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【惯性技术】惯性导航系统与惯性测量单元

一、惯性导航系统与惯性测量单元

1、惯性技术

惯性技术是惯性导航技术、惯性制导技术、惯性仪表技术、惯性测量技术以及惯性测试设备和装置技术的统称。它已有四十多年的发展历史了。由于惯性技术的自主性等特点,它不需要引人外界信息便可实现制导于导航。所以,它在国防科技中占有非常重要的地位,广泛的运用于航天、航空、航海等军事领域;随着惯性技术和计算机技术的不断发展以及成本降低,许多国家将其应用领域扩大到现代化交通运输、海洋开发、大地测量与勘探、石油钻井、矿井、隧道的掘进与贯通、机器人控制、现代化医疗器械、摄影技术以及森林防护、农业播种、施肥等民用领域。

2、惯性测量单元IMU的构成

惯性测量单元IMU为导航、制导和控制系统的核心,主要由以下几部分组成:

①陀螺传感器,用于敏感角速度或角度。

②加速度计传感器,用于敏感比力,从而获得速度、位置的变化量。

③处理器部件,用于处理陀螺和加速度计传感器数据,形成系统解算所需的信息。

随着以计算机为“数学平台”的捷联技术的发展,由捷联式测量单元构成的系统在某些应用中正在逐渐取代传统的框架式系统。对惯性器件(陀螺仪和加速度计)也提出了更高的要求,而传统的机电陀螺已很难满足这方面的要求。光纤陀螺作为中等精度器件,应用于惯性测量单元中,具有令人称道的特性。与挠性陀螺相比,它具有抗冲击及可靠性高等特性;与激光陀螺相比,具有体积小、成本低及无闭锁的特点。因此,特别适合于构造惯性测量单元(IMU)。用光纤陀螺构造的惯性测量单元,可以根据应用对象的不同设计要求,在精度、成本、重量、体积等方面进行灵活及容错的综合设计。

3、惯性导航系统INS简介

惯性导航系统(Inertial Navigation System),简称惯导(INS),是利用惯性敏感元件、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位、姿态和速度的自主式航位推算系统。

导航的目的就是为了得到运载体的实时的方位、姿态和速度。在工程运用中,能够测定物体运动参数的方法很多:如测量位移可以用里程计,还可以用无线电定位技术、天文定位技术和卫星定位技术等;要测速度可以用测速计;要测转角可用角位置传感器(电位计、光电码盘等等);要测角速度可以用转速表、测速电机等等。但是,以上各种测量手段还没有一种能够在同一时刻单独实时而又高精度地测量运载体的线运动和角运动,而惯性技术恰是测量这些运动参数的最理想的手段。

4、惯性导航系统的分类

4.1、根据平台的类型分

目前,惯导(INS)可分为两大类:平台式惯导(PINS)和捷联式惯导(SINS)。它们的主要区别在于,前者有实体的物理平台,陀螺和加速度计置于由陀螺稳定的平台上,该平台跟踪导航坐标系,以实现速度和位置解算,姿态数据直接取自于平台的环架;在捷联式惯导中,陀螺和加速度计直接固连在载体上。惯性平台的功能由计算机完成,故有时也称作"数学平台",它的姿态数据是通过计算得到的。惯导有固定的漂移率,这样会造成物体运动的误差,因此长射程的武器通常会采用指令、GPS等对惯导进行定时修正,以获取持续准确的位置参数。

平台系统采用常平架平台,在平台上安装惯性敏感元件。平台可以隔离载体运动对敏感元件的影响并且框架轴上角度传感器直接输出姿态角,然后进行导航推算。平台系统已经达到了很高的水平,但是其造价、维修费用十分昂贵,而且其采用了框架伺服系统,相对可*性将会下降。捷联系统采用的是数学姿态转换平台,将惯性敏感元件直接安装到载体上,敏感元件的输出信息直接输送到导航计算机中进行实时的姿态矩阵解算,通过姿态矩阵把惯性导航系统中加速计测量到的信息转换到导航用的导航参考坐标系中进行导航积分运算以及提取姿态角信息。

从平台系统和捷联系统的工作原理中,作如下对比:

(1)捷联系统敏感元件便于安装、维修和更换;

(2)捷联系统敏感元件可以直接给出舰船坐标系的所有导航参数,提供给导航、稳定控制系统和武备控制系统;

(3)捷联系统敏感元件易于重复布置,从而在惯性敏感元件级别上实现冗余技术,这对提高性能和可靠性十分有利;

(4)捷联系统去掉了常平架平台,消除了稳定平台稳定过程的各种误差同时减小系统体积;

(5)由于捷联系统把敏感元件直接固定在载体上导致惯性敏感元件工作环境恶化,降低了系统的精度。因此,必须采取误差补偿措施,或采用新型的光学陀螺。

4.2、根据陀螺平台和加速度计之间的联系状况分

根据陀螺平台的定位方式以及它和加速度计之间的联系状况,惯性导航系统可分为几何式、解析式和半解析式三类:

(1)在几何式惯性导航系统中,陀螺平台稳定在惯性空间,而加速度计平台则用精密的时钟机构(精确度高达几百万分之一秒的晶体振荡器)转动,使之跟上当地的重力方向。这种系统构造复杂,体积和重量都较大。但由于加速度计的方位是受机械控制的,精确度较高,因而能用于船舰、潜艇等的导航。

(2)解析式惯性导航系统的加速度计直接装在陀螺平台上,因而有构造简单、体积重量都小的优点。平台也被稳定在惯性空间。但是,由于重力相对于平台和加速度计的敏感方向都随时间而改变,以致在加速度的实测值中有重力的可变分量介入,比较难以消除。同时,积分器给出的是相对于惯性空间的数据,把这些数据变换到当地的地理坐标系中,也很麻烦。这些复杂的计算,通常由地面的计算机完成。这种系统用以制导那些工作时间较短(仅几分钟)的弹道式导弹是比较适宜的。

(3)半解析式惯性导航系统的加速度计也直接装在陀螺平台上,但此平台不断地跟踪着当地水平面。由于平台的进动电动机是按照积分器输出量的放大信号(在积分前要把介入的有害加速度消除)来工作的,因此电动机的角速度应与信号保持严格的正比关系,而且在高放大倍数下不失真,这一点是很难做到的。但是,这种系统的坐标变换工作比较简单,可以使用较小的计算机。这种系统适用于工作时间长达十几小时的普通飞机和飞航式导弹。

惯性导航系统应用于卫星发射也很出色,它能直接测出轨道的变化率,从而测出应截止推力的精确时间,以便有效地把卫星送入预定轨道。但是,对于时间很长的行星际飞行,由于各行星产生的引力分量难以测准,会有非惯性参考系性质的误差介入并按指数规律积累起来。因此,需要从外界引入补偿信号,例如利用天文导航、无线电导航等的结合来消除这些误差。

在选择元件参数时,舒勒条件极关重要。满足舒勒条件不仅能排除有害的加速度干扰,同时能使误差的积累以振动的形式出现(也具有84.4分钟的周期),而且不按时间的平方递增。

具有陀螺平台的惯性导航系统的适用性取决于元件的精度。今后除致力于改进现有的元件外,还要进一步探索更好的导航方案和研制新的元件。目前已出现的捷联式惯性导航系统,不用陀螺平台而把运载器上的加速度计(通常是三个速率陀螺仪)的信号直接输入计算机。这种以计算机软件代替更复杂平台的办法,能降低造价和提高可靠性。

5、惯导系统的重要地位与技术热点

惯性导航系统不仅可以全面地检测到几乎所有的运动参数,而且还有一个极大的优点——是完全自主式的导航测量方法。它不依赖声、光、磁、电等外部信息来测量物体的运动参数,其工作完全不受自然的和人为的干扰影响,具有极其重要的军事意义。所以惯性技术是其它任何导航定位定向手段不能替代的。

正因为惯性技术的地位如此重要,它受到世界上技术先进国家的普遍重视。美、英、法、德和前苏联都投入相当大的力量从事惯性技术及有关装置的研究。现代科技发展促进了惯导技术的发展,惯性导航技术已经成为现代高科技发展水平的标志之一。

惯性导航系统技术目前的热点主要集中在惯性敏感器件、系统精度、系统体积、可靠性、系统综合、系统校正等几个方面。关键在于修正、惯性元件误差模型的建立和实时补偿、捷联矩阵的更新等等。

高精度的惯导装置需要先进的精密加工工艺作为基础,而精密加工历来是我国基础工业的弱项,这一点也直接造成了我国的各类惯性导航测量装置在精度等方面同发达国家存在一定的差距。

6、光纤陀螺的应用是惯导系统发展的一大趋势

随着以计算机为“数学平台”的捷联技术的发展,由捷联式测量单元构成的系统在某些应用中正在逐渐取代传统的框架式系统。对惯性器件(陀螺仪和加速度计)也提出了更高的要求,而传统的机电陀螺已很难满足这方面的要求。光纤陀螺作为中等精度器件,应用于惯性测量单元中,具有令人称道的特性。与挠性陀螺相比,它具有抗冲击及可靠性高等特性;与激光陀螺相比,具有体积小、成本低及无闭锁的特点。因此,特别适合于构造惯性测量单元(IMU)。用光纤陀螺构造的惯性测量单元,可以根据应用对象的不同设计要求,在精度、成本、重量、体积等方面进行灵活及容错的综合设计。

光纤陀螺以其特有的优点受到广泛的重视,在航空、航天、航海、兵器的导航系统、姿态控制系统中以及其它的一些领域中,有着十分广阔的应用前景。惯性器件的发展水平一直影响和制约着惯性技术的发展和应用,随着光纤陀螺和激光陀螺的出现和成熟,惯性技术领域进入一个新的发展时期。对于中等精度的导航系统而言,光纤陀螺较之激光陀螺更适合于此类系统。目前中等精度的光纤陀螺的技术趋于成熟,已经进入实用阶段,随着中低精度光纤陀螺这些年的成功应用和光学器件性能的提高,研制用于惯性导航的高精度光纤陀螺成为一种可能和一项要迫切发展的课题。

由于光纤陀螺具有动态范围宽、输出不依赖于环境(加速度、振动和冲击)、抵抗高速率能力强、系统设计灵活、使用寿命长、加工工艺简单、无闭锁现象、启动时间短等优点,光纤陀螺及其惯性测量组合已成为国外惯性设备的首选器件,已被充分地应用在航空航天(如波音777的导航系统)等领域中。而国内由于光电子技术与相关工艺水平相对落后,组成光纤陀螺的光学器件(光源、光纤等)性能不能满足要求,光纤陀螺的研制水平大大落后于西方发达国家。虽然目前的技术使在捷联式惯导中应用光学陀螺已有可能,但光纤陀螺的工程化应用工作还在开展之中。

二、INS/IMU各应用方向

惯导系统的机制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,根据环境和精度要求的不同,广泛的应用在航空、航天、航海和陆地机动的各个方面。

1、航空航天

捷联式惯性系统首先推广应用于导弹武器,以后才逐步扩展应用于飞机、战车上。采用GPS/INS 组合导航设备作为核心部件的一种新的平台控制方案, 可以长时间提供惯性导航信息, 稳定的、动态的运动解析, 同时提供准确的位置数据, 速度数据及其他导航信息。GPS/INS 组合导航不仅可以给天线平台伺服系统提供控制参数, 而且可以实时记录导航和姿态信息以备雷达后期成像。

1.1、导弹制导

导弹精确制导技术主要有自主式制导、遥控式制导、寻的制导、全球定位制导及复合制导等几大类。惯性制导是自助式制导的方式之一,是指利用陀螺仪、加速度表等惯性仪表组成的测量装置,按惯性原理控制和导引导弹飞向目标的制导方式。通常由弹上计算机控制发动机推力的方向、大小和作用时间,把导弹引导和控制到目标区。

惯性制导具有抗干扰性强、隐蔽性好、不受气象条件影响等优点。但惯性制导系统随着工作时间的延长,积累误差就越大,所以在中、远程中通常加装地形匹配制导系统,以便定期修正这些误差。目前,地地弹道导弹和潜地导弹几乎都采用这种制导方式。如美国的“大力神”、“民兵”、我国的“东风”等都采用了惯性制导。

1.2、飞机自动驾驶仪

飞机自动驾驶仪是按一定技术要求自动控制飞行器的装置。在有人驾驶飞机上使用,是为了减轻驾驶员的负担,使飞机自动地按一定姿态、航向、高度和马赫数飞行。在导弹上,起稳定导弹姿态的作用,故称导弹姿态控制系统。它与导弹上或地面的导引装置交联组成导弹制导和控制系统,实现稳定和控制功能。20世纪30年代,为了减轻驾驶员长时间飞行的疲劳,开始使用三轴稳定的自动驾驶仪。主要功用是使飞机保持平直飞行。50年代,通过在自动驾驶仪中引入角速率信号的方法制成阻尼器或增稳系统,改善了飞机的稳定性,自动驾驶仪发展成飞行自动控制系统。50年代后期,又出现自适应自动驾驶仪,能随飞行器特性的变化而改变自身的结构和参数。60年代末,数字式自动驾驶仪在阿波罗飞船中得到应用。

BEA系统公司(http://baesystems.com)是全球最大的自动驾驶仪生产商,1999年11月由英国航空航天公司(BAE)和马可尼电子系统公司(Marconi Electronic Systems)合并而成。2000年,在世界100家最大军品公司中居第三位。每年营业额为123亿英镑,定货额为375亿英镑。1999年净销售额为89.29亿英镑(144.49亿美元),其中军品销售额为58.37亿英镑。主要有9个领域:飞机、军用和民用固定翼飞机、军用电子、反潜武器(ASW)、C3Ⅰ系统、导弹、军械系统、空间系统以及系统集成。

在无人飞机用自动驾驶仪上,加拿大MicroPilot公司占据着领导地位,在国内清华大学微系统与控制技术研究室在进行这方面的研究。西北工业大学,南航,北航几所高校是我国无人机研制比较成功的高校。另外南京总参六十所,也是我国无人机研制的主要力量之一,而且具有不俗的生产能力。

1.3、吊舱

吊舱稳定系统结合了用以指示方位及姿态的陀螺仪与机械稳定部分的吊舱或云台的系统,主要用于直升机上,悬挂于机头前下方,航船和车载方面也有广泛应用。该系统配合不同的载机,用途分为两种:军用和民用。

军用吊舱可在军用直升机和坦克战车上应用,吊舱配合红外成像装置、测距设备一并构成目标瞄准和追踪系统,同时也可为载体提供导航信息。军用吊舱系统要求陀螺仪有较高的精度和较强的耐环境适应性。

民用吊舱大多用于民用直升机上,一般配备摄像机,用途广泛,包括空中拍摄、电力巡线、人员搜救、公安执法、侦察追踪、火灾防患、以及城市规划等等。

上个世纪八九十年代,在美国战斗机和直升机上出现了用于瞄准和制导的吊舱之后,国内对稳定吊舱系统已经非常重视,鼓励国内工厂和公司自己生产吊舱稳定系统,以增强国家实力。

目前,已研制出稳定吊舱系统有一航613所、衡阳北方光电信息公司、武汉华之洋公司、彼岸科仪公司等等,这些公司的吊舱产品都可用于国防方向,同时也可满足民用需求。

2、航海

捷联式惯性系统在舰艇上的工程应用始于20世纪80-90年代。在舰艇上的应用主要可分为姿态基准和导航系统(或制导系统)两类。前者在国外常称作航向姿态基准系统(Attitude  and Heading Reference System),简称航姿系统(AHRS),后者在国外包括惯性导航系统和陀螺罗经与垂直姿态基准系统(相当于国内的平台罗经)。

当光纤陀螺的精度有所突破后,国外很快研发了一系列由光纤陀螺构成的捷联式系统。由于光纤陀螺可以做成精度不等的传感器,因此国外生产的光纤陀螺捷联式系统的精度范围较宽,如LITE公司的LCR-93μAHRS型和LFK-95型以及C.PLATH公司的SR2100型的精度较低,法国iX-SEA/Photonetics公司的Octans和M-PHINS型的精度很高。光纤陀螺既可制成低成本的航姿系统,也可做成高精度的惯导系统。

2.1、AHRS

自从20世纪80年代以来,国外不断地涌现出各种捷联式惯性系统,最早问世的舰载捷联式航姿系统有美国LIT-TON公司的LP-81型、德国LITEF公司的LSR-85型、C. PLATH公司的NAVISTAB型以及法国SAGEM公司的SCL-2型等,系统中的惯性测量装置(IMU)的体积小和重量轻,可以安装在舰炮和雷达天线的旁边,直接测量这些战位点所在位置的载体坐标系相对于导航坐标系(如地理坐标系)的运动参数,所求得的姿态角消除了甲板变形引起的误差。其次,此类系统尚可向舰艇提供三维角速度和三维线速度。在大型水面舰艇上,它主要用于提供姿态基准,在小艇上也可用于导航。这些型号中的IMU采用了动调陀螺仪和挠性加速度计。如采用中等精度的动调陀螺,航姿系统不能自主找北,需依靠平台罗经或磁传感器提供航向基准。如采用高精度动调陀螺,系统能提供相对于真北的真航向,加上相应的软件可以成为陀螺罗经与垂直参考基准。

国内自上世纪90年代开始研发舰载捷联式航姿基准系统,迄今已有两种基于动调陀螺的产品装舰使用,由东南大学和453厂合作研制的捷联式基准已经装备了多型舰,满足了舰上主炮、副炮和雷达天线对高精度姿态基准的要求。由国内研制的另一型产品也已经装舰使用。东南大学和航天集团某研究所也正在合作开发了由光纤陀螺构成的捷联式航姿基准原理样机。

2.2、平台罗经

平台罗经是军用产品,它和大多数只能给出航向信息的陀螺罗经有很大差别。它除了能输出精确的航向信息外,还能提供精确的舰艇横摇和纵摇姿态信息。用以稳定雷达、瞄准装置、火炮和导弹发射架。与罗经不同的另一点是平台罗经必须能在各种军用环境下持续工作,并保持高的性能精度。

第一台平台罗经是40年代末由美国斯佩里公司研制成功的,军用型号为MKl9mod3,美国将其称为第一代平台罗经。后来,又在其基础上改进发展了a、b、c和d四种型号,广泛装备在美国海军及其盟国的军用舰艇上。

到70年代,由于科学技术的飞速发展,现代海战的概念、舰艇设计和武器系统都有了很大的改进,因而对平台罗经又提出了新的要求,其中包括:①减少操作人员;②要求总的寿命周期成本低,即不是片面要求售价低,而是要求设备在使用寿命期间内的总费用,包括售价、维修费用,对操作人员的技术要求、耗电等项总费用最低;③要求电子系统的体积减至最小;④要求可靠性高、可维修性好;⑤新出现的武器系统要求有更高精度的姿态信息。为了顺应这种形势,国外在70年代研制出几型对国际市场有影响的系统,它们是:美国斯佩里公司的MK29型平台罗经、美国的利顿公司的AN/WSN-2型平台罗经、英国马可尼埃利奥特航空电子学系统公司的NCSl型平台罗经、西德利铁夫公司的PL-41/MK3型平台罗经、法国通用电气机械公司的MCV3型平台罗经。

上述大多数系统都是在本国海军的资助下研制的,因此,可能只符合于具体国家的要求。但是,上述系统都对外国海军增加了一些附加的功能,因而,它们能控制着国际市场的罗经部分。与70年代以前研制的第一代平台罗经相比具有如下特点:①精度更高;②可靠性和可维修性更好;③平均故障间隔时间更长;④总的寿命周期成本更低;⑤尺寸更小、重量更轻;⑥大多数系统可转换为惯性导航系统。

3、石油

3.1、定向钻井

现在的钻井技术已经不在停留在垂直钻井上,而是根据地质条件,改变钻头方向,以得到更多的出油。它又分为几何导向与地质导向二种。

几何导向:由井下随钻测量工具测量的几何参数:井斜、方位和工具面的数值传给控制系统,由控制系统及时纠正和控制井眼轨迹。

地质导向:在拥有几何导向能力的同时,又能根据随钻测井(LWD)测得地质参数,实时控制井眼轨迹,使钻头沿着地层的最优位置前进。

随钻测斜仪是实时监视井下钻具的有线系统。它能随时给定向人员提供井斜,方位,工具面方向和井温等参数。使定向人员实时了解到井下钻具的去向和工作姿态,便于控制井眼轨迹。这样钻出的井眼轨迹圆滑,井身质量好,减少了因井身质量差而造成的钻井事故。

对世界石油开发局势有巨大影响的主要有HALLIBURTON公司(包括NL SPERRY-SUN 公司)、SCHLUMBERGER公司(包括ANADRILL 公司)和BAKER-HUGHES INTEQ公司。在激烈的竞争中这三家公司不断开发和完善自己赖以生存的品牌,共同促进了无线随钻测量技术的繁荣和发展。从介绍的国外公司的各类仪器来看,国外已经致力于开发适应恶劣环境下(高温、高压、剧烈振动,磁干扰等)的MWD仪器,国内目前还没有此类仪器的使用报道。国内只有几家公司、科研院所正处于研究开发MWD仪器的初级阶段,与国外相比,在技术上仍然存在一定的差距。

近年来,水平井钻完井总数几乎成指数增长,全世界的水平井井数为4.5万口左右,主要分布在美国、加拿大、俄罗斯等69个国家,其中美国和加拿大占88.4%。在国内,水平井钻井技术日益受到重视,在多个油田得以迅速发展,其油藏有低压低渗透砂岩油藏、稠油油藏、火山喷发岩油藏、不整合屋脊式砂岩油藏等多种类型。2006年中国石油水平井工作获得历史性的突破,共完钻水平井522口,相当于2000年至2005年6年完钻水平井数。500多口水平井,不仅勘探开发成效显著,施工能力全面提升,还取得一系列重要的技术成果,培养和锻炼了一支水平井设计、施工和技术服务队伍。

世界近海石油勘探起始于上个世界40年代,迄今在浅水区一共钻勘探井17700口,获新发现2500个,深水区勘探在70年代末才开始,钻井约2000口,新发现油田约400个,在浅水区,近25年的勘探井数保持在每年约500口,深水区钻井数目自1997年逐步增加,现在每年要超过100口。近25年,每年获得的近海石油新发现平均约80个,成功率超过30%。

3.2、管道检测

管道监测综合系统(Pipeline Pig)主要用于对煤气管道和输油管道的管内监测,此系统主要由导航和测绘模块以及腐蚀点探测器两部分组成。导航和测绘模块的核心部分是捷联式定位系统,包括三个陀螺仪(型号TRS-500),三个加速度计,同时集成了里程表和DGPS使定位精度更高。腐蚀点探测器,又称为纵横式磁探伤仪,由磁系和霍耳效应磁传感器组成。

目前国外的管道内检测的技术已经发展得比较成熟,不仅能进行管道检测,还具有管道维护与维修等功能,是一个综合的管道检测维修系统。较有名的监测公司由美国的Tuboscopc GE PII、英国的British Gas、德国的Pipetronix、加拿大的Corrpro,且其产品已基本上达到了系列化和多样化。

研发与生产集团SPETZNEFTEGAZ以及研发与生产集团SPECTR(叶卡特林堡市)已经把光联公司研制开发的TRS500型陀螺仪应用到现场中。2006年11月,TRS500作为探伤仪中导航单元的陀螺仪模块被应用于Kepiyak-Atirau Du(哈萨克斯坦)管道的检查中。该管道直径为609.9mm。在管道的检查过程中TRS500型陀螺仪表现出其卓越的性能并赢得了两家集团专家的很高评价。

为了避免石油泄漏带来的严重后果,2000年国家已颁布相关法令,规定主干线油气输送管道3-5年必须进行管道在线检测,以便进行运行维护评价。在目前的国家管道建设计划中,到2010年的时候中国油气干线管道要达到8万公里,2015年的时候中国油气干线管道在10万公里之上。截止到2015年,建于2006年之前的4万公里管道需要检测2-3次,2006-2010年建造的4万管道需要检测1-2次,2010之后建造的需要检测约1次,那么累计有需要被检测的管道在17万公里以上。

以10000元每公里的价格计算,到2015年油气管道检测市场累计达到17亿元,而当中2015年的市场额将达到2亿元。而在此后的市场,需要被检测的管道长度会一直增长,除非技术上的重大突破带来价格的急剧下降,否则市场金额会持续增长。

4、其它

惯导系统还可应用在陆地导航、平台稳定等方面,如兰州242厂生产的KJ-6C自动驾驶仪,汉中531厂生产的BXW-2转弯仪、ZDP-1地平仪等。

4.1、自行火炮

为提高自行火炮自主作战能力、快速反应能力和数字化、信息化水平,目前许多自行火炮都配备了惯性导航系统(简称惯导系统),某些惯导系统还具有自主寻北功能。

在自行火炮上的惯导系统主要有 3 方面作用:

① 在间瞄射击时为自行火炮提供精确的本炮位置坐标(包括高程)和火炮定向角,以便火炮根据目标位置坐标、气象条件等进行诸元解算;② 利用惯导系统的方向保持功能,在火炮对同一目标进行非急促射击时实现自动复瞄功能;③ 利用惯导系统的导航功能在火炮进入射击阵地时“找点摆位”,在行军和机动转移阵地时起导航指示作用。目前自行火炮上使用的惯导系统多为平台式惯导系统,随着新一代实用的惯性元件的发展成熟和成本的不断降低,以光纤光学陀螺仪和环行激光陀螺仪为代表的光学陀螺仪构成的捷联式惯导系统在自行火炮上得到越来越多的应用。在自行火炮上,捷联式惯导系统通常直接安装在火炮摇架上,使惯性组合的横滚轴与火炮耳轴平行,偏航轴与火炮身管轴线平行,俯仰轴在身管调平后与大地水平面平行。

基于捷联式惯导系统的自行火炮火控系统中,省去了横倾、纵倾姿态角传感器和高低、方位受信仪,简化了火控系统结构、降低了成本、提高了系统可靠性。采用捷联式惯导系统的自行火炮自动操瞄采用一次调炮方式,调炮速度快、直观、精度高,减少了火控系统反应时间

上世纪 90 年代末,国产某自行加榴炮配备了法国 SAGEM 公司生产的 SIGMA30 激光惯导系统,与 GPS 定位系统一起成为保障单炮自主射击、自主连测的主要技术设备。SIGMA30 的惯性导航单元安装在火炮的摇架上,在控制与显示单元上能够以动态视图实时显示火炮身管方位角、车体姿态及三维坐标,操作上形象直观、简便实用。测地成果的精度高,能够保证自行火炮使用精密法决定诸元。

近年来,国内研制生产的高精度光纤陀螺和激光陀螺捷联式惯性定位定向导航装置在国产自行火炮上也越来越多的得到应用,通过试验,其定位定向和方向保持、自动调炮、自动复瞄、自动瞄准等战技指标均能满足系统要求。在国外,2005 年在阿布扎比国际防务展上展出了瑞士 RUAG 地面系统公司研制的已经装备瑞士陆军及其他武装部队的 M109 式 155 mm 自行榴弹炮,该炮配用导航定位系统(NAPOS),可随时获得车辆的位置和火炮的方位信息。NAPOS 的惯导系统就是基于环形激光陀螺技术。另外,英国 BAE系统公司在研的 M777 Protee式 155 mm自行榴弹炮配装有 BAE 系统公司的激光惯性自动定位系统。

4.2、天线稳定平台

航空、航天工业的发展水平是一个国家国力强弱的重要标志。机载雷达在其中扮演着重要的角色。天线稳定平台是机载雷达系统的重要组成部分, 其作用是给天线分系统提供稳定的支撑及控制平台, 保证作业期间天线波束指向垂直于设计航线的投影。传统的伺服控制系统是把平台安装在飞机上, 把天线安装在平台上, 利用惯性元件测出平台相对于飞机的运动误差, 再用伺服系统根据飞机惯导的数据来控制平台相对于飞机作反方向的运动。这样就相当于平台隔离了飞机的角运动, 而使天线具有依靠惯性维持固定指向特性, 达到稳定雷达波束指向的目的。该稳定方式目前已取得广泛应用,但这种结构形式的缺点是需要导引头有足够的空间,且成本较高.基于现代战术导弹体积小、自主性强、能对付大机动目标的发展需要及高性能数字信号处理器的快速发展,捷联式平台的研究越来越成为研究热点之一。捷联式平台稳定的优点是减小了导引头体积,且降低了研制成本,尤其适用于空间上有限制的战术导弹应用中。这种捷联式的天线稳定平台可以利用导弹自动驾驶仪的高精度的陀螺传感器信息,通过解算来稳定天线指向,为天线稳定平台与驾驶仪平台的一体化设计提供了可能性。


友情链接

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