实习论文惯性与控制技术及其在某型飞行器上的应用.doc

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1、 惯性与控制技术及其在某型飞行器上的应用 摘要:探讨了惯性技术在各种飞行器中的应用与发展,给出了飞行器对惯性技术的要求,对国外惯性技术的现状和发展趋势进行了分析,对国内惯性技术的研究方向进行了展望。关键词：导航精确制导惯性技术 最新发展 最新应用Inertia and control technology and its application in a certain type of aircraftAbstract：The application of inertial technology in aircraft and its development are discussed. Th

2、e demands of aircraft to inertial technology are presented. The current condition and future development direction of inertial technology in foreign countries are analyzed, and the development of domestic inertial techniques is also studied.Key words：Navigation Precision guidance Inertial technology

3、 Newdevelopment New application引言 惯性技术是为武器系统定向导航的关键技术。以陀螺仪、加速度计等惯性器件、惯性测量、惯性导航和惯性制导为主要研究内容的惯性技术, 是用来实现载体姿态和轨迹控制的完全自主式的工程技术。在各种导航系统中, 惯性导航/ 制导系统是可信赖、完全自主式的导航/ 制导系统。完全自主的惯性系统具有抗干扰能力。简介 惯性导航系统（ INS ）惯性导航系统是以陀螺和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统，该系统根据陀螺的输出建立导航坐标系，根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系使加速度计的

4、测量轴稳定在该坐标系中并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。惯导系统目前已经发展出挠性惯导、光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表等多种方式。陀螺仪由传统的绕线陀螺发展到静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机械陀螺等。国内惯性系统的发展 我国的惯导技术近年来已经取得了长足进步，液浮陀螺平台惯性导航系统、动力调谐陀螺四轴平台系统已相继应用于长征系列运载火箭。其他各类小型化捷联惯导、光纤陀螺惯导、 激光陀螺惯导以及匹配GPS修正的惯导装置等也已经大量应用于战术制导武器、飞机、舰艇、运载火箭、宇宙飞船等。如漂移率0.010.0

5、2/h 的新型激光陀螺捷联系统在新型战机上试飞，漂移率0.05/h 以下的光纤陀螺、捷联惯导在舰艇、潜艇上的应用，以及小型化挠性捷联惯导在各类导弹制导武器上的应用，都极大的改善了我军装备的性能。早期发展起来的液浮、气浮技术和后来发展起来的挠性技术，作为惯性技术的主导技术，在近十年来，其性能及可靠性都有明显提高，精度提高几倍到一个多量级不等，并已相继进入型号实用阶段。民用领域航天运载火箭用惯导系统与总体配套已进入国际发射服务市场，地质勘探、石油钻井测量、车辆及轨道测试用惯性仪表，已批量供应国内市场，支持了国民经济各行业的发展。一些小型惯性系统和仪表、元件也与各种战术武器或技术设备配套或单独进入了

6、国际市场，为国家创造了可观的经济和社会效益。作为惯性技术重要组成部分的系统软技术，如速率捷联技术、误差标定与补偿技术、自动化测试技术、以惯性系统为基础的组合导航技术等，在近十年里有了重大突破和发展。速率捷联技术在数年时间里，迅速从开发进入实用阶段，在中、近程地地导弹，中、近距反舰导弹中得到成功应用。误差标定与补偿技术在经过多年研究之后，已于近年应用于实际型号，在系统硬件基本不变的情况下，采用系统监控、误差补偿等手段，使系统实际精度有显著提高，显示出巨大技术潜力和较高的效/费比。惯性系统测试技术近十年来通过采用计算机自动控制，把以前以天计时的测试及作战准备时间缩短到以小时计，甚至以分钟计，大大提

7、高了武器的作战效能和战备完好率。以惯性系统为基础的组合导航技术，包括惯性/GPS组合，惯性/天文/GPS组合，惯性/地形匹配/景象匹配组合等技术，近十年来也有了重要进展。有的已经开始用于实际型号，并取得明显成绩。新型惯性器件，包括激光陀螺、光纤陀螺、振动式惯性器件等，在近十年内从无到有，也有了重要进展。其中，激光陀螺已研制出几种原型机，并可望在5-10年内用于系统。光纤陀螺已研制出多种样机，预计在10-15年内有望进入实用阶段。振动式惯性器件也已研制了几种原理模型，目前有关单位正在进行深入攻关研制。总之，在新型惯性器件方面，投入了相当大的力量进行重点攻关，并已取得不小的成绩，为惯性技术进一步发

8、展打下了必要的技术基础。国外惯性技术的发展从目前国外惯性导航与制导系统发展和应用来看, 惯性器件的发展大致分为机电陀螺仪、激光陀螺仪、光纤陀螺仪和微机电惯性仪表四个阶段。国外液浮、气浮、静电和动力调谐陀螺仪的技术非常成熟,应用非常广泛。目前美国静电陀螺仪随机漂移优于0. 001(b) / h,液浮陀螺仪随机漂移为0. 001、(b) / h, 动力调谐陀螺仪随机漂移为0. 006 (b) / h。在航天与导弹应用方面, 德国和法国以挠性陀螺组成的平台和捷联系统应用为主。美国以挠性和液浮陀螺组成的平台和捷联惯导系统应用为主。美国和法国的激光陀螺技术已应用到航天、航空上, 多数组成捷联惯导系统。零

9、偏稳定性优于0. 01(b) / h。由于对机电陀螺仪的许多误差项不敏感, 并且动态活动范围大, 从0. 01(b) / h1 000(b) / s, 因而激光陀螺仪适用于捷联惯导系统。与动力调谐陀螺仪、液浮陀螺仪和静电陀螺仪的应用比例相当。光纤陀螺仪是捷联惯导系统的最佳惯性器件。由于易于集成化, 成本可大大降低, 因而有很强的竞争力。三轴化、集成化、数字化、模块化是光纤陀螺仪的发展方向。光纤陀螺仪已在美国、德国和日本等国广泛应用。 随着世界经济与科技的高速发展, 在信息、生物、航空、航天和环境控制等领域里不断提出微米化, 甚至纳米化的更高要求。这一新的微纳米技术必将导致人类认识和改造世界的能

10、力产生重大突破。微米技术已在惯性技术领域得到发展和应用。80年代以来, 美国、日本和西欧一些国家十分重视微米、纳米技术的研究与发展。美国德雷伯实验室于20 世纪80 年代末首先研制出一种新型微硅振动陀螺仪, 其漂移已达10(b) / h, 近期可接近1(b) / h 的实用阶段。目前悬臂梁式可以做到偏置稳定性0. 1mg以下, 量程100g , 标度因数误差0. 01% 。微硅惯性器件属低成本、中低精度范围, 在军民两用技术方面将有广阔的市场。目前新型技术对传统的惯性传感器技术提出了挑战, 主要表现如下:1) 环形激光陀螺( RLG )在很多应用领域已经取代了机电陀螺, 正处于发展的全盛时期,

11、 处于航空、航天产品的高端;2) 光纤陀螺( FOG )现处于蓬勃的发展时期, 正在进入生产和应用阶段, 在战术武器应用条件下必将成为主流陀螺;3) MEMS惯性传感器尚未发育成熟, 但随着技术的发展和需求的牵引, 低成本MEMS 将成为惯性技术的发展重点, 将具有改变未来导航系统的前景;4) 石英振梁加速度计技术, 由于石英振梁加速度计精度高、体积小、成本低, 特别是直接数字输出,显示更好的优越性, 将逐步替代石英加速度计。今后10 15年, 在战术武器领域石英振梁加速度计是使用的重点;5) 未来的惯性传感器和系统将朝着低成本、小尺寸和适合批量生产的方向发展。影响惯性传感器发展的一个重要因素

12、是外部的辅助作用, 外部辅助的惯性系统允许采用精度较低、价格也相对较低的惯性传感器。近几年来, 国外GPS已成为辅助惯导系统的首选方案。美国在各种精确制导武器中应用的典型惯性产品为HG1700惯性测量装置( IMU ), 其主要的特点是:1) 可满足战术导弹、弹药、鱼雷和无人机(UAV)的需要而提供的一种技术成熟, 适合战术武器应用的低成本系统, 造价仅10 000美元;2) 达到低成本系统的主要技术途径:采用小型化、低成本、战术级环形激光陀螺GG1308;RBA500 数字式石英振梁加速度计; 采用标准模块和元件。表1为未来美国惯导系统精度与成本。 新型惯性器件激光陀螺仪和光纤陀螺仪是新一代

13、的惯性器件激光陀螺仪是利用光程差来测量旋转角速度( Sagnac 效应) 。在闭合光路中, 由同一光源发出的沿顺时针方向和逆时针方向传输的两束光合光干涉, 利用检测相位差或干涉条纹的变化, 可以测出闭合光路旋转的角速度。激光陀螺仪的漂移表现为零偏的不稳定度。主要误差来源有: 谐振光路的折射系数具有各向异性, 氦氖等离子体在激光管中的流动、介质扩散的各向异性等。为减少漂移, 应采取的措施有: 稳定激光器的放电电流、在结构设计中尽量减小温度梯度、控制反射镜的平移和转动以及合理设置模态控制光阑, 抑制不需要的横模振荡, 以减小损耗等。这些需要增加激光陀螺仪的多点温度测量等。激光陀螺仪的噪声表现在角速

14、度测量上。目前多数激光陀螺仪采用偏频技术, 在抖动运动变换方向时, 抖动角速度较低, 在短时间内, 低于闭锁阈值, 这时将造成输入信号丢失, 并导致输出信号相位角随机变化。闭锁阈值将影响激光陀螺仪标度因数的线性度和稳定度。闭锁阈值取决于谐振光路中的损耗, 主要是反射镜的散射损耗。提高反射镜的质量是提高激光陀螺仪精度的技术途径。目前高精度激光陀螺仪要求反射镜的反射率优于99. 95%, 散射率为0. 01% 0. 02% 。标度因数的稳定度取决于闭锁阈值的大小。为了提高激光蛇螺仪的精度, 需要采取速度偏频技术。现在, 激光陀螺仪已广泛用于民用飞机和军用直升机, 开始取代动力调谐陀螺仪( DT G

15、) 。经过20 多年的研究和开发,光纤陀螺仪发展很快, 和激光陀螺仪一样, 已能批量生产。高精度光纤陀螺仪的零偏稳定性已到0. 00038(b) / h。国外光纤陀螺仪的应用领很广泛。在中高精度姿态方位参考系统( AHRS) 和捷联式惯导系统( SINS) 中, 光纤陀螺仪和激光陀螺仪占有重要位置。随着光纤通信技术和光纤传感技术的发展, 许多惯性技术专家预言, 传统的机电式陀螺仪将在21 世纪初被激光陀螺仪取代,光纤陀螺仪又将取代激光陀螺仪。美国利顿公司的0. 1 (b) / h的光纤陀螺仪已用于战术导弹的惯导系统, 并且已批量生产采用光纤陀螺仪的姿态航向参考系统( AHRS) 。杭尼韦尔公司

16、已经生产出用于波音777 飞机和道尼尔飞机上的光纤陀螺仪。新型导航系统FNA2012 采用了1(b) / h 的光纤陀螺仪和卫星导航GPS。日本航空电子公司( JAE) 生产的光纤陀螺仪, 已用于遥控直升机、足球场用的剪草机和机器人。三菱公司生产的几种型号的光纤陀螺仪已用于发射运载器,并且已计划用于飞向月球的运载火箭。日本日立公司月产3 000台光纤陀螺仪, 若月产100 万台, 成本将降低到每台100 美元。美国德雷伯实验室在研制光纤陀螺仪( 干涉仪式) 的过程中,采用了三项技术: 采用模块技术( 把光源、探测器和前置放大器制成一个模块) ; 采用无骨架绕制光纤环圈的技术( 光纤传感环圈的结

17、构对光纤陀螺仪的精度影响很大) ; 采用集成技术( 多功能集成光学器件) 。作者1999 年曾赴美考察光纤陀螺技术, 和美国专家座谈过, 美国专家认为0. 01(b) / h 的干涉仪式光纤陀螺仪( IFOG) 成本较高, 需要研制自动生产线,降低成本, 保证质量。美国专家认为再过五年, 惯性级干涉仪式光纤陀螺仪可取代动力调谐陀螺仪( DTG) ; 再过十年, 将会取代激光陀螺仪( RLG) 。 微机电惯性仪表将根本改变惯性技术的面貌微机电系统( MEMS ) 是20世纪80 年代后期才发展起来的一种新型惯性系统, 它由硅片采用光刻和各向异性刻蚀工艺制造而成, 具有显著的尺寸小、质量轻、成本低

18、、可靠性高、抗振动冲击能力强, 以及易批量生产等优点。1988 年, 美国德雷伯实验室研制出第一台框架式角振动微机电陀螺仪, 1993 年又研制出性能更好的音叉式线振动陀螺仪, 此后这种技术受到各国的重视, 纷纷投入人力财力, 积极开发。微机电系统的关键技术是研制微机电惯性仪表。微机电惯性仪表主要应用于军事领域。高可靠性、小体积和抗恶劣环境的能力使其广泛用于战术导弹、炮弹的惯性导航系统, 另一个主要应用领域是汽车领域。卫星组合导航是一种重要的导航方式, 但这种方式只能间隔地得到位置的信息, 而且地面建筑物、山脉和隧道更延长了这种间隔, 所以很需要一种辅助导航系统来提供间隔内的位置信息, 而这种

19、成本较低的新型惯性仪表使导航系统能够比较经济地应用于汽车工业, 零位误差可通过地图或GPS 的信号来校准。低成本使得它将越来越广泛地应用于一些较复杂的电器中。例如, 在高级摄像机的稳定补偿系统中, 来自水平和垂直偏转角速度传感器的信号可用来稳定摄像机内的机械平台, 也可用来移动CCD 图像, 以达到补偿目的。玩具、游戏机和体育设施将是这种廉价的角速率测量装置的又一个巨大的市场。微机电惯性仪表的工作原理是: 质量快( 敏感元件) 在激励模态下振动, 沿垂直于振动方向的对称轴施加角速度, 在哥氏力的作用下, 质量块将在三维空间的另一方向上以敏感模块同频率振动, 幅度与角速度大小成正比,相位与角速度

20、方向有关。从敏感模态的振动可以知道角速度。有四种不同的激励与检测方式和结构型式。静电激励、电容检测方式, 电磁激励、电容检测方式,压电激励、电容检测方式和电磁激励、压敏电桥检测方式。在静电激励、电容检测方式下, 质量块的振动有角振动式和线振动式两种。1988 年德雷伯实验室研制出框架式角振动惯性仪表。它没有高速旋转的惯性仪表转子, 有绕挠性枢轴高频率振动的部件。惯性仪表由内外两层框架组成,在外框架和内框架的上下方安装电极来施加力矩和敏感角速度。内框架上有垂直质量块, 外框架在交变静电力驱动下绕枢轴振动, 每个框架通过一组正交的枢轴连接在一起。当外框架以小角度振动时, 内框架就能敏感绕框架平面法

21、线的角速度。这时, 内框架的输出信号频率与外框架的振动频率相同, 而幅值与输入角速度成正比, 相位与输入角速度的方向有关。陀螺外框架运动的测量和控制是由两个隐式电极完成。国内惯性技术的发展方向光学捷联惯性技术预计在今后10 15年, 重点采用以光学陀螺为核心的捷联惯测装置及系统, 应该从以下几个方面发展:1) 系列化特别是光学陀螺达到一定水平时, 能实现精度高、中、低3个档次; 2) 模块化、通用化要实现陀螺、加速度计构成的敏感组合, V /F或I /F混合集成模块、电源模块通用化; 3) 多用途开发更多的用户。同时, 在技术上还应再重点进行以下方面的研究:1) 系统动态误差标定与补偿; 2)

22、 进一步缩短系统准备时间; 3) 长时间贮存过程中系统稳定性研究;4) 系统与器件耐振技术研究; 5) 提高惯性器件的测量范围。组合导航系统是今后重点研究方向, 而且应向多传感器组合导航系统发展。惯性/ 地形匹配组合导航除了提高惯性系统的制导精度外, 还可以提高导弹的隐蔽性、机动性和安全性, 提高导弹的突防能力。采用多传感器组合导航系统的研究是今后的发展趋势, 会进一步提高远程飞航导弹的中制导精度, 还可大大提高导弹的灵活性、安全性和准确性。惯性系统的发展主要取决于惯性器件。 激光陀螺仪在目前情况下, 激光陀螺仪是捷联惯导系统的最佳选择。为此, 在动力调谐陀螺仪市场向光纤陀螺仪市场转变过程中,

23、 必须发展激光陀螺仪, 快速满足国内对激光陀螺仪的需求, 必须采取如下措施。引进激光陀螺仪生产工艺技术, 在最短时间内形成生产能力是最佳途径; 国内已有研制基础的研制单位, 根据各家的预研基础实力和优势, 采用优势互补的合作方式, 走联合攻关的道路, 确定可行的技术指标, 迅速工程化。光纤陀螺仪目前能预测到未来捷联惯导系统的远景市场, 无可争议地将被光纤陀螺仪占领, 这是客观发展趋势。国际上光纤陀螺的发展现状足能证明这一预测。因此,我国必须增加光纤陀螺仪的研制经费, 加快研制进度, 缩小与国外先进水平的差距, 抓紧研制工程样机, 尽快进入导弹型号研制阶段; 光纤陀螺仪代替动力调谐陀螺仪和激光陀

24、螺仪全面占领市场。发展光纤陀螺仪的途径是:加强光纤器件的研制能力, 以便研制出高质量的光纤陀螺仪; 加大对光纤陀螺仪研制单位的投资力度, 使总体研制单位尽快形成生产能力; 千方百计争取引进国外先进技术。 结束语随着科学技术的发展与当前国内外形势的需要, 根据中央关于打赢一场高技术条件下局部战争的决策, 未来的各种导弹将有飞跃的发展, 导弹的发展离不开制导与控制技术的发展, 特别是精确制导技术, 它是发展导弹武器的关键技术之一。随着导弹武器的发展, 对制导、控制技术的要求越来越高。惯性技术与控制技术的发展, 对航天事业的发展具有重要的意义。各种导弹在未来的战争中将发挥越来越重要的作用, 在近几年

25、的局部战争中得到充分的验证, 对我国国防现代化将起积极的作用。惯性技术在民用领域推广应用, 必将促进我国国民经济的发展。 参考文献1 朱邵萁, 李立信, 张绍武. 从西欧三国考察看惯性技术的发展 J. 飞航导弹, 1999, ( 1): 34- 38.2 SCHNO l LOGY G T. GPS / INS technology trends formilitary system s R . A IAA- 97- 3826.3 许国祯. 从精确制导武器的发展看惯性技术的新贡献J 电光与控制, 2003, 10(3): 23- 27.4 解旭辉, 刘危, 张明亮, 等. 微惯性测量组合关键技术与应用J. 光学精密工程, 2002, 10( 2): 154- 1595 张绍武. 惯性技术的研制现状及其发展. 中国航天机电集团科技委员会控制与惯性技术专业组研讨会论文6章燕申, 郑露滴. 低成本的微型激光陀螺仪. 导航, 1996( 1)7高钟毓. 国外微机械惯性仪表的进展. 中国惯性技术学报, 1996 年, 4( 1)8丁衡高. 微型惯性测量组合. 中国惯性技术学报6 1996 年, 4( 1)9周世勤, 孔凤兰, 鲁政. 惯性器件的研制现状极其发展研究. 1996 年航天情报研究报告10周世勤, 鲁政, 孙道秋. 光纤陀螺仪的研制现状及其发展研究. 1997 年航天情报研究报告