航空機(jī)載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

前言

慣性導(dǎo)航涉及到傳感器技術(shù)、精密制造技術(shù)、自動控制理論、光學(xué)與微電子學(xué)、測試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多技術(shù)領(lǐng)域和學(xué)科，因而慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展依賴于上述各學(xué)科技術(shù)的發(fā)展。一個(gè)國家的慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展水平最能夠代表這個(gè)國家的綜合科學(xué)技術(shù)水平。目前已經(jīng)發(fā)展出撓性慣導(dǎo)、光纖慣導(dǎo)、激光慣導(dǎo)、微機(jī)電慣性基準(zhǔn)裝置等多種方式的慣導(dǎo)系統(tǒng)。激光陀螺、光纖陀螺、微機(jī)電陀螺將逐漸取代傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺。激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)的定位精度高、隨機(jī)漂移小，并能快速完成初始對準(zhǔn)進(jìn)入導(dǎo)航狀態(tài)，20世紀(jì)80年代初開始成功地應(yīng)用于民航飛機(jī)、地面車輛和艦船的導(dǎo)航，之后又應(yīng)用于導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭和軍用飛機(jī)等領(lǐng)域。光纖陀螺與環(huán)形激光陀螺相比，除了具有激光陀螺所有的優(yōu)點(diǎn)外，不需要嚴(yán)格密封的光學(xué)諧振腔和高質(zhì)量的反射鏡，所以減少了精密加工，降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和產(chǎn)品的成本，具有更強(qiáng)的市場競爭力。日本在TRl和M5火箭上率先使用了光纖陀螺。美國研制的光纖陀螺已應(yīng)用于飛機(jī)俯仰、滾轉(zhuǎn)和航向基準(zhǔn)的慣性測量系統(tǒng)中。但目前的光纖陀螺存在角度隨機(jī)游動、零偏不穩(wěn)定等缺陷，其性能有待提高。隨著現(xiàn)代微機(jī)電系統(tǒng)（MEMs）的飛速發(fā)展，近年來硅微陀螺（俗稱芯片陀螺）和硅加速度計(jì)的研制工作進(jìn)展很快。據(jù)報(bào)道，這種新的固態(tài)陀螺的零偏穩(wěn)定性已能達(dá)到l度／小時(shí)（溫控條件下）?，F(xiàn)在美國已開始批量生產(chǎn)由硅微陀螺和硅加速度計(jì)構(gòu)成的微型慣性測量裝置。這種MEMS慣性測量裝置具有成本低、功耗低及體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，因而適于軍事戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，預(yù)計(jì)最先的應(yīng)用場合將是戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和無人機(jī)。目前我國在慣性導(dǎo)航技術(shù)方面與西方發(fā)達(dá)國家相比尚有差距。除了由于我國的整體基礎(chǔ)工業(yè)水平還落后于西方發(fā)達(dá)國家以及在一些關(guān)鍵技術(shù)研究方面尚有欠缺外，還有一個(gè)原因就是我國從事慣性導(dǎo)航技術(shù)研究的人員與其他學(xué)科相比還較少，關(guān)于慣性導(dǎo)航技術(shù)的著作也不多，因此需要出版更多有關(guān)慣性導(dǎo)航技術(shù)的出版物。作者在多年從事航空機(jī)載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)理論和應(yīng)用技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，編寫了這本《航空機(jī)載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)》。該書不僅對慣性導(dǎo)航基礎(chǔ)理論進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，還把當(dāng)今先進(jìn)的慣性傳感器，如激光陀螺、光纖陀螺、微機(jī)電陀螺、微硅加速度計(jì)等內(nèi)容納入書中，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，適合從事慣性導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)的工程技術(shù)人員參考使用，也可作為慣性導(dǎo)航、慣性傳感器技術(shù)等專業(yè)的大學(xué)生學(xué)習(xí)參考用書。

內(nèi)容概要

　　本書旨在介紹航空機(jī)載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理和主要慣性測量器件（陀螺和加速度計(jì)）的原理、結(jié)構(gòu)等基本理論　　和技術(shù)，并對新型的激光陀螺、光纖陀螺、微機(jī)電陀螺、微硅加速度計(jì)等進(jìn)行介紹。全書共分7章：第1章為概論，介　　紹導(dǎo)航的基本概念和機(jī)載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本功能等；第2章為慣性導(dǎo)航基礎(chǔ)理論，介紹慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主要基本理論　　和概念；第3章為慣性元件，介紹常規(guī)機(jī)械陀螺、激光陀螺、光纖陀螺、微機(jī)電陀螺、擺式加速度計(jì)、石英加速度計(jì)、　　微硅加速度計(jì)等慣性測量元件的基本原理、結(jié)構(gòu)等；第4章為陀螺穩(wěn)定平臺，介紹三軸和雙軸陀螺穩(wěn)定平臺的基本工作　　原理和結(jié)構(gòu)；第5章為平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理，介紹平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理、力學(xué)方程的建立、誤差分析、　　初始對準(zhǔn)理論分析等；第6章為捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，介紹捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理、特點(diǎn)、理論算法；第7章　　為慣性/衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，介紹慣性/衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理、特點(diǎn)和算法等。

書籍目錄

第1章 概論第一節(jié) 導(dǎo)航概述一、導(dǎo)航的基本概念二、導(dǎo)航系統(tǒng)的分類第二節(jié) 機(jī)載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)概述一、機(jī)載慣性導(dǎo)航的分類二、機(jī)載慣性導(dǎo)航的基本組成三、機(jī)載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的功能四、機(jī)載慣性導(dǎo)航的發(fā)展第三節(jié) 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本概念一、平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本概念二、捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本概念第2章 慣性導(dǎo)航基礎(chǔ)理論第一節(jié) 方向余弦第二節(jié) 歐拉角和矩陣變換第三節(jié) 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)常用坐標(biāo)系一、慣性參考坐標(biāo)系二、地球坐標(biāo)系三、地理坐標(biāo)系四、運(yùn)載體坐標(biāo)系第四節(jié) 科氏加速度一、科氏加速度二、絕對加速度第五節(jié) 比力方程第六節(jié) 舒勒原理一、數(shù)學(xué)擺跟蹤垂線的舒勒原理二、復(fù)擺跟蹤地垂線的舒勒原理第七節(jié) 卡爾曼濾波第3章 慣性元件第一節(jié) 概述一、慣性元件概述二、陀螺的分類三、陀螺的應(yīng)用四、陀螺儀基本特性五、陀螺力矩六、二自由度陀螺的運(yùn)動特點(diǎn)七、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的陀螺儀第二節(jié) 常規(guī)機(jī)械陀螺一、浮子陀螺儀二、撓性陀螺儀三、靜電陀螺第三節(jié) 激光陀螺一、概述二、激光陀螺的基本原理三、激光陀螺儀的特點(diǎn)四、國外激光陀螺儀的發(fā)展第四節(jié) 光纖陀螺一、概述二、光纖陀螺的基本原理三、光纖陀螺的特性四、光纖陀螺的發(fā)展第五節(jié) 微機(jī)電陀螺一、概述二、微機(jī)電陀螺三、微機(jī)電陀螺的發(fā)展四、典型的微機(jī)電陀螺第六節(jié) 加速度計(jì)一、擺式加速度計(jì)簡介二、撓性擺式加速度計(jì)三、微硅加速度計(jì)第4章 陀螺穩(wěn)定平臺第一節(jié) 陀螺穩(wěn)定平臺工作原理一、各類穩(wěn)定平臺簡介二、陀螺穩(wěn)定平臺力矩裝置的技術(shù)要求第二節(jié) 三軸陀螺穩(wěn)定平臺一、三軸陀螺穩(wěn)定平臺簡介二、環(huán)架驅(qū)動信號的合理分配三、三軸平臺工作原理分析四、三軸平臺鎖定原理五、三軸平臺的動力學(xué)方程和系統(tǒng)的傳遞函數(shù)陣六、采用積分陀螺時(shí)三軸平臺系統(tǒng)的輸出軸耦合分析七、三軸平臺的誤差分析第三節(jié) 雙軸陀螺穩(wěn)定平臺一、穩(wěn)定瞄準(zhǔn)線的雙軸穩(wěn)定平臺二、水平式雙軸穩(wěn)定平臺第5章 平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理第一節(jié) 平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)概述一、平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的工程化二、平臺式慣導(dǎo)的導(dǎo)航計(jì)算第二節(jié) 平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理一、平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本組成二、比力方程和加速度信息的提取三、平臺的水平控制回路及舒勒調(diào)諧四、慣導(dǎo)系統(tǒng)高度通道的問題第三節(jié) 指北方位慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的力學(xué)方程一、平臺指令角速度二、速度計(jì)算三、經(jīng)緯度計(jì)算四、高度計(jì)算五、姿態(tài)角的獲取六、系統(tǒng)原理方框圖第四節(jié) 自由方位慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的力學(xué)方程一、利用方向余弦矩陣求導(dǎo)航參數(shù)二、求解方向余弦矩陣三、求解角速率四、速度計(jì)算五、平臺指令角速度六、系統(tǒng)原理方框圖第五節(jié) 游動方位慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的力學(xué)方程一、速度方程二、角速率方程三、方向余弦矩陣四、矩陣微分方程五、導(dǎo)航參數(shù)的求取六、幾種平臺式慣導(dǎo)方案評述第六節(jié) 平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差分析一、坐標(biāo)系及小角度下的坐標(biāo)變換矩陣二、系統(tǒng)誤差方程的建立三、系統(tǒng)誤差分析第七節(jié) 平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)第6章 捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)第一節(jié) 捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)概述一、概述二、捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的基本原理三、捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的特點(diǎn)第二節(jié) 捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)算法一、概述二、捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)算第7章 慣性／衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第一節(jié) 慣性／衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)概述第二節(jié) 慣性／衛(wèi)星組合導(dǎo)航原理第三節(jié) 位置、速度組合的SINS／GPS導(dǎo)航系統(tǒng)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第一節(jié) 導(dǎo)航概述一、導(dǎo)航的基本概念把飛機(jī)、航天器、導(dǎo)彈、艦船等航行體按預(yù)先制定的計(jì)劃和要求，從一個(gè)地方（如出發(fā)點(diǎn)）引導(dǎo)到目的地的過程稱為導(dǎo)航。導(dǎo)航系統(tǒng)就是完成上述引導(dǎo)任務(wù)的設(shè)備。導(dǎo)航系統(tǒng)必須隨時(shí)測出航行體的即時(shí)參數(shù)，如姿態(tài)角、速度、位置等。能測得這些導(dǎo)航參數(shù)的物理原理和技術(shù)有很多，因此出現(xiàn)了各種類型的導(dǎo)航系統(tǒng)，如無線電導(dǎo)航系統(tǒng)、天文導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等。在飛機(jī)、艦船上的導(dǎo)航任務(wù)一般由領(lǐng)航員或駕駛員根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)測出的參數(shù)來完成。隨著航空、航天、航海技術(shù)的發(fā)展，有些航行體的導(dǎo)航任務(wù)并不需要駕駛員操作和控制，而由航行體機(jī)載設(shè)備自動測出航行體的瞬時(shí)參數(shù)，并由航行體上的控制系統(tǒng)自動完成，人們常稱這類系統(tǒng)為制導(dǎo)系統(tǒng)。彈道導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭的引導(dǎo)就采用制導(dǎo)系統(tǒng)。通過裝載在飛機(jī)上的慣性傳感器（如陀螺、加速度計(jì)等）自動測量飛機(jī)即時(shí)飛行參數(shù)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)解算出飛機(jī)姿態(tài)、位置、速度等導(dǎo)航信息的導(dǎo)航系統(tǒng)稱為航空機(jī)載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（簡稱慣導(dǎo)系統(tǒng)），本書主要介紹這種航空機(jī)載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。二、導(dǎo)航系統(tǒng)的分類（一）導(dǎo)航儀表飛機(jī)上最簡單的導(dǎo)航設(shè)備就是一些導(dǎo)航儀表，它們單獨(dú)測出飛機(jī)的一些參數(shù)，如飛機(jī)的俯仰角、傾斜角、航向角、磁航向、空速、高度等，供飛行員操縱飛機(jī)完成導(dǎo)航任務(wù)。我國最早發(fā)明的指南針就是最簡單的導(dǎo)航儀表?，F(xiàn)在不少飛機(jī)上仍裝有地平儀、磁羅盤、陀螺半羅盤、空速表和高度表等普通導(dǎo)航儀表，雖然這些儀表提供的飛機(jī)姿態(tài)角、速度、高度等參數(shù)不夠精確，但作為人工儀表領(lǐng)航以及應(yīng)急使用還是十分必要的。（二）無線電導(dǎo)航系統(tǒng)利用無線電技術(shù)測量導(dǎo)航參數(shù)的系統(tǒng)較多，它們的基本功能主要是測高、測向、測速、測距和定位。無線電導(dǎo)航包括多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)、無線電高度表、自動定向機(jī)、全向信標(biāo)機(jī)、測距系統(tǒng)、塔康系統(tǒng)、羅蘭系統(tǒng)、奧米伽系統(tǒng)、雷達(dá)、微波著陸、空中交通管制等系統(tǒng)和設(shè)備。這類系統(tǒng)門類較多，使用廣泛，但由于其工作均與無線電波的傳播有關(guān)，因而在一定程度上受氣候、地形、位置的影響，其作用距離均有一定限制。

編輯推薦

《航空機(jī)載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)》是由航空工業(yè)出版社出版的。

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