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光纤陀螺在捷联惯导系统中的应用


    惯性导航系统(简称惯导系统),是通过测量运载体本身的加速度来完成导航任务的系统,它至少应由一个惯性测量装置、一个数字计算机和一个控制显示装置及一个专用精密电源组成。根据牛顿惯性原理,利用惯性元件(陀螺仪、加速度计)测量出运载体在惯性参考系下的加速度,经过积分和运算,便可以获得导航坐标系下的速度、姿态角和位置信息等,供导航使用。所以惯性导航系统是一种不依赖于任何外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统,具有数据更新率高、短期精度高和稳定性好等优点,被广泛应用于航天、航空、航海和许多民用领域,成为目前各种航行体上应用的一种主要导航设备。
    按惯性测量装置在载体上的安装方式,可以将惯性导航系统分为:
◆ 平台式惯性导航系统
◆ 捷联式惯性导航系统

    由于运载体的运动是在三维空间里进行的,它的运动形式有两种,一是线运动,一是角运动。不论是线运动还是角运动都是三维空间的,而要建立一个三维空间坐标系,势必要建立一个三轴惯性平台。有了三轴惯性平台,才能提供测量三自由度线加速度的基准,测得已知方位的三个线加速度分量,通过计算机计算出运载体的运动速度及位置,所以第一大类惯导系统方案是平台式惯性导航系统。由于采用了复杂的“机械平台”,其制造和维护成本较高,体积、质量较大,可靠性不高。若不采用“机械平台”,将惯性元件陀螺仪和加速度计直接安装在运载体上,在计算机中建立一个“数学平台”,通过复杂计算及变换,来得到运载体的速度和位置,这种无机械平台的惯导系统就是第二大类惯导系统方案,称之为捷联式惯导系统(Strapdown Inertial Navigation System,简称SINS)。它们的主要区别在于,平台式惯导系统有实际的物理平台,陀螺和加速度计置于稳定平台上,该平台跟踪导航坐标系,以实现速度和位置解算,姿态数据则直接取自于平台的环架;而在捷联式惯导中,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,也就是所谓的“数学平台”。


捷联惯导系统结构

   由于捷联系统没有平台系统复杂的框架结构和框架跟踪陀螺的伺服系统,因而大大简化了系统结构,给系统带来许多优点:
◆ 系统的体积和成本大大降低;
◆ 惯性仪表便于安装、维护和更换;
◆ 能够提供更多的导航信息;

◆ 惯性仪表便于采用余度配置,从而提高系统性能和可靠性。

        鉴于上述优点,捷联式系统已成为惯性技术发展的主要方向。有关资料报道,美国军用惯导系统1984年全部为平台式,到1989年已有一半改为捷联式,而到1994年捷联式已占90%。

    20世纪80-90年代,在航天飞机、宇宙飞船、卫星等民用领域及各种战略、战术导弹、军用飞机、反潜武器、作战舰艇等军事领域开始采用动力调谐式陀螺、激光陀螺和光纤式陀螺的捷联惯导系统。其中激光陀螺和光纤式陀螺是捷联惯导系统的理想器件。采用光纤陀螺的捷联航姿系统已用于战斗机的机载武器系统及波音777飞机中。波音777由于采用了光纤陀螺的捷联惯导系统,其平均故障间隔时间可高达20000h。采用光纤陀螺的捷联惯导系统被认为是一种极有发展前途的导航系统。而随着航空航天技术的发展及新型惯性器件关键技术的陆续突破,捷联惯导系统的可靠性、精度将会更高。
    基于捷联惯导系统,不管惯性器件的精度多高,由于陀螺漂移和加速度计的误差随时间逐渐积累,惯导系统长时间运行必将导致客观的积累误差,因此,目前人们在不断探索提高自主式惯导系统的精度外,还在寻求引入外部信息,形成组合式导航系统,这是弥补惯导系统不足的一个重要措施。本文将不讨论组合导航系统。
    另外,惯性导航系统属于航位推算导航系统,因此在导航以前必须有一个初始化的过程,对于捷联惯导系统来说,初始对准就是确定初始时刻的捷联矩阵。初始对准在每次启动进入正式工作之前都要进行,而且要求对准精度高、对准时间短。
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