高精度導(dǎo)航系統(tǒng)

前言

　　20世紀(jì)70年代，在核潛艇和遠(yuǎn)程飛機(jī)等運(yùn)載工具中，以靜電陀螺儀為核心的平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)得到了應(yīng)用，成為批量生產(chǎn)的型號(hào)產(chǎn)品。在長(zhǎng)時(shí)間航行中，它們不僅達(dá)到了所要求的定位精度，而且可以保證從載體上發(fā)射武器?？梢哉J(rèn)為，靜電陀螺儀的成功應(yīng)用標(biāo)志著導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)入了高精度的時(shí)代?！　?0世紀(jì)80年代，激光陀螺捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在民航機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、遠(yuǎn)程火炮和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)等載體中得到了廣泛應(yīng)用。從物理上講，光學(xué)陀螺儀沒(méi)有與加速度有關(guān)的誤差，而且它的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)快，不需要預(yù)熱和溫度控制；測(cè)量速度范圍沒(méi)有限制，標(biāo)度因數(shù)的線性度和穩(wěn)定性高。因此，和機(jī)械陀螺儀相比較，光學(xué)陀螺儀在低成本和小型化等方面具有優(yōu)勢(shì)，可以預(yù)期它們將會(huì)有進(jìn)一步的發(fā)展。

內(nèi)容概要

　　《高精度導(dǎo)航系統(tǒng)》主要介紹了作者在清華大學(xué)長(zhǎng)期從事“靜電陀螺儀”和“光學(xué)陀螺定位定向系統(tǒng)”等科研項(xiàng)目的成果。此外，書(shū)中還介紹了慣性/衛(wèi)星組織導(dǎo)航系統(tǒng)理論、最優(yōu)估計(jì)理論以及導(dǎo)航系統(tǒng)中誤差實(shí)時(shí)控制方法等基礎(chǔ)知識(shí)?！　∽髡咴啻谓Y(jié)合科研工作訪問(wèn)加拿大、美、德、法等國(guó)的一些高校和研究所。在《高精度導(dǎo)航系統(tǒng)》中，介紹了他們?cè)趯?dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究中所取得的一些成果。作為高精度導(dǎo)航系統(tǒng)工程應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例，《高精度導(dǎo)航系統(tǒng)》還詳細(xì)介紹了大地貫性測(cè)量系統(tǒng)的精度保證方法?！　≡谝陨涎芯亢驮L問(wèn)的基礎(chǔ)上，作者提出了靜電、激光和光纖等三種高精度陀螺儀的工程設(shè)計(jì)方法，內(nèi)容包括：（1）總體結(jié)構(gòu)的分析；（2）關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)與工藝；（3）誤差分析、測(cè)試與模型建立；（4）在導(dǎo)航系統(tǒng)中，主要誤差的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)?！　　陡呔葘?dǎo)航系統(tǒng)》的內(nèi)容具有工程性、實(shí)用性和前瞻性。對(duì)于從事研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用高精度導(dǎo)航系統(tǒng)的工程技術(shù)人員和高校師生具有參考價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介

　　章燕申，清華大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。1929年11月9日生，武進(jìn)厚余人。1950年畢業(yè)于清華大學(xué)機(jī)械工程系。1953年~1956年入蘇聯(lián)莫斯科包曼技術(shù)大學(xué)精密儀器系讀研究生，1957年獲副博士學(xué)位，回清華大學(xué)籌建自動(dòng)控制系，1958年該系成立后任導(dǎo)航與控制教研室主任，1964年任系副主任。1975年轉(zhuǎn)入精密儀器與機(jī)械學(xué)系，任陀螺導(dǎo)航與自動(dòng)控制教研室主任。1962年以來(lái)，先后兼任中國(guó)電子學(xué)會(huì)導(dǎo)航專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員、中國(guó)航空學(xué)會(huì)自動(dòng)控制專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員、中國(guó)宇航學(xué)會(huì)飛行器慣性器件專(zhuān)業(yè)委員會(huì)及中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)船用儀器儀表專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員。1987年任中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)兼任國(guó)防科工委慣性技術(shù)軍工（專(zhuān)家）組成員，1985年任國(guó)際測(cè)量協(xié)會(huì)（International Association of Geodesy，IAG）會(huì)員，并為該協(xié)會(huì)慣性技術(shù)在測(cè)量中的應(yīng)用專(zhuān)業(yè)組成員。長(zhǎng)期從事自動(dòng)控制理論及應(yīng)用、精密儀器與控制的教學(xué)工作。1978年以來(lái)，已培養(yǎng)自動(dòng)控制理論與應(yīng)用專(zhuān)業(yè)碩士30余人、精密儀器與控制專(zhuān)業(yè)博士10人。在科研方面，1965年在我國(guó)首先開(kāi)始研制靜電陀螺儀，1968年原理樣機(jī)研制成功。1972年~1976年研制成功靜電陀螺三軸穩(wěn)定平臺(tái)，用于飛航式導(dǎo)彈，平臺(tái)通過(guò)飛機(jī)試驗(yàn)，靜電陀螺儀單獨(dú)通過(guò)導(dǎo)彈搭載試驗(yàn)。1981年~1990年完成靜電陀螺儀工程樣機(jī)及精度測(cè)試，1990年又完成在雙軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)上的精度測(cè)試。1995年起任項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，承擔(dān)微型光波導(dǎo)螺技術(shù)、光學(xué)院螺自動(dòng)尋北定位定向系統(tǒng)。先后兩次獲部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議和雜志上已發(fā)表論文70多篇，曾參加加拿大國(guó)際慣性測(cè)技術(shù)會(huì)議、美國(guó)導(dǎo)航學(xué)會(huì)年會(huì)、德國(guó)陀螺技術(shù)及高精度導(dǎo)航等國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議。專(zhuān)著有《現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)》（合著，1981年國(guó)防工業(yè)出版社）、《最優(yōu)估計(jì)與工程應(yīng)用》（1991年宇航出版社）。

書(shū)籍目錄

引論第1章 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差分析與計(jì)算1.1 引言1.2 導(dǎo)航計(jì)算中的坐標(biāo)系1.3 Foucault陀螺儀1.4 擺式陀螺羅經(jīng)1.5 Schuler周期1.6 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)閉環(huán)控制的特點(diǎn)1.7 液浮積分陀螺儀1.8 靜電陀螺儀1.9 撓性陀螺儀1.10 激光陀螺儀1.11 光纖陀螺儀1.12 平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)1.13 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的機(jī)械編排方程1.14 平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差傳播方程1.15 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差的傳播特性1.16 捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)1.17 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第2章 衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)2.1 引言2.2 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)2.3 衛(wèi)星導(dǎo)航的定位方法2.4 計(jì)程儀的定位精度2.5 無(wú)線電導(dǎo)航的定位精度2.6 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度2.7 不同組合深度的GPS/INS導(dǎo)航系統(tǒng)2.8 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第3章 最優(yōu)估計(jì)理論與導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差控制3.1 引言3.2 Weiner濾波理論與積分方程3.3 連續(xù)的Kalman濾波方程3.4 離散的Kalman濾波方程3.5 Kalman濾波器的穩(wěn)定性3.6 Kalman濾波器的發(fā)散3.7 防止Kalman濾波器發(fā)散的方法3.8 平方根濾波器3.9 自適應(yīng)的Kalman濾波器3.10 自適應(yīng)Kalman濾波器的計(jì)算方程3.11 Kalman濾波器的工程設(shè)計(jì)方法3.12 簡(jiǎn)化的自適應(yīng)Kalman濾波器3.13 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第4章 慣性測(cè)量與定位定向系統(tǒng)4.1 引言4.2 慣性測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)要求4.3 液浮陀螺定位定向系統(tǒng)4.4 清華大學(xué)“GWX-1”型快速定位定向系統(tǒng)4.5 靜電陀螺大地測(cè)量系統(tǒng)4.6 激光陀螺定位定向系統(tǒng)4.7 慣性測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)4.8 重力測(cè)量與重力梯度儀4.9 慣性測(cè)量系統(tǒng)的誤差模型及Kalman濾波器4.10 本章 小結(jié)參考文獻(xiàn)第5章 靜電陀螺儀的結(jié)構(gòu)、工藝與支承系統(tǒng)5.1 引言5.2 靜電陀螺儀的結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)5.3 真空環(huán)境中電場(chǎng)的擊穿強(qiáng)度5.4 轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)5.5 轉(zhuǎn)子的工藝5.6 空心轉(zhuǎn)子與實(shí)心轉(zhuǎn)子的比較5.7 支承電極的結(jié)構(gòu)5.8 支承電極的工藝5.9 測(cè)量轉(zhuǎn)子位移的電容電橋5.10 具有變模式控制的靜電支承系統(tǒng)5.11 本章 小結(jié)參考文獻(xiàn)第6章 靜電陀螺儀漂移誤差的測(cè)試與模型辨識(shí)6.1 引言6.2 在導(dǎo)航系統(tǒng)中靜電陀螺儀漂移誤差模型的辨識(shí)方法6.3 船用監(jiān)控器中靜電陀螺儀的漂移誤差模型及其辨識(shí)方法6.4 靜電干擾力矩產(chǎn)生的機(jī)理6.5 靜電陀螺儀漂移誤差的數(shù)學(xué)模型6.6 雙軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)6.7 采用曲線嚙合法計(jì)算靜電陀螺儀的各項(xiàng)漂移誤差系數(shù)6.8 靜電陀螺儀的力矩測(cè)量系統(tǒng)6.9 靜電陀螺儀伺服法測(cè)試的研究6.10 靜電陀螺儀隨機(jī)性誤差模型的初步研究6.11 本章 小結(jié)參考文獻(xiàn)第7章 靜電陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)與空間定向系統(tǒng)7.1 引言7.2 中國(guó)721型靜電陀螺航姿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)7.3 721型靜電陀螺平臺(tái)的穩(wěn)定回路7.4 721型靜電陀螺航姿系統(tǒng)的飛行試驗(yàn)7.5 美國(guó)SPN型靜電陀螺平臺(tái)的結(jié)構(gòu)7.6 SPN型靜電陀螺平臺(tái)的穩(wěn)定回路7.7 SPN型靜電陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)7.8 美國(guó)Stanford大學(xué)的GP-B型靜電陀螺儀7.9 GP-B型衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)與控制7.10 俄國(guó)的實(shí)心轉(zhuǎn)子靜電陀螺儀7.11 本章 小結(jié)參考文獻(xiàn)第8章 精密組合機(jī)床的光學(xué)調(diào)整方法8.1 引言8.2 技術(shù)要求8.3 雙軸組合機(jī)床的光學(xué)調(diào)整方法8.4 #1型同心度光學(xué)調(diào)整儀的研制與實(shí)驗(yàn)研究8.5 #2型同心度光學(xué)調(diào)整儀的研制與實(shí)驗(yàn)研究8.6 四軸組合機(jī)床光學(xué)調(diào)整儀的研制與實(shí)驗(yàn)研究8.7 本章 小結(jié)參考文獻(xiàn)第9章 激光陀螺儀的誤差分析與控制技術(shù)9.1 引言9.2 無(wú)源腔Sagnac干涉儀9.3 美國(guó)Sperry公司的激光陀螺儀實(shí)驗(yàn)裝置9.4 有源腔Sagnac干涉儀……第10章 光纖陀螺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與誤差分析第11章 微型光學(xué)陀螺儀的探索性研究附錄A 導(dǎo)航技術(shù)研究工作50年附錄B 美國(guó)Standford大學(xué)地球引力場(chǎng)探測(cè)（GP-B）的試驗(yàn)結(jié)果

章節(jié)摘錄

　　慣性導(dǎo)航技術(shù)　　在第二次世界大戰(zhàn)中，德國(guó)大量使用了飛航式（“V－1”）和彈道式（“V－2”）導(dǎo)彈武器，它們?cè)谏涑毯推茐牧Φ确矫孢h(yuǎn)勝于遠(yuǎn)程火炮。20世紀(jì)50年代開(kāi)始的“冷戰(zhàn)”時(shí)期，美、蘇等國(guó)把核武器及其三大運(yùn)載工具：彈道式導(dǎo)彈、核潛艇以及戰(zhàn)略轟炸機(jī)作為軍備競(jìng)賽的主要內(nèi)容。為了提高這些載體上導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和連續(xù)工作時(shí)間，慣性導(dǎo)航技術(shù)得到了迅速發(fā)展，研制成功了多種高精度的陀螺儀和加速度計(jì)，并用它們組成了不同類(lèi)型的“慣性導(dǎo)航系統(tǒng)”（Inertial navigation system，INS）?！　≡谏鲜霾煌d體的INS中，都需要采用：　?。?）“速度測(cè)量組合”（由三只加速度計(jì)構(gòu)成）；　?。?）“陀螺穩(wěn)定平臺(tái)”（核心部件是平臺(tái)的信號(hào)器，可以是三只單自由度陀螺儀，或兩只二自由度陀螺儀）；　?。?）導(dǎo)航計(jì)算機(jī)（數(shù)字計(jì)算機(jī)輸出姿態(tài)角、航速以及定位等導(dǎo)航信號(hào)）?！　≡诩铀俣扔?jì)中，目前普遍采用“力平衡伺服系統(tǒng)”測(cè)量“檢測(cè)質(zhì)量”所產(chǎn)生的慣性力。在陀螺儀中，需要采用“力矩控制回路”對(duì)“陀螺轉(zhuǎn)子”施加控制力矩，使陀螺轉(zhuǎn)子產(chǎn)生“進(jìn)動(dòng)”，從而帶動(dòng)穩(wěn)定平臺(tái)，跟蹤“大地三面體”在慣性空間中的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。在這種類(lèi)型的INS中，平臺(tái)始終穩(wěn)定在“當(dāng)?shù)厮矫妗保↙0cal level）之中，并指向北方。這種陀螺穩(wěn)定平臺(tái)將直接測(cè)量出載體的動(dòng)態(tài)姿態(tài)角。如果對(duì)陀螺不施加控制力矩，則陀螺穩(wěn)定平臺(tái)將在慣性空間中保持穩(wěn)定，載體的動(dòng)態(tài)姿態(tài)角信號(hào)需要由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)進(jìn)行換算。這種類(lèi)型的INS被稱(chēng)為“空間穩(wěn)定”（S119ace stabi-lized）的INS?！　?957年，蘇聯(lián)成功地發(fā)射了人類(lèi)第一顆人造地球衛(wèi)星，開(kāi)啟了人類(lèi)進(jìn)入宇宙的新紀(jì)元。人造地球衛(wèi)星的成功發(fā)射充分證明了運(yùn)載火箭慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。眾所周知，在運(yùn)載火箭的INS中，當(dāng)時(shí)采用了“單自由度液浮積分陀螺儀”和“擺式陀螺積分加速度計(jì)”?！　∩鲜鯥NS被推廣應(yīng)用于核潛艇和戰(zhàn)略轟炸機(jī)。在艦船的INS中，需要采用“液浮擺式加速度計(jì)”。1958年，在試驗(yàn)性的航行中，美國(guó)兩艘核潛艇由冰下通過(guò)了北極。

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