第1章 引 言5第三代惯性技术始于上世纪70年代初期。从第二代到第三代，主要依靠精心设计以及材料、结构和工艺的改进，这是一个演变过程而没有革命性的突破。作为主要特色的一些高精度惯性仪表和多功能惯性系统，目前尚处于研制发展阶段。如MX用的惯性参考球已在“民兵”导弹上试验过多次，其功能与框架式平台相比有了很大的改进，它没有框架锁定问题，在处于各种姿态角的状态下，如导弹处于水平、倾斜或垂直状态下，均能正常工作，这就适应了导弹机动发射的要求。它还可以不依靠外部基准信息，进行自对准和自校准，使用价值高。惯性参考球式液浮惯性技术，是第三代惯性技术的代表性。4.第四代惯性技术目前仍处于设想、探索阶段。从精度来讲，根据惯性导航系统目前的水平，要赶上无线电导航和卫星导航的精度，还需要在第三代的基础上进一步提高，使漂移量达到10-°（°）/h才行，这就是第四代的主要奋斗目标。总之，这还是一个有待于新型仪表和系统出现的设想。1.2惯性导航系统的发展惯性系统是利用惯性敏感器、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式航位推算导航系统。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。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，二是角运动。不论线运动还是角运动都是在三维空间实现的，要建立一个三维空间坐标系，势必要建立一个三轴惯性乎台。有了三轴惯性乎台，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，这类惯导系统是平台式惯性导航系统。没有机电平台，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，得到运载体的速度和位置，这种无机电平台式惯导系统就是第二大类惯导系统，称之为捷联式惯导系统（StrapdownInertialNavigationSystem,简称SINS)
6无陀爆捷联式惯性导航系统1.2.1平台式惯性导航系统在平台式惯性导航、惯性制导系统以及平台罗经、航向姿态基准系统中，都有一个平台，陀螺仪和加速度计安装在这个平台上，再通过内外框架与舰船、飞机等运载器相连，三环或四环式的框架系统，从外到里与运载体的横滚、纵倾和方位相对应。方位环就是一个实实在在的物理平台，它模拟了运载体的导航坐标系，像船用的指北水平系统，平台方位稳定地指向正北，并始终保持当地水平，因而框架系统可以测量出运载体的航向角、纵摇角和横摇角。平台系统隔离了运载体对惯性仪表的影响。平台式惯性导航系统原理图如图1-1所示。位置比力信息加速度计导航速度显计算机施矩信息示器陀螺陀螺输出信息稳定团路控制信息稳定平台从框架拾取的姿态信息载体图1-1平台式惯性导航系统原理图将北向加速度计和东向加速度计测得的运动加速度aN、E，进行一次积分，与初始北向速度和东向速度Vp、Vm相加，得到运载体的速度分量，即andt + VnVN=Ve=agdt+Vm将速度V、Ve进行变换并再次积分，就得到运载体位置变化量，与初始经纬度入。、相加，得到运载体所在地理位置的经纬度入、?的值，供给运载体导航定
7第1章引离位使用，即'Vndt + 9oP = ReJo1Vesecodt+Ao入=ReJo式中R为地球的平均半径。计算出的速度V、Ve,按V=VV+V进行合成计算，得到运载体的运动速度，便于引导运载体航行。平台系统在早期的航海、航空、航天以及陆用的高精度导航、制导中几乎一统天下。一直到20世纪70年代，随着计算机、微电子以及控制等新技术在惯性技术领域的应用，出现了捷联式惯性系统，平台系统受到了强有力的挑战。目前在长时间高精度的系统中，如船用惯性导航中，还仍然应用着平台式系统，但在中低精度的应用领域已广泛应用捷联系统，特别在航空和导弹等导航、制导系统中，捷联系统的应用倍受青睐，大有取代平台式系统的趋势。1.2.2捷联式惯性导航系统捷联式惯性导航系统是把惯性元件，即陀螺仪和加速度计直接固定在运载体上，陀螺仪和加速度计分别测量运载体相对惯性空间的3个转动角速度和3个线加速度沿运载体坐标系的分量，经过坐标变换，把加速度信息转化为沿导航坐标系的加速度。经过计算，得到运载体的位置，速度、航向和水平姿态等各种导航信息。捷联式惯性导航系统是一种十分先进的惯性导航技术，是近年来惯性技术的一个发展方向。在捷联惯导系统中，用计算机来完成导航平台的功能，以数学平台代替了平台惯导系统中的物理平台。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：①整个系统的体积和成本大大降低：②惯性仪表便于安装、维护和更换：③能够提供更多的导航和制导信息；④惯性仪表便于采用余度配置，提高系统性能和可靠性。由于捷联系统具有的一系列优点，在许多方面正逐步取代平台式惯导系统。捷联式惯性导航系统原理图如图1-2所示
8无陀螺捷联式惯性导航系统位置。沿导航坐标导航运载体轴运载体坐标系与导航坐速度系加速度计算机标系间的方向余弦矩阵向加速度加速度计组件姿态角姿态方向余弦元素计算陀螺仪组件平台旋转速率绕运载体轴向角速度（相当陀螺施矩信息）姿态基准更新计算载体图1-2捷联式慢性导航系统原理图说起捷联系统发展的历史，可以追溯到1942年V-2导弹的制导装置。它把一个自由陀螺仪固定在弹体上，让陀螺仪的主轴对准导弹的飞行方向，直接利用陀螺仪的定轴性，导弹稍一偏离飞行航向，陀螺仪就带动控制机构改变导弹的方向，回到预定的弹道上来。惯性元件直接固联在弹体上，敏感导弹的角运动，从这点上可以算作捷联式惯性导航系统的维形，是一种位置捷联装置。1970年，捷联系统作为宇宙飞船的应急备份装置，在阿波罗－13服务舱发生爆炸时将飞船引导到返回地球的轨道上，起了决定性的作用。现在得到应用的捷联系统与V-2的制导已是面目全非了。现在的捷联系统中都是测量绕载体三个轴的角速率，故称速率捷联；如用自由陀螺仪，测量载体的转角，则称为位置捷联。激光、光纤等新型固态陀螺仪是捷联系统的理想元件。捷联系统将取代平台式系统，已成为新世纪惯性技术发展的一种大趋势。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，1994年捷联式应用已达到90%。由于飞机、战术导弹、鱼雷的惯导系统具有中等精度与低成本的要求，所以采用捷联方案十分适宜，在这些领域中已广泛采用捷联式惯导系统。惯性系统正在向体积更小、重量更轻、长寿命、高可靠性、数字化、自动化、低成本的方向发展。1.3无陀螺捷联惯导系统的发展概况所谓无陀螺捷联惯导系统（TheGyroscopeFreeStrapdownInertialNavigation
第1辜引言9System，以下简称GFSINS）就是惯性元件只用加速度计，而不用陀螺的惯导系统。由于加速度计直接安装在载体上，而不是安装在平台上，所以它也是一种捷联惯导系统。理论上，要描述一个物体在空间的运动，需要6个独立参量，即3个描述质心位移的参量和3个描述绕质心转动的参量。6个独立参量需要至少6个测量元件来测量。目前实际应用的捷联惯导系统都用加速度计组件和陀螺组件分别测量载体的质心运动和绕质心的转动。那么，只用加速度计能否测量载体绕质心的转动呢?理论力学的研究成果给了我们一个肯定的答案，但加速度计必须安装在载体的非质心处。所以，只用加速度计也可以测量用于描述物体空间运动的全部信息。对于无陀螺捷联惯导系统的研究，国外学者在几十年前就开始进行了，而且已经做了一些研究工作，例如：前西德专家Merhav.S.J于1982年就提出了无陀螺捷联惯导系统用于卫星姿态测量的思想Jeng-HengChen对6加速度计的惯性测量组件进行了研究；Chi-ChangJ.Ho，研究了GPS和6加速度计无陀螺捷联惯导系统的组合问题。国内学者在近几年也做了不少研究工作，如马田撰写的9加速度计无陀螺捷联惯导系统用于鱼雷制导的研究报告等。但总的说来，无陀螺捷联惯导系统还远没有像有陀螺捷联惯导系统那样引起人们的足够重视，其工程应用方而的研究就更少。造成这种状况的原因，一方面是人们对它的认识还不够深入，另一方而是加速度计的性价比还不够高，使用加速度计数量的增加会造成系统成本的增加。随着新材料的出现，新工艺特别是微机械加工技术的发展，新型的高精度低成本的加速度计不断出现。这就为无陀螺捷联惯导走向工程实现奠定了基础，也必将推动无陀螺捷联惯导技术的研究工作。无陀螺捷联惯导系统和有陀螺捷联惯导系统相比其优势在于：（1）成本低：由于不使用结构复杂、加工难度大、维护困难的陀螺，所以无陀螺捷联惯导系统成本较低。（2）能耗小：加速度计同陀螺相比，没有高速旋转体，所以功耗小，且不需要复杂的电源。（3）动态范围大：对于有陀螺捷联惯导系统而言，陀螺直接安装在载体上，高机动飞行时，要求陀螺有很大的动态测量范围，这在工程上实现起来比较困难。而加速度计的测量范围较大，能够满足大动态范围的要求