惯性导航系统分类
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惯性导航的工作原理及惯性导航系统分类
惯性导航系统(INS)是一种自主式的导航设备,能连续、实时地提供载体位置、姿态、速度等信息;特点是不依赖外界信息,不受气候条件和外部各种干扰因素。
惯性导航及控制系统最初主要为航空航天、地面及海上军事用户所应用,是现代国防系统的核心技术产品,被广泛应用于飞机、导弹、舰船、潜艇、坦克等国防领域。
随着成本的降低和需求的增长,惯性导航技术已扩展到大地测量、资源勘测、地球物理测量、海洋探测、铁路、隧道等商用领域,甚至在机器人、摄像机、儿童玩具中也被广泛应用。
不同领域使用惯性传感器的目的、方法大致相同,但对器件性能要求的侧重各不相同。
从精度方面来看,航天与航海领域对精度要求高,其连续工作时间也长;从系统寿命来看,卫星、空间站等航天器要求最高,因其发射升空后不可更换或维修;制导武器对系统寿命要求最短,但可能须要满足长时间战备的要求。
涉及到军事应用等领域,对可靠性要求较高。
惯性导航的工作原理
惯性导航系统是一种自主式的导航方法,它完全依靠载体上的设备自主地确定载体的航向、位置、姿态和速度等导航参数,而不需要借助外界任何的光、电、磁等信息。
惯性导航是一门涉及精密机械、计算机技术、微电子、光学、自动控制、材料等多种学科和领域的综合技术。
其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、角加速度,将它对时间进行一次积分,求得运动载体的速度、角速度,之后进行二次积分求得运动载体的位置信息,然后将其变换到导航坐标系,得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置信息等。
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惯性导航系统分类。
惯性导航系统导航系统在现代社会中扮演着至关重要的角色,无论是在陆地、海上还是空中,人们都依赖于导航系统来确定位置、规划航线和安全导航。
而在导航系统中,惯性导航系统被广泛运用,它以其独特的技术和功能在各个领域中发挥重要作用。
一、惯性导航系统的基本原理惯性导航系统是一种不依赖于外部参考的导航系统,它依靠惯性传感器实现位置和速度的确定。
惯性导航系统由三个基本部分组成:陀螺仪和加速度计以及计算单元。
陀螺仪用于测量角速度,而加速度计用于测量线加速度。
通过对这些测量数据进行积分和计算,惯性导航系统能够提供准确的位置、速度和航向信息。
二、惯性导航系统的优势相比于其他导航系统,惯性导航系统具有许多独特的优势。
首先,惯性导航系统没有对外部环境的依赖,可以在任何环境和天气条件下工作。
这使得它在航空、航海和军事领域中得到广泛应用,尤其是在恶劣的气候和极地环境下。
其次,惯性导航系统具有高精度和快速响应的特点,能够提供准确的位置和速度信息,对导航的实时性要求高的场景非常有优势。
此外,惯性导航系统体积小、质量轻,对设备和空间要求相对较低,便于安装和集成。
三、惯性导航系统的应用领域惯性导航系统在航空、航海和军事领域中得到广泛应用。
在航空领域,飞机上配备了惯性导航系统可以实时获取飞机的位置、速度和姿态信息,为飞行员提供准确的导航指引。
航海领域中,惯性导航系统可以帮助船舶确定位置和航向,提供给船员准确的航行信息。
而在军事领域中,惯性导航系统则被用于导弹、导航、战斗机和潜艇等武器装备中,帮助军事行动实现精确和长程的导航目标。
四、惯性导航系统的未来发展随着科技的不断进步,惯性导航系统也在不断演进和改进。
传统的惯性导航系统依靠陀螺仪和加速度计进行姿态测量,虽然具有高精度和可靠性,但体积较大、制造和维护成本较高。
近年来,光纤陀螺仪和微机电系统(MEMS)等新技术的应用,使得惯性导航系统体积更小、成本更低,且具备相当的准确度。
此外,惯性导航系统与全球定位系统(GPS)等导航系统的融合也越来越广泛,通过多传感器的数据融合,提高导航系统的可用性和鲁棒性。
一、惯性导航系统基本工作原理:根据牛顿定律,利用一组加速度计连续地进行测量,而后从中提取运动载体相对某一选定导航坐标系(可以是人工建立的物理平台,也可以使计算机参处的“数学平台”)的加速的信息;通过一次积分运算(载体初始速度已知)使得到载体相对导航坐标系的即时速度信息;在通过一次积分运算(载体初始位置已知)便得到载体相对导航系统的即时位置信息。
二、组成一个典型的惯性导航系统一般有关行测量装置、专用计算机、葱汁显示器等几大部分组成。
三、分类按关行测量装置在载体上的安装方式,可分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统。
1 平台式惯性导航的基本原理平台式惯性导航系统是将关行测量原件安装在惯性平台(物理平台)的台体上。
体积重量达,结构复杂2 捷联式大大降低了系统的体积、重量和合成本,但对计算机的算法误差要求较高,不超过系统误差的百分之五十。
可靠性高,故障率低。
对惯性器件要求高,要求两次装卸的期间内,器件有较高的参数稳定性。
3 组合式其他导航系统与惯性导航系统组成的整个系统提高导航精度和提高可靠性四、加速度计的测试、标定及评价标准1灵敏度、线性度测试1)加速度计重力场静态翻滚试验2)静态漂移测试:加速度计在静态工作期间(在不同时间)输出值的变化。
首先寻找该加速度计的机械零位,然后将其置于机械零位,并测试其输出,从而得到静态漂移曲线,即标定了加速度计的静态稳定性。
3) 温度性能测试零位漂移测试灵敏度漂移测试2阈值测试3分辨率测试4重复性测试加速度计在通电(或不通电)状态下,经过整栋、冲击、热储存、高低温试验及热冲击等各种不同环境条件下的考核。
在每次考核后,在纪念性加速的计重力场四点法测试,每种环境至少重复三次。
5噪声测试五、硅微加速度计的评价标准1)量程加速度计可测量加速的大小的范围,是1g的倍数。
2)零点漂移当没有加速度输入的时候,加速的机的输出,为±1g的倍数。
3)比例因子和比例因子误差每单位输入加速德的变化所导致的输出变化。
惯性导航系统一、惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)1、基本概念惯性导航系统(INS)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。
惯性导航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。
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。
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。
惯性导航系统一、惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)1、基本概念惯性导航系统(INS)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。
惯性导航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。
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。
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。
惯导系统概述惯性导航系统的概念惯性导航系统(I NS,以下简称惯导)是利用惯性元件和惯性测量原理来测量飞机的飞行参数的一种导航系统。
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。
惯性导航系统的分类从结构上来说,以惯性导航系统中有无惯性平台为依据,可将惯性导航分成以下几种:平台式惯性导航系统——系统的主要特征就是具有由稳定回路隔离运载器使其不受运载器机动干扰的平台,在平台式系统中,由于平台不跟随运载器转动,陀螺的动态范围可以比较小,并且由于由稳定回路隔离运载器的机动干扰,也就易于保证系统的工作精度如图1。
图 1平台式惯导又可分为指北方位惯导系统、自由方位惯导系统和游动方位惯导系统。
指北方位惯导系统,主要指陀螺平台建立的理想平台坐标与地理坐标系完全重合的惯导系统。
这种系统平台台面在水平面内,且有一轴始终指向北方。
指北方位导航系统的特点:(1)由于平台是指北方位的水平平面,因此,它相当于一个高精度的全姿态传感器,可以直接提供俯仰、倾斜和航向信号,取代了用普通陀螺做成的姿态系统、航向系统、速率脱落传感器等。
(2)由于平台稳定在地理坐标系内,加速度计测出沿地理系两个轴的分力,用它们求解导航参数以及指令角速率方程比较简单,因而对计算机要求较低。
(3)系统的缺点是不能在高纬度区工作,这是因为飞机在高纬度地区飞行时,可能引起方位迅速变化,这样给陀螺力矩器的设计和平台稳定回路的设计带来较大的困难,另外计算机在计算方位指令速率时,当纬度接近90º时,计算机会溢出;此外,在极区进行起始对准也很困难。
上述因素限制了指北方位惯导系统的使用范围。
自由方位惯导系统,指陀螺平台保持在当地水平面内,其方位轴指向惯性空间的某一个方向,并保持稳定的惯导系统。
这样的平台系统上的方位陀螺将不施加控制信号,只能对控制平台保持在当地水平面内的陀螺施加控制指令。
下面是雅驰总结出的一些惯性导航系统的分类,提供给你参考:
1.捷联式惯性导航系统
捷联式惯性导航系统可直接装在飞行器、舰艇、导弹等需要导航信息的主体上,用计算机把测量信号变为导航参数的一种导航技术。
特点:系统体积小、重量轻、成本低、维护方便。
分类:捷联式惯性导航系统根据陀螺仪不同分为两类:一类是速度型的捷联式惯性导航系统(激光陀螺仪),测的是飞行器的速度;一类是位置型捷联式惯性导航(静电陀螺仪),测的是飞行器的角位移。
2.解析式惯性导航系统
解析式惯性导航系统是平台稳定在惯性空间的惯性遵循系统。
优点:直接模拟导航坐标系,计算简单,能隔离载体的角运动,系统精度高;
缺点:结构复杂,体积大,制造成本高。
3.半解析式惯性导航系统
半解析式惯性导航系统又称当地水平惯导系统,有一个三轴稳定平台,台面始终平行当地水平面。
优点:隐蔽性好、不受外界电磁干扰;可长时间地工作于空中、地球表面乃至水下;导航信息连续性好、噪声低;数据更新率高、短期精度和稳定性好。
缺点:时间越长,定位误差越大;设备的价格昂贵。