快的一种光学陀螺
         

        我国发展

          我国的惯导技术近年来已经取得了长足进步,液浮陀螺平台惯性导航系统、动力调谐陀螺四轴平台系统已相继应用于长征系列运载火箭。其他各类小型化捷联惯导、光纤陀螺惯导、 激光陀螺惯导以及匹配GPS修正的惯导装置等也已经大量应用于战术制导武器、飞机、舰艇、运载火箭、宇宙飞船等。如漂移率0.01°~0.02°/h 的新型激光陀螺捷联系统在新型战机上试飞,漂移率0.05°/h 以下的光纤陀螺、捷联惯导在舰艇、潜艇上的应用,以及小型化挠性捷联惯导在各类导弹制导武器上的应用,都极大的改善了我军装备的性能。

        ———————————————————————————————————————————

        文 初一

          在介绍现代导航技术之前,必须首先提到惯性导航。惯性导航的基本原理就是航迹推算法。即通过测量飞行器的加速度(惯性),并自动进行积分运算,获得飞行器瞬时速度和瞬时位置数据的技术。组成惯性导航系统的设备都安装在飞行器内,工作时不依赖外界信息,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。后来在很多GPS上都用这种导航方式来解决GPS穿越隧道、山谷等遮挡地带的导航功能,特别对于车载导航仪,基本上都配置了惯性功能。

          1 从V2火箭开始

          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,美国空军的西部研发中心邀请麻省理工学院(MIT)的仪器仪表实验室(即后来的德雷伯实验室)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该项目的负责人是吉姆•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,最后在洲际导弹上主要采用自主导航系统,而在空间探索过程中,则是采用两种导航系统的混合物。

          1952年夏天,Richard Battin和J. Halcombe Laning, 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语言作为第一种可以人工阅读的计算机语言也在航天方面得到广泛应用,现在的航天飞机上主系统的开发语言HAL/S就来自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,而这个项目的技术负责人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,不过由于当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自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日首次公诸于众,该系统到现在仍然在导弹当中广泛使用。

          1958年舡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系统当中的PEG导航系统结合在一起,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。

          2 我国的惯性导航

          我国在惯导研究方面起步相对较晚,西安618所冯培德是研制我国第一套采用液浮惯性器件航空惯性导航系统的主要负责人之一,该系统研制成功,为我国航空惯导发展奠定了基础。

          但近年来已经取得了长足进步,在军民用的各个领域都发挥了重要作用。在历届航展上,都展出了多种惯性导航装置,从中我们可以看到目前我国在这方面所取得的一些成就。参加展出的多家厂商都展出了各自的惯性导航设备,比如航天时代仪器公司的液浮陀螺平台惯性导航系统、动力调谐陀螺四轴平台系统已相继应用于长征系列运载火箭,其它各类小型化捷联惯导、光纤陀螺惯导、激光陀螺惯导以及匹配GPS修正的惯导装置等也已经大量应用于战术制导武器、飞机、舰艇、运载火箭、宇宙飞船等。比如新型陀螺稳定平台应用到最新发射的资源卫星上,显著改善了遥感分辨率和测量精度,漂移率0.01~0.02度/小时的新型激光陀螺捷联系统已经在新型战机上试飞,漂移率0.05度/小时以下的光纤陀螺、捷联惯导在舰艇、潜艇航海上应用,以及小型化挠性捷联惯导在各类导弹制导武器上的应用,都极大的改善了军民用装备的性能,反映了惯性导航测量装置在国防和国民经济中的重大作用。

          3 基本原理介绍

          目前,惯导可分为两大类:平台式惯导和捷联式惯导。它们的主要区别在于,前者有实体的物理平台,陀螺和加速度计置于由陀螺稳定的平台上,该平台跟踪导航坐标系,以实现速度和位置解算,姿态数据直接取自于平台的环架;在捷联式惯导中,陀螺和加速度计直接固连在载体上。惯性平台的功能由计算机完成,故有时也称作“数学平台”,它的姿态数据是通过计算得到的。惯导有固定的漂移率,这样会造成物体运动的误差,因此长射程的武器通常会采用指令、GPS等对惯导进行定时修正,以获取持续准确的位置参数。比如中距空空弹中段采用捷联式惯导+指令修正,JDAM采用自主式的卫星定位/惯性导航组合(GPS/INS),战斧也采用了GPS/INS+地形匹配的技术,多数运载火箭采用平台式惯导等。

          惯导系统的机制目前已经发展出挠性惯导、光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表等多种方式,根据环境和精度要求的不同,广泛的应用在航空、航天、航海和陆地机动的各个方面。

          从原理上来说,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。惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪,又称惯性导航组合。3个自由度陀螺仪用来测量飞行器的3个转动运动;3个加速度计用来测量飞行器的3个平移运动的加速度。计算机根据测得的加速度信号计算出飞行器的速度和位置数据。控制显示器显示各种导航参数。按照惯性导航组合在飞行器上的安装方式,分为平台式惯性导航系统(惯性导航组合安装在惯性平台的台体上)和捷联式惯性导航系统(惯性导航组合直接安装在飞行器上);后者省去平台,所以结构简单、体积小、维护方便,但仪表工作条件不佳 (影响精度),计算工作量大。

          惯性导航系统属于一种推算导航方式。即从一已知点的位置根据连续测得的运载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当前位置。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出航向和姿态角;加速度计用来测量运动体的加速度经过对时间的一次积分得到速度,速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。惯性导航系统有如下主要优点。

          (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,故隐蔽性好且不受外界电磁干扰的影响;

          (2)可全天候全球、全时间地工作于空中地球表面乃至水下;

          (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。

          其缺点如下。

          (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时间;

          (3)设备的价格较昂贵;

          (4)不能给出时间信息。

        所属类别: 行业信息

        该资讯的关键词为: