正是出于INS在闭环控制方面的上述特点，在研究和开发高精度INS中，必须把点放在提高陀螺仪和加速度计的性能上，尤具是陀螺仪。在闭环控制方面，INS的另一特点是需要充分利用外部参考导航信号来补偿陀螺仪和加速度计的误差。为此，需要采用最优估计（Optimalcsiimalion）的理论及其工程实现方法，包括：（1）获取外部提供的参考导航信号，例如卫星定位信号、计程仪速度信号等；（2）建立INS的误差传播方程，分析陀螺仪和加速度计巾各项误差系数作为INS中“增广状态变量”的“能观性”和“能控性”问题等；（3）建立最优滤波器，对上述INS中主要误差系数进行实时估计和“补偿”（控制）。针对INS中“闭环"控制的以上特点，本书的内容将包括以下两部分：（1）导航级陀螺仪的研制：（2）INS中主要误差的实时“闭环”控制。本书的内容是出INS的“闭环”控制特点决定的。在本书的第5章到第10章中，将详细介绍静电陀螺仪、激光陀螺仪和光纤陀螺仪的误差分析和提高精度的技术途径。在第2章到第4章中，将详细介绍卫星/NS的深度组合、最优估计的工程实现方法，以及在“惯件测量系统”中误差控制的「程实现方法和野外测试结果等。本书将介绍作者研制高精度陀螺仪的成果，包括硬件和软件两个方面。这里的软件是指误差模型辨识，包括精度测试、性能评估以及误差模型建立等。1.7液浮积分陀螺仪1950年前后，苏联莫斯科动力学院的L.Tekachev和美国麻省理工学院(MIT)的C.S.Draper分别提出了单白由度液浮积分陀螺仪的专利（参阅木移的“附录A”）。这是在INS中首先得到实际应用的导航级陀螺仪。为了减小陀螺仪的随机漂移速度，他们都认为，首先必须*20:PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
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诚小陀螺支架轴上的干扰力矩，技术途径如下：门果用靓体的程力，成小陀牌支架轴上的压打！（2）采用电磁支承力，实现陀螺支架轴在轴承孔中的精确位置控制（定中）消除干摩概：（3）采用温度控制，稳定浮液的流动，减小浮疫造成的干扰力矩。在液浮陀螺仅的结构（图1一8的中，需要把陀螺转子密封在理商中。在浮简的两遇，需要安装电磁线圈的力矩器和信器，利用存简位移产生的电信号控制它们所产生的电磁支承力，把浮简两端的支架轴控制在宝石轴承孔的中心位置上。这种电冠位置控制系统既可消除宝石辅承中的机械接触同时又可产生相的补偿力，使浮所受到的合力达到平衡。图-8Bonryacil公司的单自由室流泽职分能娱收为了使学力保持移定，浮液的逼度必领定。同时，还需要控制孕简与陀螺壳体之间（间原）的温度分布（温度梯度），使浮液在间原中流动所造成的黏摩换干扰力矩保持稳定，以减小陀螺仅的随机漂移连度。CS.Daper发明的单自由度液浮积分陀螺仪由Haneywell公司生产，其随机漂移连度为0.01*h，达到了导航级陀攀仅的要求。在Honeywel公司的液洋陀螺仪中，采用了！-21PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
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（1）高比重的氟汕为浮液：（2）铍为浮筒材料，铍的比車小，机械强度和刚度高；（3）钨合金为转子材料，钨合金的比重大、机械强度高：（4）气体动压轴承为转子轴承，气体动压轴承的支承刚度高。上世纪50年代，苏联十分重视液浮陀螺仪的批量生产。1954一1956年，联顺究工艺研究院（俄文缩写为NIAT）曾安排作者在莫斯科的有关工广参加了专项艺研究，针标是保证陀螺框架零件工轴承孔之间的同心度误差<1um。在本的第8章中，将介绍这项专题的研究成果。应当指出，在结构和工艺上，单自由度液浮积分陀螺仪过丁复杂，导致价格昂贵。内此，这种液浮陀螺仪只能用于高精度的INS。在机INS中，实际上得到大量应用的是二自由度液浮陀螺仪。典型的飞机INS产品为美国Litton公司生产的LN-15。1983年，[itton公司把LN-15改型为“惯性自动测量系统”（LittonAutoSurveyingSystem，IASS），分为lASS一1和LASS-2两种型号。前者专为军用，后者为民用。这些产品的价格仍然过于昂贵，在民用领域很难推广应用。1.8静电陀螺仪第二次册界大战之居，美、苏、法等国都投人了户大的财力和人力进行核威武器装备的研制，包括核武器及其三大运载工具：洲际弹道导弹，远程战略轰炸机和核潜艇。在这些运载工具中，INS占有不可替代的重要位置。1952年，美国Ilinois大学的A.TNordsieck提出了研制静电陀螺仪（Electricallysuspendedgyro，ESG）的建议，并于1954年中报美国专利,用予核潜艇的INS在中国，1965年清华大学首先开始研制ESG，应用背景是“高精度船用INS”①。此前，1960一1961年，该校曾研制过“高精度船用INS”(D)1965年，清华大学确定FSG作为学校重点科研项日，同年9月被纳人国家科研计划。·22·PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
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的原理样机，当时采用的总体方案是“单自由度液浮陀螺平台式INS”。对比这两种高精度陀螺仪，G具有明显的优势。在液浮陀螺仪中，需要采用三套轴承结构：（1）陀螺转子的气体动压轴承；（2）浮筒和宝石轴承；（3）电磁定中系统。在ESG中，这三套轴承结构被一个三轴的"静电支承系统”（Eleciraxslatic suspcnsion system，FESS）所取代。在ESG的核心结构中只有一个部件：（1）球形转子；（2）支承电极组合件；（3）小型真空泵（钛吸附泵）。在支承电极组合件的球腔中，必须保持超高真空状态，以提高转子与支承电极之间电场的击穿场强。这是保证ESG具有过载能力和可靠1作的必要条件。清华大学所进行的电场击穿实验结果表明，在我国现有的材料和真空工艺条件下，真空环境下的电场击穿场强可以大于500kV/cm（参阅本-第5章），能够满足船用的受过载能力要求，并可用于飞机等载体。在ESG中，支承电极组件必须有良好的真空密封性能。同时，在动态真空系统的控制下，小型真空泵应能保持球腔中的真空度。在上述结构和7艺的基础上，决延ES精度的主要因素可以归结为：（1）转子的平衡误差；（2）转子所受到的电场干扰力矩。为了减小电场干扰力矩，首先必须保证转子的圆球度。清华大学的研制经验表明，采用制作“样板球”和“凹面样板镜”的光学工艺，转子和支承电极的非球度均小于1um。比较困难的问题是保证支承电极球腔的组装精度小于1m此外，必须仔细设计ESS，保证转子偏离支承电极球腔中心位置的误差远小于1um。20世纪70年代，美国Honeywell公司研制成功了空心转子的ESG(图1-9)及其“平台式ESG飞机导航系统（GimbaledESGair-craft navigation system,GEANS),其军品型为AN /ASN--136。飞行试验的结果：表明，GEANS的定位误差小于0.1nmile/h，比液浮陀螺飞机INS高出1个数量级。因此，在远程飞机中，GEANS得到了大·23:PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
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量度用，装备了B-52，F-117等型号的飞机。图1一学美国Honeywell公司ESG的站构此后，Hoywell公司把GEANS改型为民用型，用于大地测量和重力测量，其型号为GEOSPIN。在本书的第4章中，将详细介绍“GEO.SPIN的野外调试结果。20世纪70年代，美国RockwellIntermational公司的“Aulcnetics战略系统部“研制成功了实心转子的ESO及其“ESG监控器”ESGMOnito，ESGM.用于楼潜艇。应当强调，“重调周期量靓船INS的一项重要性能指标，对提高核清艇的随最性极为重要。在美国的核潜脏中，需要对MK2型流浮陀螺INS定期进行校准。采用ESGM之后，MK2型INS的重调周期著适长。因此，在美，苏等国，ESGM成为核艇不可缺少的导航装备Aatcnetis战略系统部还采用ESGM中的实心转子ESG生产了“ESGN"型舰船导航仪（ESGnavigator.ESGN)。为了研究和生产上还核潜熊所用的ESG和液评陀螺两种船用INS，美苏等国都投人了巨大的人力和财力。以苏联为例，裁至1990年船的导航研制部门所得到的国家总投资的为20亿美元。送一数字表明研制和生产达两种导航级陀螺仪的难度和晶贯程度。424-PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
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