惯性导航PPT汇总资料讲解.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一讲,微惯性测量的基本原理与发展史,1,1.1,导航,一、导航,基本概念,检测和确定这些参数是通过,具有导航功能的系统,完成。,表征载体（运动物体）在空间运动过程的,基本参数,。,位置、速度、姿态,是描述载体运动的,基本参数,。,导航的实质：,获取载体的三种基本参数、或部分参数。,2,1.1,导航,一、导航,基本概念,导：引导,航：航行,导航：,引导载体到达目的地的指示或控制过程。,确定载体的位置、速度、姿态,导航：,引导一个物体从一个地方航行到另一个地方。,（指：飞行器、舰船、车辆、人等）,3,1.1,导航,一、导航,分类,自主式导航：,非自主式导航：,不需要外部辅助，譬如,惯性导航,、多普勒导航和天文导航等；,需要有关的地面或空中设备配合完成，如无线电导航、卫星导航。,4,1.1,导航,一、导航,任务与系统,提供载体运动的空间,6,自由度导航参数,：即,3,维位置和,3,维角度，决定一个物体在三维空间的位置和姿态。,导航系统：,能提供导航参数，实现导航任务的系统。,导航装置通常分为陆基和星基两大类。,早期导航系统：,主要由功能单一的仪表组成,.,当前导航系统：,由各种传感器构成的高精度多功能系统,5,1.1,导航,一、导航,两种工作状态,指示状态：,自动导航状态：,在这两种工作状态下：,导航系统的作用只是提供导航参数,，为,自动控制和导引载体按预定轨迹准确,到达目的地的制导过程提供信息保障。,导航系统提供的信息仅供驾驶员操作和引导载体之用，导航系统不直接对载体进行控制。,导航系统直接提供载体自动驾驶控制系统所需的信息，由其操纵和引导载体。,6,1.2,导航,-,发展历程,一、导航,发展历程,发展历程：不同的导航手段,指路：,最简单的导航方式，其特点是依赖于我们对周围环境已知特征或固定物体的观察和识别，并在他们之间运动。通常这些特征物的位置称为“航路点”,地图：,通过观察地图上的地理特征（如道路、山谷、河流等）来确定自己的位置。这些特征可根据网格系统（即坐标系）标志在地图上。有了坐标系，导航员就能确定自己在坐标系的位置（因此，坐标系对于导航过程来说是最基本的）。,7,1.2,导航,-,发展历程,一、导航,发展历程,发展历程：不同的导航手段,观星：,即天体观测，观测自己相对于固定天体的位置。固定天体有效地确定了一个在空间固定的坐标系，通常被称为“惯性”坐标系，天体观测可确定自己相对于该坐标系的位置。海上导航使用较多。,推算：,根据初始位置和速度、方位的测量来计算当前位置。,惯性导航：,利用惯性敏感器（陀螺仪和加速度计）测量相对于惯性坐标系的转动和平移来完成。,8,1.2导航-发展历程,指南针的始祖,司南 中国古代罗盘针,战国时期，利用磁石制成，确定南北方位。,指南针：北宋初期。,罗盘针：把指南针固定在方位盘中。,9,1.2导航-发展历程,六分仪,天文经纬仪,10,1.2导航-发展历程,导航系统的发展过程：,古代：指南针、天文、时钟、地形标识,早期飞行依靠磁罗盘，速度表等导航仪表,30,年代各种无线电导航的问世,60-70,年代惯性导航系统、多普勒导航系统,80,年代末全球定位导航系统问世,90,年代惯性,/,卫星组合导航系统大量推广,21,世纪新型导航系统和容错组合导航系统,11,1.2导航-发展历程,罗盘导航、地标导航,中国航海所使用的是磁针浮于水面的,水罗盘,；,欧洲改进，发展出具有固定支点的磁针，即,旱罗盘,；,18,世纪末，,液体磁罗经,出现，其罗盘悬浮于盛满液体的罗盘中，因液体的浮力作用，罗盘支撑轴针与轴承间的摩擦力大大减小，提高了系统的灵敏度和稳定度。,早期的地标导航,：利用在地图或海图上已标明位置的地物、地标，在载体上用光学等方法，用测向或测距法定出载体的地理位置。,这种方法简单，但易受气候和地域条件的限制。,12,1.2导航-发展历程,无线电导航,利用无线电波在均匀介质和自由空间直线传播及恒速两大特性进行导航。,两种定位方式：,（,1,）通过设置在载体和地面上的收发系统，测量载体,相对地面台站的距离、距离差、相位差进行定位。,（,2,）通过载体上的接收系统，接收地面台站发射的无线,电信号，测量载体相对于已知地面台站的方位角进,行定位。,13,1.2导航-发展历程,无线电导航特点,无线电导航的优点（,3,点）：,精度高,可靠性高,价格低,无线电导航的缺点（,5,点）：,依赖地面台站配合,电波易受干扰,自身易暴露,生存力差,对抗性弱,14,1.2导航-发展历程,多普勒导航,20,世纪,60,70,年代，不依赖地面导航台站的多普勒雷达导航系统出现。,利用,多普勒频移,效应，测量载体相对地面的速度，进而完成导航任务。,15,1.2导航-发展历程,多普勒导航特点,多普勒导航的优点：,多普勒导航的缺点：,（无需地面台站配合）,主动工作、自主性强,（,1,）易受干扰、易暴露。,（雷达开机发射电波）,（,2,）定位精度与反射面的具体情况密切相关。,（如：海面、沙漠反射性差）,（,3,）精度受雷达天线姿态影响大。,（如：载体做大机动运动时，可能无法收到反射波）,16,1.2导航-发展历程,卫星导航,通过围绕地球运行的人造地球卫星,安装在载体上的卫星导航接收机接收卫星信号，并计算出自身的位置、速度等导航信息。,卫星导航的发展以美国和俄罗斯,/,前苏联为主导，欧洲和中国于最近十余年才开始建立自己的卫星导航系统。,向地球表面发射经过编码和调制的无线电信号（编码中：载有卫星信号的时间和星座中各个卫星在空间的位置、姿态等信息）,17,1.2导航-发展历程,地形辅助导航,(,地形匹配,),系统通过高度,/,图像（视觉）传感器获得所在区域的相对高度和图像信息,与系统预存的该地域的,3D,数字地图,/,图像信息进行高度,/,图像的高精度对比、匹配,通过求取最佳匹配点,获得载体当前的位置、速度、姿态,18,1.2导航-发展历程,地形辅助导航,在某些特殊环境与条件下（对无线电波干扰严重的情况，如：人为干扰、山区）,基于无线电信号的导航系统易受人为或自然干扰的影响，导致导航系统精度明显降低,因此，地形辅助,/,视觉导航系统应运而生，并日益受到重视与应用,19,1.2导航-发展历程,地形辅助导航,地形辅助,/,视觉导航系统与其它导航系统相比：,增加了存储数字地图,/,图像的大容量存储器。,优点：,自主性好、抗干扰能力强。,缺点：,精度易受所处环境的影响。,（如：在相似的平坦地面或海面上空，难以获得有,效的导航辅助信息。）,20,1.2导航-发展历程,天文导航,早期的天文导航,只能通过观测天空中的星体来确定载体的位置。无法连续定位，工作方式受星体可见度的限制。,利用天空中的星体在一定时刻与地球的地理位置具有固定关系这一特点,通过观察星体，以确定载体的位置,当前：,射电天文,等精确仪器,脉冲星,导航,惯性,/,天文,组合导航,21,1.2导航-发展历程,组合导航,载体机动性增大、航程加长，对导航系统提出了,高精度,、,长航时,/,航程,、,高可靠性,的要求。,各种导航系统在不同程度上存在不足与缺陷。,导航系统迫切需要实现,多信息的融合,，以提高其,冗余度,和,容错,能力。,以惯性导航为主的组合导航系统，子系统取长补短，使组合后的导航精度远高于子系统单独工作的精度，大大扩大了导航系统的使用范围，提高了系统的精度和可靠性。,22,1.2导航-发展历程,组合导航,惯性、卫星导航系统都存在各自的优缺点，对导航信息进行信息融合，其优点如下：,(1),互补、超越,。组合导航系统融合了各导航子系统的导航信息，相互取长补短，超越了单个子系统的性能和精度，同时提高了系统环境适应性；,(2),冗余、可靠,。同一导航信息可通过多个导航子系统测量，获得冗余的测量信息，增强了系统的冗余度，提高了系统的可靠性；,(3),低成本,。通过组合导航技术在保证导航系统精度的同时，可降低单系统对器件的要求，从而降低组合导航系统的成本。,23,1.3,惯性导航,惯性导航,空间,6,自由度（,6D,）的导航参数：,3,个正交的位置自由度,可能为位置、速度或加速度,3,个正交的角自由度,可能为角速度、角加速度,6,自由度确定了一个物体的位置和状况,!,24,1.3,惯性导航,惯性导航,建立在牛顿经典力学定律的基础之上。,（惯性定律,F=ma F vs-F,）,惯性导航的主要器件是陀螺仪和加速度计。,线运动用,“,加速度计,”,来测量。,角运动用,“,陀螺仪,”,来测量。,有了上述信息，就可以把加速度分解到惯性系，积分计算速度、位置等。,25,1.3,惯性导航,惯性导航,惯性导航就是用陀螺仪和加速度计敏感的角速率和比力信息确定载体运动姿态、位置、速度等导航参数的过程。,与其他类型的导航系统不同（如卫星导航系统、无线电导航系统等），,惯性导航系统的导航过程是完全自主隐蔽的，它不需要从外部接收任何信息（声、光、电、磁），同时不受自然天气因素的干扰,。,26,1.3,惯性导航,惯性导航,以牛顿力学为基础，只依靠安装于载体内的惯性测量传感器和相应的配套系统，建立基准坐标系，,利用测量得到的角速度和加速度，通过积分和推算，,获得载体的位置、速度、姿态。,优点：高度自主（惯性是物体自身固有特性）,缺点：长期工作稳定性差（误差随时间发散）,27,1.3,惯性导航,导航与制导,导航（,Navigation,）,提供航行体的导航参数，如位置、速度、姿态等；,制导,(Guidance),根据预定的航程（目的地和航线），控制引导载体到达终点的过程,28,1.3,惯性导航,导航：,只负责提供载体的运动信息,如位置、速度、姿态,控制器,执行器,位置,速度,姿态,导航（信息反馈）,制导：,建立航迹参数（如位置、速度、航向等）；,根据测量的载体实际运动参数，自动产生控制（制导）信息，传输给载体的相应控制部件。,29,1.3,惯性导航,导航：,提供载体的运动信息,如位置、速度、姿态等,导航、制导与控制之间的关系,:,30,1.4,惯性技术发展史,惯性技术,是一项涉及到多学科（机电、光学、数学、力学、控制及计算机等学科）交叉的高新尖端技术，,又是现代武器系统中的一项核心支撑技术，,是在先进科学理论和制造工艺支持条件下发展起来的。,世界上只有为数不多的国家有能力研制惯性技术产品。,我国惯性技术在自力更生为主的基础上，发展至今已具有一定规模。,31,1.4,惯性技术发展史,惯性技术,在我国的航空、航天、兵器、航海和陆地车辆的导航和定位中得到了广泛的应用。,惯性技术还在以下民用领域里获得了成功应用：,大地测量,海洋勘探,石油钻井,航空测量,摄影等,海、陆、空、天,32,1.4,惯性技术发展史,理论和基础：,1,、,1687年,牛顿,提出了,力学三大定律和引力定律，为惯性导航奠定了理论基础,；,2,、,1765年俄国,欧拉,院士出版了著作刚体绕定点运动的理论，,首次利用解析的方法对定点转动刚体作了本质解释,，创立了,陀螺仪理论的基础,；,3,、,1778年法国,拉格朗日,在分析力学中,建立了在重力力矩作用下定点转动刚体的运动微分方程,组。,33,1.4,惯性技术发展史,理论和基础：,4,、,1852年法国科学家,傅科,根据上述理论,发现了陀螺效应，观察到了地球自转,，并首先使用,“,Gyro,”,(Gyroscope转动观察)这个名词；开创了人们对工程实用陀螺的研究和开发。,5,、,1923,年，,舒拉,发表了论文,运载工具的加速度对于摆和陀螺仪的干扰,，,提出了,84.4,分的无干扰理论,，为惯性技术的发展起到了关键的理论指导作用，陀螺仪的设计开始完善,舒拉调谐,；,34,1.4,惯性技术发展史,理论和基础：,6,、,1939,年，苏联,布尔佳科夫,通讯院士出版：,“,陀螺仪实用理论,”,，认为是,陀螺仪实用理论的奠基性著作,。,7,、,1949,年，,J.H.Laning,Jr,.,发表名为,“,The vector analysis of finite rotations and angles,”,的报告，,建立了捷联式惯性导航的理论基础,；,8,、,1920,年前后，出现了,供飞机使用的转弯速率指示器、人工水平仪和方位陀螺,；,35,1.4,惯性技术发展史,理论和基础：,9,、二战期间，,德国,V2,火箭,用两个二自由度陀螺和一个加速度计构成惯性制导系统，这是,惯性技术在导弹制导上的首次应用,。但由于惯性器件精度低，设计粗糙，无法实现舒拉调谐要求，因此在轰炸伦敦的过程中，,1/4,的,V2,火箭提前掉入大海。,10,、,1949,年，,美国将纯惯性导航系统试验安装到一架,B-29,远程轰炸机上,，,首次实现了横贯美国大陆的全自动飞行，自主飞行时间长达,10,小时,。,36,1.4,惯性技术发展史,理论和基础：,11,、,1958,年，,美国海军,“,鹦鹉螺,”,号核潜艇,，从珍珠港附近出发，穿越北极冰层，历时,21,天,到达英国波特兰港。装备,液浮陀螺平台惯性导航系统,，,定位误差仅为,20,海里,，震惊了世界。,12,、,20,世纪,70,年代，,美国利顿,(Liton),公司的,LTN,系列惯导系统,，,当时几乎占据了世界民航飞机标准惯导的全部订单,。,13,、随着新概念测量原理的出现，,新型惯性器件在不断发展,，传统的,转子陀螺在被新型陀螺（光学陀螺、微机械陀螺）逐步替代,。,37,1.4,惯性技术发展史,理论和基础：,38,1.4,惯性技术发展史,惯性导航系统的精度发展和变化：,第一代：,40,年代前，只有惯性仪表，如地平仪、罗经等，谈不上精度；,第二代：,40,年代至,70,年代，惯性仪表从,-2,火箭开始出现，并广泛使用。定位精度,0.3-2nm,h,，陀螺精度为,0.3deg,；,第三代：,定位精度比第二代提高二个数量级，陀螺精度为,10,-3,-10,-5,deg,；,第四代：,从,80,年代开始研制，应用最新现代科学技术，定位精度小于米。,39,1.4,惯性技术发展史,发展惯性导航技术的意义,：,随着近年来科学技术的迅速发展，出现了,各种定位与导航方式和系统,，,惯性导航系统以其自主、隐蔽、完备导航的独特优点倍受武器系统青睐,。,定位与导航技术正朝着多功能、高精度、高可靠性、小体积、低成本等方向发展。,定位与导航技术已经发展为集现代传感技术、计算机技术和现代控制理论为一体的综合型应用技术。,定位与导航技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。,40,1.4,惯性技术发展史,惯性技术海、陆、空、天显神通,：,41,1.4,惯性技术发展史,惯性技术海陆空天显神通,：,42,1.4,惯性技术发展史,早期的陀螺仪：,43,1.4,惯性技术发展史,傅科摆,1,6,0年前的实验：,1851,年的巴黎，在国葬院（法兰西共和国的先贤祠）大厅里，傅科（,Jean Foucault,）作了一项有趣实验；,傅科在大厅的穹顶上悬挂了一条,67,米长的绳索，绳索下面是一个重达,28,千克的摆锤，摆锤下方是大沙盘。,每当摆锤经过沙盘上方的时候，摆锤上的指针就会在沙盘上面留下运动的轨迹。按照日常生活的经验，这个硕大无朋的摆应该在沙盘上画出唯一一条轨迹。,实验开始后，人们惊奇的发现，傅科设置的摆每经过一个周期的震荡，在沙盘上画出的轨迹都会偏离原来的轨迹（准确地说，在这个直径,6,米的沙盘边缘，两个轨迹之间相差大约,3,毫米）。,“,地球真的是在转动啊,”,，有人不禁发出了这样感慨。,44,1.4,惯性技术发展史,法国国葬院外景图：,45,1.4,惯性技术发展史,法国国葬院,内,傅科摆,46,1.4,惯性技术发展史,法国国葬院,内,傅科摆,47,1.4,惯性技术发展史,北京天文台,傅科摆,48,1.4,惯性技术发展史,德国的V-2导弹,1912,年,3,月,23,日，冯,布劳恩出生于德国维尔西茨。他的父亲是德国农业大臣，对天文和火箭极有兴趣。,二次大战后，布劳恩作为“头脑财富”来到美国。,1956,年，布劳恩任陆军导弹局发展处处长。他先后研制成“红石”、“丘比特”、“潘兴式”导弹。其中“丘比特”型火箭，是美国第一颗人造卫星发射成功的关键保障。,1970,年，布劳恩任美国国家航空和航天局主管计划的副局长，并兼任马歇尔航天中心主任。,1977,年,6,月,16,日，布劳恩因患肠癌在弗吉尼亚州的亚历山大医院与世长辞。,维纳,-,冯,-,布劳恩,导弹之父,49,1.4,惯性技术发展史,穿过北极的美国核潜艇“鹦鹉螺”,50,1.5,惯性技术内涵,一般说来，惯性技术包括：,惯性导航技术,平台式,&,捷联式,惯性制导技术,惯性测量技术,惯性器件技术,惯性测试技术（元件、组件、系统）,51,1.5,惯性技术内涵,惯性导航：,器件,:,陀螺仪,(Gyroscopes),加速度计,(Accelerometers),系统,(Inertial Navigation Systems,INS):,平台式惯导系统,(Platform INS),捷联惯导系统,(Strapdown INS SINS),52,1.6,惯性导航基础,惯性导航以牛顿第二定律为基础,动力学,(dynamics),惯性导航以对载体的加速度的测量为起点,(,使用加速度计,accelerometers).,m,敏感轴,万有引力的影响,53,1.7,惯性导航基本思想,位置、速度和加速度之间的关系,:,惯性导航的特点,:,自主,(Autonomous,self-contained),无需外部信息,只依赖于对载体的惯性测量,(,借助加速度计、陀螺仪,),54,1.8,二维导航例子,平面二维导航,载体,平台,加速度计的输出经一次积分得速度，二次积分得位置,.,Acc.X,Acc.Y,导航过程中，平台需要跟踪导航参考坐标系,OXY.,平台的稳定是借助于陀螺仪,(gyroscope),实现的,.,平台式,vs,捷联式,55,1.9,陀螺发展的两种趋势,60,年代后，陀螺仪的发展趋势呈现出两种分支：,追求更高的精度,低成本小型化,(for SINS),对更高精度的追求,框架支撑系统的改进,液浮,气浮,磁悬浮,精度优于,10 e,-7,deg/h,56,1.10,高精度,:,静电陀螺,静电悬浮陀螺,：非接触支撑,陶瓷,壳体,球形,转子,自转轴,球形电极,钛离子泵,1952 Nordsieck,提出,1970s,后期投入实用,用于惯导，优于,10e,-7,deg/h,用于太空望远镜,10e,-11,deg/h,57,1.11,低成本、小型化,环形激光陀螺,(Ring laser gyro-RLG),1960s,早期开始研制,1970s,后期进入实用,光纤陀螺,(Fiber Optical Gyro FOG),1970s,开始研制,1980s,早期进入实用,58,1.12,振动陀螺,振动,(vibratory),陀螺,音叉,(Tuning fork),压电,(Piezoelectric),陀螺,半球谐振陀螺,(Hemi-spherical resonant gyro,HRG),微机电,(MEMS),Micro Electro-Mechanical Systems,Micromachined Electro-Mechanical Systems,59,1.13,两类惯导系统的发展,平台式,惯导系统,(PINS,or INS),(,后来的,Draper,实验室,),1950s MIT,研制出首套惯导系统,1960s,1970s,广泛应用,1980s,应用逐渐缩减，限于战略高端,捷联式,惯导系统,(SINS),1960s,思想提出,1970s,理论已完善，产品还不成熟,1980s,应用迅速增长,.,60,1.13,微惯性技术发展史,微惯性技术,：,20,世纪,90,年代以后，继微米,/,纳米技术成功应用于大规模集成电路制作，采用微电子机械加工技术（,MEMT,）制造的各种微传感器和微机电系统（,MEMS,）脱颖而出，微结构传感器是微机电系统的重要组成部分，而微结构惯性传感器又是微传感器中目前发展最快、最具有实用性的产品之一。,微机电陀螺目前的最高精度指标约为,1-10,h,，下一步的发展目标是,0.1-1,h.,微加速度计目前最高精度约为,100g,，下一步,10,g,。,61,1.13,微惯性技术发展史,微惯性集成测量系统基本概念与原理,：,62,1.14,微惯性仪表原理,微惯性仪表的基本原理：,微机械惯性传感器是集微型精密机械、微电子学、半导体集成电路工艺等新技术于一身的世界前沿性新技术，它的出现使惯性技术产生了一次新的飞跃，微惯性器件的工作原理仍然是经典力学中的牛顿定律。,微陀螺利用哥氏效应：,a=,微加速度计利用惯性第二定律：,F=ma,63,与传统惯性器件相比，微惯性器件具有以下一些优点：,(1),器件微型化、集成化，尺寸达到微米数量级，因而体积小，重量轻，成本低，适于批量化生产；,(2),测量范围大，可靠性高，功耗低，易于实现数字化和智能化。,1.15,微惯性仪表特点,64,微机电系统的关键技术是研制微机电惯性仪表。其体积小、重量轻、低成本、可靠性高、和抗恶劣环境等诸多优越性能使其广泛应用于军事领域、汽车领域、玩具、游戏机及体育设施等消费类领域。,1.15,微惯性仪表,65,微机电陀螺仪,陀螺仪是敏感壳体相对惯性空间的角运动的装置。其英文名为,“,Gyroscope,”,或,“,Gyro,”,，来自希腊文，其意即为,“,旋转敏感器,”,。随着科学技术发展，相继发现了数十种物理效应可以被用来敏感相对于惯性空间的角运动，人们亦把陀螺仪这一名称扩展到没有刚体转子而功能与经典陀螺仪等同的敏感器。,1.15,微惯性仪表,66,目前常见的微机械角速度传感器有双平衡环结构、悬臂梁结构、音叉结构、振动环结构等。,目前实现的微机械陀螺的精度在,10/h,左右，国外较高精度的微陀螺的精度在,1/h,左右，离惯性导航系统所需的,0.1/h,还有距离。,微机电振动陀螺仪的振子结构一般设计成具有相互正交的驱动,/,检测模态，而且两模态的谐振频率越接近，越能高灵敏度地检出哥氏力。,1.15,微惯性仪表,67,微陀螺仪广阔的应用前景，使国内外对其作了大量研究，国外从事微机械陀螺的研制与生产起步较早，研制单位也很多。国外研制微机电陀螺仪的单位主要有：美国,Sperry,公司、美国,Draper,实验室公司、美国的,AD,公司、德雷珀实验室（,CSDL,）、,BAE,公司、通用电器公司（,GEC,）等，其中通用已大量生产用于,A-10,飞机增稳系统的,VYRO,压电振动陀螺）。,1.15,微惯性仪表,68,在美军方资助下，,1988,年德雷珀实验室率先研制出框架式角振动陀螺仪。其第二代微机械陀螺仪,音叉式线振动陀螺仪,(TFG),于,1993,年,5,月研制成功。,日本东北大学,1994,年研制出音叉式线振结构的微陀螺,日本村田制作所于,1995,年,9,月研制出谐振式微机械陀螺仪,瑞士,Neuchatel,大学的微结构技术研究所于,1998,年研制出采用音叉结构的电磁激励压敏电桥检测方式的陀螺,.,1.15,微惯性仪表,69,国内从事微机械陀螺的单位主要有：,清华大学,中电,26,所,中电十三所,东南大学,复旦大学,中北大学,在一些关键的技术指标上，样机所达到的程度与国外的产品尚有不少差距。,1.15,微惯性仪表,70,微机电加速度计（,Micro Accelerometer,）,微加速度计是用来测量载体线加速度的装置（其英文名为,:A,ccelerometer,），并可以通过积分，提供速度和位移的信息。,微加速度计还可以和微型陀螺仪组合构成微型惯性测量单元,(MIMU),，用于战术武器、智能炮弹的制导系统，微小卫星的测控系统，以及汽车、机器人等的测控系统中。,1.15,微惯性仪表,71,微加速度计的类型较多，按检测质量的运动方式来分，有角振动方式和线振动方式加速度计；,按检测质量的支承方式来分有：扭摆式、悬臂梁式、和弹簧支撑式；,按信号检测的方式来分有：电容式、电阻式、谐振式、热对流式和隧道电流式等；按控制方式来分，有开环式和闭环式之分。,目前在微机械加速度计的研制过程中，传感器输出的微弱信号的检测一直是困扰研究人员的突出问题。,1.15,微惯性仪表,72,国内研制微机电加速度计的单位有：,北京大学微电子所，清华大学、上海冶金所、电子信息产业部十三所、信息产业部第四十九所，哈尔滨工业大学、中北大学等十多家单位。,中北大学研制的弹载高过载加速度计、小量程高精度加速度计、复合量程加速度计等目前已经广泛地应用于航空、航天与兵器等领域。,1.15,微惯性仪表,73,微机电惯性测量组合,-1,德雷珀试验室,1994,年研制出的微机电惯性测量组合，由六个传感器组成，包括三个微机械陀螺仪和三个微机械加速度计，配置在立方体的三个正交平面上。陀螺零偏稳定性为,10/h,，加速度计零偏稳定性为,250g,。整个微惯性测量组合的尺寸为,2cm2cm 0.5cm,，质量约,5g,，功率小于,1W,；,1.15,微惯性仪表,74,微机电惯性测量组合,-2,1998,年，美国桑地压国家实验室（,SNL,）及,BSAC,将一个敏感,x,，,y,平面角速度运动的二维微陀螺和一个敏感垂直轴向即,z,方向角速度的一维微陀螺及三维加速度计以及相应测试电路集成在一块芯片上，芯片边长,1cm,。,微机电惯性测量组合的电子线路由三部分组成：传感器电路组件、转换电路组件和数据处理组件。最终目标是将所有功能模块集成在一块硅片上。,1.15,微惯性仪表,75,陀螺仪和加速度计在航空、航海、航天、兵器以及其他一些民用领域有着十分广泛和重要的应用。,以陀螺仪和加速度计为核心部件的惯性导航系统成为现代飞机、大型舰只和潜艇的一种重要导航设备，而惯性制导系统则成为战术导弹、战略导弹、巡航导弹和运载火箭的一种重要制导设备。,尤其对体现国防尖端科学技术水平的三大战略武器（洲际导弹、远程轰炸机和核潜艇）来说，如果没有精确可靠的惯导系统，就不可能发挥其应有的战略威慑作用。,1.16,微惯性测量技术的主要应用领域,76,1.16,微惯性测量技术的主要应用领域,77,航海上的应用,惯性技术用在航海上主要是提供精确可靠的航向基准和方位基准，通常用于以下系统中：,舰船姿态和航向测量,航位推算系统,武器发射系统,导弹指挥系统,舰载设备（火炮控制、鱼雷、导弹等）,1.16,微惯性测量技术的主要应用领域,78,地面导航中的应用,现代战争是立体化战争，要求各军、兵种协同作战。对陆军而言，为在复杂的地理环境和各种外界干扰条件下迅速地调动地面部队，有效地发挥地面火力，也需要精确的定位和定向。于是，惯导系统被应用到陆军炮兵测位和地面战车导航。,1.16,微惯性测量技术的主要应用领域,79,坦克、装甲战车等地面作战平台，不仅应具有高机动能力和运动中射击能力，而且应随时掌握自己、友军、敌军的位置，以便协同作战。自行火炮之类的作战车辆，则必须能频繁和随机地运动、停止、快速瞄准和射击，然后迅速转移到新的射击阵地。这种作战方式要求地面作战平台具有地面导航能力，即能不断测量位置的变化，准确确定当前的位置，精确保持动态姿态基准。,1.16,微惯性测量技术的主要应用领域,80,航天上的应用,惯性技术应用在航天上提供姿态控制，包括：,航天飞行器对地定向,航天飞行器姿态控制系统,1.16,微惯性测量技术的主要应用领域,81,航空上的应用,惯性技术在航空上主要用于提供飞机的姿态和航向等信息，通常用于以下系统中：,飞机姿态测量,飞行控制系统（自动驾驶仪、自动稳定器）,机载雷达系统,武器投放系统,航空照相系统,1.16,微惯性测量技术的主要应用领域,82,微惯性器件在军事上的应用模式,1,、作为传统惯性器件的替代品，,包括精度、可靠性和体积在内的许多性能都得到提高，而价格降低。例如应用于战术寻的头的稳定、自动驾驶仪、短程导弹、鱼雷引信、低成本姿态航向参考系统等领域。,2,、实现新功能和新应用,，如小型制导弹药、制导炸弹、智能炮弹、智能引信、单兵作战系统、无人驾驶飞机等。,3,、利用惯性测量组合进行精确制导,，例如应用于联合攻击弹药、风偏修正弹药弹箱、联合防区外攻击系统。,1.16,微惯性测量技术的主要应用领域,83,硅微惯性器件在军事上的应用领域,1,、弹的安全保险与引爆装置,弹药在贮运过程中要求安全保险,在战斗中又能可靠引爆，不出现,“,哑弹,”,哑弹战时会延误战机，而战后,“,哑弹,”,的排除既费时，费钱，又十分危险。,在大规模战争中，投弹量可达天文数字，如哑弹仅占,1-2%,，其数量也相当可观的，因此，确保各类弹可靠引爆是国防科技中一个非常重要的课题。微加速度传感器应用于弹的引爆，可大幅度提高引爆的可靠性及贮存的安全性。,1.16,微惯性测量技术的主要应用领域,84,2,、常规兵器的智能化改造,当前武器库中，绝大多数炮弹或炸弹尚未采用制导，命中率较低，将微惯性测量器件用于常规弹上进行惯性制导与控制，可极大地提高其命中率。若硅微惯性制导器件与全球定位系统,(GPS),结合使用，便可精确定位，以代替十分昂贵的自动寻的系统或目标指示器，从而可比较准确地击中目标。,1.16,微惯性测量技术的主要应用领域,85,研究表明：,从,30km,外攻击,2030m2,目标时，对于非制导炮弹，弹着点散布直径为,250m,；若要求击中概率达,90%,，则需用,364,发炮弹。若改用惯性制导，则弹着点散布直径为,64m,，如击中概率维持不变，则只需发射,30,发炮弹，弹药消耗降低了,10,倍。提高命中率在战斗中具有重要意义，还可大大减轻后勤负担和军火的消耗，提高部队作战的机动性和战斗力，减少自身的伤亡。,1.16,微惯性测量技术的主要应用领域,86,微惯性器件具有体积小、重量轻、结构强度高等特点。据报道，硅微惯性制导弹可经受火炮发射时,30,000g,的加速度，也能经受住反坦克弹发射时,100,000g,的加速度，因而可以用在榴弹炮、迫击炮、或火箭上。从技术上看，硅微惯性制导方案是完全可行的。因此，制导用的硅微惯性测量器件需求量非常之大。例如，美国国防部有关部门推算，在和平时期，每年大约使用,25-50,万只硅微惯性测量器件来逐步改造现有的非制导弹药。,1.16,微惯性测量技术的主要应用领域,87,实战表明，来自中,/,高空的、采用精确制导弹药的空中打击是改进生存率和增大目标覆盖的最有效的方式。但采用标准的战术子母弹,(TMD),时，为保证投放精度，必须采取低空投放。为有助于从较远的防区外距离上实施精确的中,/,高空投放，美空军于,1994,年启动了一项称为,“,风力修正子母弹,”,(WCMD),的计划。,1.16,微惯性测量技术的主要应用领域,88,3,、中、近程战术导弹的高,g,值侵彻控制,为了杀伤运动中的装甲车辆，摧毁深埋地下的重型工事，以及破坏机场跑道等，美军方从,20,世纪,70,年代即开始研制小型的、空投或炮射的、终端带制导的高效侵彻子弹药。,1.16,微惯性测量技术的主要应用领域,89,4,、,MEMS,智能定向与定深引信,目前，国外侵彻弹药所用引信主要有固定延时引信、可调延时引信、硬目标灵巧引信。硬目标灵巧引信采用加速度计识别两种不同的目标介质，加速度计检测和计算空穴及硬目标层数。,美国海军海面武器研究中心参加了,美国国防部,MEMS,计划,中的,“,武器安全、保险和引暴的,MEMS,传感器及其应用,”,的研究，其目的是探索,MEMS,技术在下一代鱼雷引信安全系统中的应用。我国从,90,年代中期就开始了微机电系统技术在引信中的应用研究。并提出了微加速度传感器作为一种可以广泛用于引信安全系统的微器件，,可用于弹丸在侵彻目标时，侵彻深度的确定和穿透介质层数的探测,。,1.16,微惯性测量技术的主要应用领域,90,5,、姿态控制稳定平台,飞机、导弹、坦克、舰船等军事设备上，各类平台用得很多，典型的稳定平台系统需用加速度传感器和陀螺各,3,只。微加速度传感器和陀螺由于其许多优点可望在平台系统使用。,微陀螺还可用于航空航天电子设备、自动驾驶仪、炮座、坦克转塔、跟踪天线和弹射座椅上。目前，微陀螺虽然在可靠性和技术成熟程度上比不上硅微加速度传感器，但是在实验室已能提供性能相当好的样品，因而近期有望推出应用微惯性测量元件的平台。,1.16,微惯性测量技术的主要应用领域,91,6,、鱼雷、反坦克导弹的定向,当采用由,GPS,改进的惯性制导封装件后，可赋予导弹以打击运动目标的能力。美三军均有这类武器的研制计划，其中的低成本自主攻击系统,(LOCAAS),是空军的一项计划。,“,卢卡斯,”,(LOCAAS),是美空军正在开发的一种新型导弹，它代表了终端制导弹药的一个新方向，即成为一种小型的、可在空中巡逻的、自动驾驶的武器。,1.16,微惯性测量技术的主要应用领域,92,7,、人员与车辆的导航,集成单片式微惯性测量元件可用于地面导航。目前虽然,GPS,可以精确定位，但需要有,4,颗或,4,颗以上卫星才能准确定位。在丛林、山谷或城市中，这些条件有时得不到满足,因此,GPS,定位尚有一定局限性。,微惯性测量组合由于其漂移较大尚不能单独地、长期地进行精确导航。为克服上述困难，可将,GPS,与微惯性测量组合结合使用。用,GPS,对微惯性测量组合校准，,GPS,无法定位的地区，采用微惯性测量组合作辅助导航。作为近期目标，要求微惯性测量组合在,GPS,校准之后，在,2-4,小时内仍可用它进行准确的导航。,1.16,微惯性测量技术的主要应用领域,93,8,、应用于小型、微型和纳米卫星,卫星的种类繁多，有用作科学试验的、物理探测的、气象观测的、实用通讯的、电视转播。在,80,年代前，人们为了追求卫星性能的完善，也为了推动强有力的运载火箭的发展，使卫星的体积和重量愈来愈大，其结果是发射成本越来越高。随着科学技术的进步，特别是微米,/,纳米技术的兴起，使那些曾经安装在航天器上的零部件的体积和重量大大缩小，使其安装到非常小的卫星上去成为可能，于是就有了小型、微型和纳米卫星的概念。,1.16,微惯性测量技术的主要应用领域,94,随着卫星尺寸重量的小型化发展，现有的卫星用惯性姿态敏感器与控制装置已不能满足要求，必须由尺寸更小、重量更轻的微型惯性器件取而代之。纳米卫星更是在硅基片上堆砌各种专用集成微型仪器的芯片卫星，在这些芯片上，集成了制导、导航、控制、姿态控制、热控制、推进、能源和通讯等航天系统。是一种新概念、新模式的卫星。要求惯性器件的集成度更高、性能更好。,1.16,微惯性测量技术的主要应用领域,95,惯性技术与微惯型仪表在民用方面的应用,除军用领域外，惯性技术的应用范围还扩展到众多民用领域。以惯导系统为基础发展起来的惯性测量和惯性定位系统，可以用于大地测量、地图绘制、海洋调查、地球物理勘探、管道铺设选线、石油钻井定位和机器人等要大范围测量及精确定位的场合。,1.16,微惯性测量技术的主要应用领域,96,参考书,97,作 业,1,、简述微惯性技术的基本概念。,2,、微惯性器件的特点是什么？,3,、简答惯性导航与惯性制导的概念，及二者区别。,4,、简述微惯性器件在常规武器智能化改造中的应用,98,第,2,章,微惯性测量的基础知识,99,地球的形状,1,、地球形状的不同近似模型及重力场特性,100,第,二种,近似,模型,椭球,体,1,、地球形状的不同近似模型及重力场特性,a,长半轴，在赤道平面内；,b,短半轴，与地球自转铀重合。,旋转椭球的扁率,(,椭球度,),为：,101,第,二种,近似,模型,椭球,体,1,、地球形状的不同近似模型及重力场特性,三种最常用的椭球的尺寸和椭球度,克拉克椭球参数在美国使用；,海福特椭球参数在西欧使用；,克拉索夫斯基椭球在苏联使用。,目前我国在测量中采用克拉索夫斯基椭球参数,。,目前在导航定位计算中采用第二近似，已经足够精确了。,102,第,三种,近似,模型,旋转椭球,1,、地球形状的不同近似模型及重力场特性,在与赤道相平行的各个地球截面内，地球的截面也不是一个圆形，而是一个椭圆。