10无陀螺捷联式惯性导航系统（4）反应快：由于陀螺需要较长启动时间，故反应较慢。（5）寿命长：由于加速度计结构相对简单，加工精密度也不像陀螺那样高，因而寿命长。（6）可靠性高：陀螺的组成零件较多且结构复杂，加速度计组成零件少且结构简单。由于无陀螺捷联惯导系统有以上优点，其应用前景是非常好的，它有可能成为捷联惯导系统今后主要的发展方向之一。无陀螺捷联惯导系统是惯导系统的一种，也是惯导系统一个新的发展方向。由于它不需要陀螺测量角速度，而是利用加速度计比力信号计算角速度，由此带来的一系列特点使它特别适合于反辐射于弹（一种战术导弹）这类飞行时间较短的航行体上。为了对有陀螺与无陀螺捷联惯导系统的联系与区别有一个形象的认识，下面给出有陀螺和无陀螺捷联惯导系统力学编排如图13、图1-4所示。f加速度计组位置视加速度A坐标变换件（弹体质导航计算速度心处)姿态角弹体角速度速率陀螺姿态计算组件图1-3有陀螺捷联惯导系统力学编排无陀螺捷联惯导系统导航基本方程为(1 - 1)fh=[A"+P·Lh]T.+式中A+2·v+g弹体质心比力;fh—加速度计输出比力信号；
11第1章引言加速度计组位置视加速度加速度计算导航计算件（弹体非角速度计算速度质心处)w姿态角姿态计算图1-4无陀螺捷联惯导系统力学编排P一杆臂效应阵：P=F(om，wh·wb)(1 = 2)加速度计安装方向向量：Vh.一加速度计测量误差：L—加速度计安装位置向量；g——重力加速度；Ven-一对地速度向量：2一与牵连加速度、哥氏加速度有关的角速度向量。从式(1-1)可以看出,无陀螺捷联惯导系统与有陀螺捷联惯导系统在导航基本方程上的本质区别在于存在和杆臂效应有关的项P·L'，表明加速度计安装在载体非质心处；P阵和载体转动信息有关，表明加速度计比力信号f中包含有载体角运动信息。这就是无陀螺捷联惯导系统工作的物理基础。加速度计是无陀螺捷联惯导系统中的唯一种惯性测量器件，其性能和发展状况对无陀螺捷联惯导系统至关重要。随着现代武器装备向着轻、小、精以及智能化方向发展，系统所需装备的传感器越来越多，以此提高系统对自身的控制能力和精确打击能力。因而要求新一代传感器必须具有体积小、质量少、功能强、可靠性高等性能。自上世纪80年代以来，以硅材料为基础的传感器问世以来，它以其精、小、轻的特点和优良的机械、电气性能越来越受到人们的重视。此类传感器可
12无陀螺捷联式惯性导航系统以采用惯性质量与梁式结构，可将加速度转换成位移或形变，再配合相应的转换方式实现对加速度的测量，并能够测量从直流至较宽频率范围的加速度。进入上世纪90年代后，随着硅微机械加工技术的不断成熟，使得加速度计的小型化、微型化、高灵敏度的实现变成可能。同时实现体积小、质量轻，易采用平面制造工艺，适于集成在一块芯片上。因而，已成为下一代加速度计技术重要的研究方向。尤其对空间武器系统来说，都希望载荷要求越小越好，有时有效载荷的重量是以克来计算的，这样不仅可以增加射程、节省燃料，而且对运动状态更易控制。因而人们希望通过采用硅传感器来代替此前体积和质量较大的各种传感器，减少因附加质量引起对被测系统工作状态的干扰，提高系统测量的准确性。因此，全硅型微机械加速度计已成为当今军用传感器研究开发的一个十分重要的方向。目前硅微加速度计主要由硅压阻式加速度计、硅电容式加速度计、力平衡式硅加速度计、硅微谐振加速度计、硅微压电加速度计等。压阻式加速度计是最早开发的全硅型加速度计，也是当前使用较多的一种产品。上世纪80年代初，美国斯坦福大学的L.M.Roylance和Angell发表了第一篇介绍硅微加速度计的文章后，全硅加速度计开始问世。上世纪90年代初，全硅加速度计已达到一个全新的阶段。硅电容式加速度计在灵敏度、分辨率、精度、线性和稳定性等方而都优于压阻式加速度计，制造成本也非常接近，因而近些年来受到人们的广泛重视。电容器板的动板作为惯性质量，由一一个或两个悬臂梁支撑，加速度产生的惯性力使动板产生位移，通过测量动板与其上下两个固定电极间电容量的变化得到加速度。这种电容式加速度计的测量范围较宽，频率响应范围可从直流到数百赫，测量精度在1%到0.1%之间。电容式加速度计的一个很大的缺点是频率响应范围窄；另一个问题是需要复杂的信号处理电路。硅电容式加速度计的敏感电容较小，如将敏感电容与监测电路分开势必造成引线较长，由此引起的分布参数及电容变化将对测量结果产生较大影响，因此最好将检测电路制作在同一芯片上。力平衡式硅加速度计是在硅电容式加速度计的基础上建立起来的一种传感器，它的特点是能够测量低频微弱加速度，分辨率可达、非线性误差小、横向灵敏度低。它通过静电力抵消惯性力的作用，使得质量块始终处于平衡位置，提高了
第1童引言13传感器的灵敏度，产生静电力的电流与加速度的大小成正比，因此，通过检测电流就可测量加速度。硅微谐振加速度计的物理模型是一个谐振系统，利用振弦原理进行测量，即当弦的张力发生变化以后，它的谐振频率也会发生相应的变化。质量块受到惯性力作用时，使悬臂受到的张力发生变化，此时可以通过扫描该结构的谐振频率来实现对加速度的测量。关于无陀螺捷联惯导系统中加速度计配置方法，自前国内外许多学者在此方面进行了研究。DiNapoli在他的硕士论文中首次提出不用陀螺测量物体角加速度的想法，随后AlfredR.Schuler提出利用线加速度计测量物体的旋转运动的想法，并提出了许多种线加速度计的配置方法。近年来，随着计算机技术的发展以及MEMS水平的提高，国内外对于采用全加速度计制作微惯性测量组合（MicroInertialMeasurementUnit，MIMU）的研究方案越来越重视。1991年Algrain认为最少需要6个线加速度计即可构成无陀螺惯性测量组合（Gyros一freeMicroInertialMeasurementUnit，GFMIMU)，Chen发表了-一种使用6个线加速度计进行测量的新颖设计。随后Lee在Chen的基础上给出了利用6个线加速度计测量物体的旋转运动的解法，并将卡尔曼滤波应用在导航系统中。Tan也利用加速度计组成了惯性测量系统。图1-5是Alfred提出的一种配置方法（配置A），他用6个加速度计沿着物体重心的3个坐标轴放置，每个坐标轴上放置两个线加速度计，一个加速度计的敏感轴沿着坐标轴方向，另一个加速度计的敏感轴同坐标轴方向相反。该种配置方法简单，但其缺点是角速度项由平方根计算得到，无法确定角速度的符号，必须采用辅助设备确定其符号。在另一种配置（ConfigurationB）中（图1-6所示），加速度计平行地沿着坐标轴放置。它的优点是可以直接得到3个轴向上的加速度，但同样是由平方根计算得到角速度项，无法确定角速度的符号，必须采用辅助设备确定其符号。在配置C中，如图17所示，采用9个线加速度计，可以消除角速度符号的不确定性，同时也不必把加速度计放在质心处。这种方法可以通过代数运算得到3个轴向的线加速度和角加速度，它的缺点是只能直接得到角加速度，在长时间工作时，漂移难以克服
14无陀螺捷联式惯性导航系统VAv3-&4ftAvs图1-5配置A示意图t3sAseAvsAAT4AvV图1-6配置B示意图配置D（图1-8所示）是采用8个加速度计的方案，通过简单计算便可得到线加速度、角加速度及角速度的公式，其中线加速度和角加速度是由几个加速度计的代数运算得到，减少了加速度计的随机干扰带来的误差因素，缺点同样是只能直接得到角加速度