惯性导航系统.doc

惯性导航系统（INS，InertialNavigationSystem）是一种自主式的导航方法，利用系统内按正交坐标系配置的陀螺仪、加速度仪等惯性敏感元件感受敏感运载体的运动信息，通过计算确定载体的位置、航向和姿态，以此作为控制参数实现系统功能。主要优点是完全自助式，不受天然的或人为的干扰，具有很好的稳定性；缺点是定位误差随时间而积累，因而在长时间工作后，会产生不同程度的积累误差。
几种常用的惯性导航系统：
陀螺仪
陀螺仪是一种用于测量物体旋转角速度（角加速度）的机械装置。广义讲，凡是绕定点转动的刚体都可称为陀螺仪；狭义讲，只有高速旋转的对称刚体，起自转轴能在空间改变所指方向的才能成为应用的陀螺仪。
陀螺仪的主要工作原理是基于陀螺本身的两个基本特性：定轴性和进动性。匀速自转的陀螺在没有任何外力作用时，也就是外力矩为零时，力图在它本身转动惯量的维持下，使其自转轴指向惯性空间恒定的初始方向，这是陀螺的定轴性；当陀螺受外力矩作用时，陀螺的自转轴向外加力矩的方向运动，这就是陀螺的进动性。利用定轴性保持方向，再根据进动性，在陀螺仪工作时给它一个力，使其快速旋转起来，一般能达到每分钟几万转，可以工作很长时间，然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。陀螺运动角速度的大小，取决于角动量H的大小和外力矩M的大小，其计算公式为ω=M／H。陀螺进动角速度的方向，取决于角动量的方向和外力矩的方向（右手定则）。
陀螺仪是一种精密仪器，其精度指标是漂移率（度/小时）或称漂移角速度。所谓漂移角速度是指陀螺正常工作后，其自转轴偏离起始位置的速度(=／H)。按漂移率划分，陀螺仪可分为：超高精度陀螺仪指精度在°/h~5×°/h范围内的陀螺仪，主要包括静电陀螺仪（1×°/h）、磁浮陀螺仪和气浮陀螺仪（0.0001°/h）；中高精度陀螺仪指精度在5×°/h~°/h范围内的陀螺仪，主要指激光陀螺仪（0.001°/h）和光纤陀螺(高精度光纤陀螺仪的漂移率可达0.01°/h，中等精度为0.1°/h，低精度为1°/h~10°/h)；低精度陀螺仪指精度范围超过°/h的陀螺仪，现阶段的热门是MEMS陀螺仪（振动式微机械陀螺仪100~10°/h）。
陀螺仪的另一个重要技术指标是测量范围。惯性导航级陀螺仪测量范围：最大能测400°/s，最小能测0.001°/h，其比值高达1.4×。常规的陀螺仪测量范围：最大能测27°/h，最小能测0.1°/h，比值为270。
基本量程为：正负几十度/秒到正负几千度/秒不等。
初始化时间：几十毫秒至几十秒

加速度计
加速度计也称为加速度传感器，是一种利用质量块的惯性力去测量物体运动加速度的传感器。最简单的加速度计由外壳、质量块、力敏感元件和连接质量块与外壳间的弹簧所组成。加速度计的基本原理是在被测物体上安装能够测量加速度的传感器。通过对加速度进行一次、二次积分便可以得到速度和位移。
在国内，常用的振动加速度计有应变式加速度计、电位器式加速度计、压阻式加速度计、压电式加速度计、力平衡加速度计等。
应变式加速度计是通过测量与位移成正比的应变值而间接计算出质量块的位移值。其主要优点就是低频效应强，可测量直流信号，它也适用于静电测量。用于振动测量时，最高测量频率取决于固有振动频率和阻尼比，测量频率最高为3500Hz。
电位器式加速度计的工作原理是在被测加速度作用下，惯性质量块使片状弹簧产生正比于被测加速度的位移而促使电刷在电位器中电阻元件上滑动，最后输出一个与加速度成一定比例的电压信号。其优点是结构简单、价格合理、性能稳定、能承受恶劣环境条件、输出信号大，但精度低，动态响应差，对快速变化量的测量不适用。
压阻式加速度计实质就是一个力传感器，它主要材料为单晶硅，是利用测量固定质量时所受到加速度作用而产生的力来测量得到加速度，通常为悬梁结构。该加速度计具有灵敏度高、动态响应快、测量精度和稳定性强等特点。
压电式加速度计是用自然、人造或绝缘的电压材料作为转换元件，再输出和加速度成正比的电荷或电压量的装置。体积小、价格便宜，频率范围宽(可达30000Hz)，冲击加速度测量可以从几分之一gn到200000gn，在0～85℃的范围内具有较好的特性，但压电加速度HYPERLINK"http://shop.icbuy.com/product/list/15.html"\t"_blank"传感器需要特殊的电荷放大器，对于低频率或低gn值的加速度测量不太合适，长时间历程(大于10ms)冲击的测量效果较差。
水平衡加速度计是我国强震动观测领域主要使用的加速度计。传感器固定于某个振动物体上，当振动物体有加速度a存在时，传感器的外壳相对于惯性空间会产生一个位移x。传感器中具有质量的惯性敏感元件被刚度弹簧所支撑，且有阻尼器提供的阻尼。在惯性力的作用下，