导航学2-2-2012讲述.ppt

第二章 定位与导航基础 2.1 常用坐标系及变换 2.2 地球导航的基本关系 2.3 惯性传感器基本理论 2.4 陀螺稳定平台 2.3 惯性传感器基本理论 2.3.1 陀螺仪基本特性 2.3.2 加速度计基本原理 2.3.3 新型惯性敏感器 2.3.1 陀螺仪基本特性 各式早期的陀螺仪 框架式刚体转子陀螺仪 陀螺仪两个主要的特性 进动性： 在陀螺上施加外力矩时，会引起陀 螺动量矩矢量相对惯性空间转动的特性。 稳定性 ：陀螺转子绕自转轴高速旋转即具有 动量矩H时，如果不受外力矩作用，自转轴 将相对惯性空间保持方向不变的特性。 二自由度陀螺仪的进动性 在二自由度陀螺仪上施加外力矩，会引起陀螺动量矩矢量相对于惯性空间转动的特性叫进动性。 进动角速度的大小，取决于动量矩的大小和外力矩的大小，其计算式为 进动角速度的方向和大小 陀螺动力效应：陀螺力矩 陀螺动力（稳定）效应，对内框架有效 陀螺动力（稳定）效应，对内框架无效 二自由度陀螺仪的定轴性 陀螺的表观运动 由于陀螺仪的转动相对惯性空间保持方向不变，而地球以其自转角速度绕极轴相对惯性空间转动，因此陀螺自转轴相对地球的方向将出现表观变化。观察者以地球作为参考基准所看到的这种表面上的进动现象，叫做陀螺仪的表现进动。 傅科摆（1851） 摩擦及对策、漂移率 2.3.2 加速度计基本原理 一般摆式加速度计 加速度计应当能测量出运载体可能产生的加速度,并应有一定的测量精度。不同对象的加速度变化差异很大,飞机、舰船、车辆等类变化范围小,大约是从0到(1～2)g（飞机水平加速）,火箭导弹类则可达10g以上。加速度计的零位误差以多少g表示,它直接影响导航精度,例如在飞机上使用要求小于10-3g。 2.3.3 新型惯性敏感器 陀螺仪分类 1.激光陀螺仪 早在1913年，法国科学家萨格奈克(Sagnac)提出一种环形回路干涉仪，即著名的萨格奈克干涉仪，它成后来开发发激光陀螺仪的基础。 Sagnac干涉仪 光路 Sagnac干涉仪 光程差 激光陀螺 结构 激光陀螺 频差产生 激光陀螺 频差测量 激光陀螺 结构工艺 激光陀螺 零偏误差 激光陀螺 标度因数与自锁误差 激光陀螺 自锁原因及对策 激光陀螺 机械抖动偏频 激光陀螺仪的优点 结构简单，性能稳定 动态范围宽 对加速度与振动不敏感 具有耐冲击，抗高过载的能力 启动快 可靠性高，使用寿命长 直接数字输出 国外激光陀螺仪的漂移率已可做到0.0001度/小时。 2.光纤陀螺仪 70年代，利用光的全反射原理制成的光导纤维(简称光纤)迅速发展，促使人们构想采用多匝光纤线圈制成激光传播的环路，以取代激光陀螺仪的谐振腔。1976年研制成世界上第一个光纤陀螺仪。 光纤陀螺 光纤陀螺工作原理与激光陀螺相同，测量角速度的传感器和检测光源都是激光源。不同点是，光纤陀螺是将200m～2000m的光纤绕制成直径为10cm～60cm的圆形光纤环，加长了激光束的检测光路，使检测灵敏度和分辨力比激光陀螺提高了几个数量级，有效的克服了激光陀螺因闭锁产生的影响。 光纤陀螺基本工作原理 光纤陀螺的理论基础是Sagnac效应。 ? 光波进入干涉仪后被分为两束反方向传播的光束，当它们经过相同长度的路径回到出发点M时不产生相位差 光纤陀螺仪的优点 无运动部件，仪器牢固稳定，耐冲击和抗加速度运动 结构简单，零部件少，价格低 启动时间极短（原理上可瞬间启动） 检测灵敏度和分辨率高（可达10 -7 rad/s） 动态范围宽（±300o/h），寿命长，信号稳定可靠 采用集成光路技术，没有激光陀螺的闭锁问题。 FOG 的国内外研究现状 光纤陀螺（Fiber Optical Gyroscope, FOG）由于其特有的优势和应用前景，已经成为新一代惯性制导测量系统中的重要器件。 美、日、德、法为代表，光纤陀螺的研究已取得重大成果。国外研制的光纤陀螺零位漂移已达到0.001o/h以内，标定因数稳定性优于10-6，测量精度达到了0.0003o/h。已经能够满足海、陆、空、天各种系统导航制导的需求。 3.静电陀螺概述 结构组成 发展概况 4.微电子机械系统（MEMS） MEMS涉及到微电子学、自动控制、光学、气动力学、流体力学、声学和磁学等多种学科。 代表特征：极小的尺寸，最大尺寸在毫米量级，小至微米和亚微米。 MEMS特点：体积小、重量轻、功耗低、功效高、可靠性高、机械强度高、能承受恶劣环境条件。不产生蠕变和疲劳、使用寿命长等。另一个重要特点是价廉，因而能很快进入市场，1995年MEMS的市场规模已达15亿美元，当时预计2000年可达140亿美元。 振动陀螺仪 概述 音叉振动陀螺 基本原理、结构 微机械陀螺仪性能和工作原理 80年代后期才