陀螺平台慣性導航系統

一種利用質量作加速度的敏感元件，以陀螺平台為支承的完全自足式導航系統。這種新興的導航系統是在20世紀初出現的。它以力學中的慣性原理為依據，而與周圍物理環境無關，不靠輻射能量和無線電等的輔助，不受外界干擾，導航精度完全取決於元件本身。

基本介紹

• 中文名：陀螺平台慣性導航系統
• 外文名：inertialnavigation systems with gyro platform

定義

一種利用質量作加速度的敏感元件，以陀螺平台為支承的完全自足式導航系統。這種新興的導航系統是在20世紀初出現的。它以力學中的慣性原理為依據，而與周圍物理環境無關，不靠輻射能量和無線電等的輔助，不受外界干擾，導航精度完全取決於元件本身。

慣性導航系統可以作為導航的獨立裝置來使用，給領航員以指示，也可以作為調整器而結合自動駕駛儀來控制運載器。慣性導航系統一般有加速度計、陀螺平台、計算機，以及控制、顯示部件等。基本原理在於用加速度計（慣性敏感元件）測量出運載器的加速度並由積分器加以積分，把信號變成速度，再由另一積分器積分成路程，再經過坐標變換而得到定位和導向的指示。

以平面導航為例，把平台穩定在水平面，沿x，y方向各放一個加速度計。加速度計測出的加速度信號，可按下頁平面導航原理圖所示的方案處理。

陀螺平台的功能在於支承加速度計並按導航指示轉動。平台的任何微小偏差都會反映到加速度測量中，以致在時間長的導航中會使位置指示的誤差積累越來越大。陀螺平台是一種具有速度控制的伺服機構，本身就是受控制項，它和運載器間不應有任何耦合

陀螺平台慣性導航系統的分類

根據陀螺平台的定位方式以及它和加速度計之間的聯繫狀況，慣性導航系統可分為幾何式、解析式和半解析式三類：

在幾何式慣性導航系統中，陀螺平台穩定在慣性空間，而加速度計平台則用精密的時鐘機構（精確度高達幾百萬分之一秒的晶體振盪器）轉動，使之跟上當地的重力方向，這種系統構造複雜，體積和重量都較大。但由於加速度計的方位是受機械控制的，精確度較高，因而能用於船艦、潛艇等的導航。

解析式慣性導航系統的加速度計直接裝在陀螺平台上，因而有構造簡單、體積重量都小的優點。平台也被穩定在慣性空間。但是，由於重力相對於平台和加速度計的敏感方向都隨時間而改變，以致在加速度的實測值中有重力的可變分量介入，比較難以消除。同時，積分器給出的是相對於慣性空間的數據，把這些數據變換到當地的地理坐標系中，也很麻煩。這些複雜的計算，通常由地面的計算機完成。這種系統用以制導那些工作時間較短（僅幾分鐘）的彈道式飛彈是比較適宜的。

半解析式慣性導航系統的加速度計也直接裝在陀螺平台上，但此平台不斷地跟蹤著當地水平面。由於平台的進動電動機是按照積分器輸出量的放大信號（在積分前要把介入的有害加速度消除）來工作的，因此電動機的角速度應與信號保持嚴格的正比關係，而且在高放大倍數下不失真，這一點是很難做到的。但是，這種系統的坐標變換工作比較簡單，可以使用較小的計算機。這種系統適用於工作時間長達十幾小時的普通飛機和飛航式飛彈。

慣性導航系統套用於衛星發射也很出色，它能直接測出軌道的變化率，從而測出應截止推力的精確時間，以便有效地把衛星送入預定軌道。但是，對於時間很長的行星際飛行，由於各行星產生的引力分量難以測準，會有非慣性參考系性質的誤差介入並按指數規律積累起來。因此，需要從外界引入補償信號，例如利用天文導航、無線電導航等的結合來消除這些誤差。

在選擇元件參數時，舒勒條件（見舒勒擺）極關重要。滿足舒勒條件不僅能排除有害的加速度干擾，同時能使誤差的積累以振動的形式出現（也具有84.4分鐘的周期），而且不按時間的平方遞增。

具有陀螺平台的慣性導航系統的適用性取決於元件的精度。今後除致力於改進現有的元件外，還要進一步探索更好的導航方案和研製新的元件。目前已出現的捷聯式慣性導航系統，不用陀螺平台而把運載器上的加速度計（通常是三個速率陀螺儀）的信號直接輸入計算機。這種以計算機軟體代替更複雜平台的辦法，能降低造價和提高可靠性。