【汇旺担保】 陀螺平台惯性导航系统

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[拼音]:tuoluo pingtai guanxing daohang xitong

[外文]:inertial navigation systems with gyroplatform

一种利用质量作加速度的敏感元件,以陀螺平台为支承的完全自足式导航系统。这种新兴的导航系统是在20世纪初出现的。它以力学中的惯性原理为依据,而与周围物理环境无关,不靠辐射能量和无线电等的辅助,不受外界干扰,导航精度完全取决于元件本身。

惯性导航系统可以作为导航的独立装置来使用,给领航员以指示,也可以作为调整器而结合自动驾驶仪来控制运载器。惯性导航系统一般有加速度计、陀螺平台、计算机,以及控制、显示部件等。基本原理在于用加速度计(惯性敏感元件)测量出运载器的加速度并由积分器加以积分,把讯号变成速度,再由另一积分器积分成路程,再经过座标变换而得到定位和导向的指示。

以平面导航为例,把平台稳定在水平面,沿x,

方向各放一个加速度计。加速度计测出的加速度讯号,可按下页平面导航原理图所示的方案处理。

陀螺平台的功能在于支承加速度计并按导航指示转动。平台的任何微小偏差都会反映到加速度测量中,以致在时间长的导航中会使位置指示的误差积累越来越大。陀螺平台是一种具有速度控制的伺服机构,本身就是受控制元件,它和运载器间不应有任何耦合。

根据陀螺平台的定位方式以及它和加速度计之间的联络状况,惯性导航系统可分为几何式、解析式和半解析式三类:

在几何式惯性导航系统中,陀螺平台稳定在惯性空间,而加速度计平台则用精密的时钟机构(精确度高达几百万分之一秒的晶体振荡器)转动,使之跟上当地的重力方向。这种系统构造复杂,体积和重量都较大。但由于加速度计的方位是受机械控制的,精确度较高,因而能用于船舰、潜艇等的导航。

解析式惯性导航系统的加速度计直接装在陀螺平台上,因而有构造简单、体积重量都小的优点。平台也被稳定在惯性空间。但是,由于重力相对于平台和加速度计的敏感方向都随时间而改变,以致在加速度的实测值中有重力的可变分量介入,比较难以消除。同时,积分器给出的是相对于惯性空间的资料,把这些资料变换到当地的地理座标系中,也很麻烦。这些复杂的计算,通常由地面的计算机完成。这种系统用以制导那些工作时间较短(仅几分钟)的弹道式导弹是比较适宜的。

半解析式惯性导航系统的加速度计也直接装在陀螺平台上,但此平台不断地跟踪著当地水平面。由于平台的进动电动机是按照积分器输出量的放大讯号(在积分前要把介入的有害加速度消除)来工作的,因此电动机的角速度应与讯号保持严格的正比关系,而且在高放大倍数下不失真,这一点是很难做到的。但是,这种系统的座标变换工作比较简单,可以使用较小的计算机。这种系统适用于工作时间长达十几小时的普通飞机和飞航式导弹。

惯性导航系统应用于卫星发射也很出色,它能直接测出轨道的变化率,从而测出应截止推力的精确时间,以便有效地把卫星送入预定轨道。但是,对于时间很长的行星际飞行,由于各行星产生的引力分量难以测准,会有非惯性参考系性质的误差介入并按指数规律积累起来。因此,需要从外界引入补偿讯号,例如利用天文导航、无线电导航等的结合来消除这些误差。

在选择元件引数时,舒勒条件(见舒勒摆)极关重要。满足舒勒条件不仅能排除有害的加速度干扰,同时能使误差的积累以振动的形式出现(也具有84.4分钟的周期),而且不按时间的平方递增。

具有陀螺平台的惯性导航系统的适用性取决于元件的精度。今后除致力于改进现有的元件外,还要进一步探索更好的导航方案和研制新的元件。目前已出现的捷联式惯性导航系统,不用陀螺平台而把运载器上的加速度计(通常是三个速率陀螺仪)的讯号直接输入计算机。这种以计算机软体代替更复杂平台的办法,能降低造价和提高可靠性。

参考书目

布罗克斯梅耶著,致学译:《惯性导航系统》,国防工业出版社,北京,1972。(C. Broxmeyer, Inertial Navigation Systems,McGraw-Hill, New York, 1964.)

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