捷聯(lián)慣性技術的發(fā)展及與平臺慣導系統(tǒng)的對比
| 1.慣性技術與慣性導航的概述 慣性技術是慣性導航技術、慣性制導技術、慣性儀表技術、慣性測量技術以及慣性測試設備和裝置技術的統(tǒng)稱。它已有四十多年的發(fā)展歷史了。由于慣性技術的自主性等特點，它不需要引人外界信息便可實現(xiàn)制導于導航。所以，它在國防科技中占有非常重要的地位，廣泛的運用于航天、航空、航海等軍事領域；隨著慣性技術和計算機技術的不斷發(fā)展以及成本降低，許多國家將其應用領域擴大到現(xiàn)代化交通運輸、海洋開發(fā)、大地測量與勘探、石油鉆井、礦井、隧道的掘進與貫通、機器人控制、現(xiàn)代化醫(yī)療器械、攝影技術以及森林防護、農(nóng)業(yè)播種、施肥等民用領域。 慣性導航系統(tǒng)(Inertial Navigation System)，簡稱慣導，是利用慣性敏感元件、基準方向及最初的位置信息來確定運載體的方位、姿態(tài)和速度的自主式航位推算系統(tǒng)。慣性導航系統(tǒng)可以分為平臺式慣導系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)兩大類：平臺式慣導系統(tǒng)是將陀螺儀和加速計安裝在一個穩(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)；捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)(Strapdown Inertial Navigation System , SINS)是將慣性敏感元件(陀螺儀和加速計)直接安裝在運載體上，是一種不再需要穩(wěn)定平臺或常平架系統(tǒng)的慣性導航系統(tǒng)。 導航的目的就是為了得到運載體的實時的方位、姿態(tài)和速度。在工程運用中，能夠測定物體運動參數(shù)的方法很多：如測量位移可以用里程計，還可以用無線電定位技術、天文定位技術和衛(wèi)星定位技術等；要測速度可以用測速計；要測轉角可用角位置傳感器(電位計、光電碼盤等等)；要測角速度可以用轉速表、測速電機等等。但是，以上各種測量手段還沒有一種能夠在同一時刻單獨實時而又高精度地測量運載體的線運動和角運動，而慣性技術恰是測量這些運動參數(shù)的最理想的手段。 慣性導航系統(tǒng)不僅可以全面地檢測到幾乎所有的運動參數(shù)，而且還有一個極大的優(yōu)點——是完全自主式的導航測量方法。它不依賴聲、光、磁、電等外部信息來測量物體的運動參數(shù)，其工作完全不受自然的和人為的干擾影響，具有極其重要的軍事意義。所以慣性技術是其它任何導航定位定向手段不能替代的。 正因為慣性技術的地位如此重要，它受到世界上技術先進國家的普遍重視。美、英、法、德和前蘇聯(lián)都投入相當大的力量從事慣性技術及有關裝置的研究?，F(xiàn)代科技發(fā)展促進了慣導技術的發(fā)展，慣性導航技術已經(jīng)成為現(xiàn)代高科技發(fā)展水平的標志之一。 2.捷聯(lián)慣性技術的發(fā)展 捷聯(lián)具有悠久的歷史，所謂捷聯(lián)捷聯(lián)慣性系統(tǒng)也就是將慣性敏感元件（陀螺與加速度計）直接捆綁在飛行器上從而完成制導。捷聯(lián)慣導技術最早可以追溯到18世紀50年代，德國著名科學家博耐伯格（Johann Gottlob Friedrich von Bohnenberger）發(fā)明了帶有穩(wěn)定平臺的陀螺儀（gyroscope）模型。100年之后法國的光學物理實驗學家傅科(Leon Foucault)發(fā)明了現(xiàn)代意義上的陀螺并提出了陀螺羅經(jīng)理論。此后一直到第二次世界大戰(zhàn)，有一大批著名的科學家為慣性技術做出了杰出的貢獻，如著名科學家安修茨(Dr. Hermann Auschutz-Kaempfe)、斯佩里(Elmer Ambrose Sperry)、德雷珀(Dr. Charles Stark Draper)、舒勒(Prof. Max Schuler)等。 真正第一次出色完成導航任務的是二戰(zhàn)末期德國著名火箭專家馮•布勞恩（Wernher Von Braun）和他的研制小組發(fā)明的著名的V-2火箭。在V-2火箭上裝載的導航系統(tǒng)就是最原始的捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)，該火箭從當時納粹德國飛越過英吉利海峽準確命中倫敦，震驚世界。 捷聯(lián)慣導技術在美國和蘇聯(lián)迅速地發(fā)展起來，主要用于軍事武器系統(tǒng)。1950年起，麻省理工學院德雷珀實驗室先后完成了平臺慣導系統(tǒng)的飛行器試飛和艦船試航。同時，捷聯(lián)系統(tǒng)也得到成熟的探索。1969年，在“阿波羅-13”宇宙飛船在飛向月球途中，服務艙發(fā)生爆炸使指令艙電源遭破壞。緊急情況下，正是由于德雷珀實驗室低功耗備份捷聯(lián)慣導系統(tǒng)LM/ASA的引導，將飛船引導到返回地球的軌道上，安全降落到太平洋上。 由于捷聯(lián)系統(tǒng)本身固有的優(yōu)點，以及隨著高速大容量的數(shù)字計算機技術和高精度陀螺儀技術出現(xiàn)，捷聯(lián)導航系統(tǒng)在低成本、短期中精度導航中呈現(xiàn)出逐漸取代平臺式系統(tǒng)的趨勢。并且在這一時期捷聯(lián)系統(tǒng)由試飛階段進入了應用階段。 激光、光纖等新型固態(tài)陀螺儀的已逐漸成熟。這些新型陀螺儀具有測量角速度不受限制，過載能力強，精度與過載無關，可*性高，啟動快等優(yōu)點，這些正是捷聯(lián)系統(tǒng)所追求的。在歐洲，軍用飛機中的所有新型以及改進型飛機大部分是用激光陀螺儀慣導裝置；在美國軍用慣導系統(tǒng)1984年全部為平臺式，到1989年已有一半改為捷聯(lián)式，1994年捷聯(lián)式已占有90%。 捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)正朝著高精度、高可*性、低成本、小型化、數(shù)字化、應用領域更加廣泛的方向迅速發(fā)展。在此基礎上，SIN/GPS、SIN/DVL、捷聯(lián)/天文導航等組合導航系統(tǒng)將成為未來發(fā)展的一個方向。 3.捷聯(lián)慣導系統(tǒng)與平臺慣導系統(tǒng)的對比 平臺系統(tǒng)采用常平架平臺，在平臺上安裝慣性敏感元件。平臺可以隔離載體運動對敏感元件的影響并且框架軸上角度傳感器直接輸出姿態(tài)角，然后進行導航推算。 平臺系統(tǒng)已經(jīng)達到了很高的水平，但是其造價、維修費用十分昂貴，而且其采用了框架伺服系統(tǒng)，相對可*性將會下降。捷聯(lián)系統(tǒng)采用的是數(shù)學姿態(tài)轉換平臺，將慣性敏感元件直接安裝到載體上，敏感元件的輸出信息直接輸送到導航計算機中進行實時的姿態(tài)矩陣解算，通過姿態(tài)矩陣把慣性導航系統(tǒng)中加速計測量到的信息轉換到導航用的導航參考坐標系中進行導航積分運算以及提取姿態(tài)角信息 從平臺系統(tǒng)和捷聯(lián)系統(tǒng)的工作原理中，作如下對比： 1) 捷聯(lián)系統(tǒng)敏感元件便于安裝、維修和更換； 2) 捷聯(lián)系統(tǒng)敏感元件可以直接給出艦船坐標系的所有導航參數(shù)，提供給導航、穩(wěn)定控制系統(tǒng)和武備控制系統(tǒng)； 3) 捷聯(lián)系統(tǒng)敏感元件易于重復布置，從而在慣性敏感元件級別上實現(xiàn)冗余技術，這對提高性能和可*性十分有利； 4) 捷聯(lián)系統(tǒng)去掉了常平架平臺，消除了穩(wěn)定平臺穩(wěn)定過程的各種誤差同時減小系統(tǒng)體積。 捷聯(lián)系統(tǒng)把敏感元件直接固定在載體上導致慣性敏感元件工作環(huán)境惡化，降低了系統(tǒng)的精度。因此，必須采取誤差補償措施，或采用新型的光學陀螺。 慣性導航系統(tǒng)技術目前的熱點主要集中在慣性敏感器件、系統(tǒng)精度、系統(tǒng)體積、可*性、系統(tǒng)綜合、系統(tǒng)校正等幾個方面。關鍵在于修正、慣性元件誤差模型的建立和實時補償、捷聯(lián)矩陣的更新等等。 |
