1、慣性導航是以牛頓定律為基礎慣性導航是以牛頓定律為基礎 第一定律第一定律 慣性定律慣性定律第二定律第二定律 maF 第三定律第三定律 作用力與反作用力作用力與反作用力 任何運動體的運動狀態都可以用加速度任何運動體的運動狀態都可以用加速度（Acceleration）來表征）來表征 加速度、速度（加速度、速度（ velocity ）和航程）和航程（Position）之間的關系）之間的關系：加速度可以由加速度計測量加速度可以由加速度計測量(accelerometer)(accelerometer) 慣性導航：以加速度測量為基礎的慣性導航：以加速度測量為基礎的導航定位方法導航定位方法 22dtsddtd

2、VatadtVV00tVdtSS00 ttadttVS00200這種不依賴外界信息，只靠對載體這種不依賴外界信息，只靠對載體(vehicle)(vehicle)本身的慣性測量來完成導本身的慣性測量來完成導航任務的技術稱作慣性導航航任務的技術稱作慣性導航 慣性導航系統基本原理 初始位置、速度、姿態初始位置、速度、姿態加速度計加速度計- -比力比力積積 分分速度速度積積 分分位置位置陀螺儀陀螺儀角速度角速度積積 分分角度角度在平面上的導航在平面上的導航 (Two-Dimensional Navigation)對加速度計的輸出信號進行計算，就可以實時計算出載體在坐標系中的位置和瞬時速度 平臺在整個導

3、航過程中，始終模擬平面坐標系 OXY在工程上通過陀螺穩定平臺或數學平臺來實現太陽慣性坐標系（太陽慣性坐標系（i i系）系） 地心慣性坐標系（地心慣性坐標系（i i系）系）幾種常用坐標系地心地球固聯坐標系（地心地球固聯坐標系（e e系）系）當地地理坐標系（當地地理坐標系（t t系）系）幾種常用坐標系系統本體坐標系（系統本體坐標系（b b系）系）游動方位坐標系（游動方位坐標系（ww系）系）幾種常用坐標系傅科：法國地球物理學家傅科：法國地球物理學家(1819-1868)(1819-1868)驗證地球自轉驗證地球自轉 傅科擺傅科擺(1851)L=67mM=28kgA=6m傅科陀螺儀傅科陀螺儀 (185

4、2)精度較低，無法驗證地球自轉精度較低，無法驗證地球自轉 之后軸承工藝得到改進之后軸承工藝得到改進人類早期航海采用磁羅盤（指南針）人類早期航海采用磁羅盤（指南針）19世紀后期，鋼質輪船逐漸取代世紀后期，鋼質輪船逐漸取代木質輪船，磁羅盤無法再保證精度木質輪船，磁羅盤無法再保證精度 在極地附近磁羅盤也會失靈在極地附近磁羅盤也會失靈尋找能夠替代磁羅盤的方位指使儀尋找能夠替代磁羅盤的方位指使儀如果借助陀螺儀，需要解決實時、如果借助陀螺儀，需要解決實時、自主尋北的問題自主尋北的問題1908年，德國人安休茨年，德國人安休茨（Anschutz）研制成陀螺羅經）研制成陀螺羅經 1909年，美國人斯佩里（年，美

5、國人斯佩里（Sperry）也）也獨立研制成陀螺羅經獨立研制成陀螺羅經 陀螺儀實用技術形成和發展的開端陀螺儀實用技術形成和發展的開端 1920s后后 陀螺儀開始應陀螺儀開始應用在航空用在航空，用來測量飛，用來測量飛機的姿態角機的姿態角 飛行器的姿態角：航飛行器的姿態角：航向、俯仰、橫滾向、俯仰、橫滾 地平儀：建立水平基地平儀：建立水平基準，實現對俯仰、橫滾準，實現對俯仰、橫滾的測量的測量航向儀：建立方位基航向儀：建立方位基準，實現對航向角的測準，實現對航向角的測量量 30 30年代被年代被 Goddard 用于火箭試驗用于火箭試驗 二戰中用于導彈：二戰中用于導彈： V1、V2 1942年年12月

6、，德國首次試射月，德國首次試射V1V1 巡航導彈巡航導彈V2 彈道導彈彈道導彈 V1 被被大量投入到二戰大量投入到二戰1944年年6月，德國從法國北部月，德國從法國北部向英國發射向英國發射V110500落到英國落到英國 3200 枚枚 倫敦倫敦 2500 枚枚 德國戰敗后，導彈技術人員大量流向蘇美德國戰敗后，導彈技術人員大量流向蘇美 馮馮布勞布勞楊格爾楊格爾二戰后，蘇美繼續大力發展導彈和火二戰后，蘇美繼續大力發展導彈和火箭技術箭技術 50年代初，美國年代初，美國MIT研制出達到慣研制出達到慣性級精度的液浮陀螺儀性級精度的液浮陀螺儀 美國的美國的“Navaho”計劃計劃1958年，美國年，美國“

7、舡魚舡魚”號潛艇之旅號潛艇之旅珍珠港珍珠港 - 白令海峽白令海峽 - 北極北極 - 波特蘭波特蘭 歷時歷時 21天，航程天，航程 15000 Km 標志著標志著以陀螺儀為核心的慣性以陀螺儀為核心的慣性導航技術在導航技術在 50 年代已經趨于成熟年代已經趨于成熟 國內第一個陀螺慣導研究室“林士鄂法” -求解高次方程的劈因子法(數學手冊)中國慣性技術1939年于美國麻省理工學院（MIT） 獲博士學位，師從蘇聯首批援建的122個項目之一林士鄂創建60年代70年代 80年代 90年代中期 2012年 1958年 未來 液浮陀螺儀動壓氣浮陀螺撓性陀螺儀光纖光纖陀螺儀陀螺儀半球諧振陀螺北航首創陀螺北航開展

8、研究的陀螺60年代初開始研制，年代初開始研制，70年代進入實用年代進入實用 LAV4例：三角諧振腔邊長例：三角諧振腔邊長=111.76mm 激光波長激光波長= 0.6328m 用來測地球轉動角速度用來測地球轉動角速度 LAV456021029. 7106328. 011176. 032/60sin11176. 04Hz43. 7激光陀螺：針對捷聯慣導需求激光陀螺：針對捷聯慣導需求基本原理基本原理：Sagnac效應，工作效應，工作物質是激光束，全固態陀螺物質是激光束，全固態陀螺優點優點結構簡單、性能穩定、動態范結構簡單、性能穩定、動態范圍寬、啟動快、反應快、過載圍寬、啟動快、反應快、過載大、可靠

9、性高、數字輸出大、可靠性高、數字輸出發展發展1960 激光器出現激光器出現1963 Sperry 制成首臺樣機制成首臺樣機1970s中中 精度突破，達慣性級精度突破，達慣性級1980s 初開始應用于各個領域初開始應用于各個領域 早期研制的機構早期研制的機構Honeywell：三角諧振腔，機：三角諧振腔，機械抖動偏頻械抖動偏頻Litton：四邊形諧振腔，機：四邊形諧振腔，機械抖動偏頻械抖動偏頻Sperry：三角諧振腔，磁鏡：三角諧振腔，磁鏡偏頻偏頻面臨問題面臨問題成本較高、體積偏大、不能成本較高、體積偏大、不能完全適應捷聯系統的要求完全適應捷聯系統的要求 典型代表典型代表為：為：LittonLi

10、tton公司生產的公司生產的LN200LN200型型IMUIMU。LN200應用廣泛，已應用于魚雷、彈道導彈、固定翼、旋轉翼飛行器、雷達、尋的吊艙、航天飛行器、觀測系統、攝像機穩定等多種場合。每臺火星探測器都裝有LN200，而且其著陸系統也都裝有LN200。這是光纖陀螺在“最遠離世界”的場合的應用。LN200的其它應用平臺還有克萊門式人造衛星、捕食者無人機、全球鷹無人機、“黃貂魚”魚雷、MK-48魚雷、BQM-74靶機、Aeromacchi MB 339、先進中距空空導彈（AMRAAM導彈）、AGM142彈、CH46直升機、LANTIRN （低空導航與夜視尋的紅外）吊艙等。LN200產品的典型

11、零偏和標度LN200LN200已成為其他慣性系統的已成為其他慣性系統的設計模板設計模板如在歐洲制造的如在歐洲制造的LISA 200 AHRSLISA 200 AHRS（航姿系統）（航姿系統）仿照仿照LN200LN200設計，售出了設計，售出了數百套數百套 歐洲歐洲LittonLitton公司生產了公司生產了LCR92LCR92和和LCR93 AHRSLCR93 AHRS，即，即LCR-9XLCR-9X系列產品，系列產品，LCR92LCR92：3 3個個FOG + FOG + 一個氣泡水準儀一個氣泡水準儀；LCR93LCR93：3 3個個FOG+3FOG+3個微硅加速計個微硅加速計，均能提供數，

12、均能提供數字和同步輸出，已有字和同步輸出，已有5,5005,500余套余套LCRLCR系列產品售出。系列產品售出。LCR-9x應用于S-76和S-92型直升機、Eurocopter直升機和Eurocopter BK-117型直升機、奧古斯塔A-109和AB-139型直升機、“云雀”III型直升機、MDD探索者直升機、比奇（Beechjet） 400商用噴氣飛機、利爾噴氣飛機 31/35/36/45、塞斯納 EXCEL 商用噴氣式飛機、華陽史威靈（Sino Swearingen ）公司的商用噴氣式飛機、塞斯納 T-37 噴氣式教練機、NASA T-38飛機、M-28空中卡車飛行器、道格拉斯A-4

13、N攻擊式飛機、EXTRA 400型飛機、P-3 獵戶座（Orion）飛機、齊柏林飛艇、遠東水翼船等。 IMU600是一種高性能的單元，應用于ATFLIR目標跟蹤吊艙系統由3個光纖陀螺和3個Honeywell制作的石英加速計組成為減小系統尺寸，采用了非垂直安裝方式尺寸為5.47.52.7立方英寸，重約3.25磅。 系統采用RS485串口，輸出為無補償的角增量和速度增量，溫度補償由應用平臺計算機完成下圖為140套IMU600s進行標定時的數據曲線，其標度誤差均優于產品指標要求 IMU200由3個光纖陀螺和3個Honeywell制造的石英加速計構成重約3磅RS485串口主要應用于高可靠的導彈LN25

14、1LN251包含一個12通道SAASM GPS接收器，以緊耦合方式工作3種工作模式：純慣性導航，純GPS定位和慣性/GPS組合導航其數字接口為：RS422/485和雙Mil-Std 1553數據總線LN251超過400臺的LN251系統已經生產并銷售下圖為工廠給出的純慣性工作方式下系統性能的分布，其平均值為0.7nmph，標準偏差為0.3nmphLN251純慣性工作方式下的分布 LN260它是LN251的另一版本，專為F16設計其接口與SNU-84完全兼容，具備F16所需的所有模擬電氣接口和機械接口。在與基于RLG系統激烈競爭后，它最終被USAF選中并用于F16。 LN260下圖是從F16上獲

15、得的飛行測試數據。這種飛機在急轉彎時，拉力為9G，在這種情況下，其徑向誤差率是0.44nmph，低于規范要求中的0.8nmph。除了被F16選用外，選用LN251或LN260的應用平臺包括聯合無人航空作戰系統（JUCAS） X-45，E-2D 鷹眼（Hawkeye）預警機，F16戰斗機，E-10多任務飛機以及獵人UAV。在F16上的飛行測試軌跡（左）和徑向位置誤差（右） LTN 101e用于商業運輸機，采用的光纖陀螺與LN251/260/270中所用的相同，只是將它們重新安裝于一個4 MCU組合中LTN101e中同樣裝有慣性級MEMS加速計并預一個外部GPS接收器組合，具有導航和提供大氣數據的

16、功能LTN 101e下圖中左圖所示為在15小時實驗室靜態導航測試中純慣性位置誤差。綠線表示的是要求技術指標：2nmph/h，紅線是在第一個1小時中的徑向位置誤差率（1.69nmph）右圖表示超過10小時的飛行實驗中的純慣性位置誤差LN101e已滿足了純慣性導航指標要求 左圖為靜態試驗曲線、右圖為在Airbus340上的飛行測試曲線 LTR-97另一種用于商務運輸機的光纖陀螺系統是LTR-97它將替代早期運輸機使用的老式機械方位陀螺/垂直陀螺（DG/VG）系統能提供傾斜、橫滾、航向的同步輸出、傾斜和橫滾的離散輸出以及方位該系統售出300多臺LTR-97 DG/VG替代系統及其主要參數 LN 27

17、0是LN 251的陸用版本，US軍方確定的代號為AN/VSN-12這種產品專為以輪/軌運行的機動車設計，集成了里程計和GPS，它滿足MIL-PRF-71185規定的所有要求，包括槍炮發射沖擊等影響該系統安裝在大炮的炮耳上，還可用于監測發射過程中的反座情況LN270陸用導航系統及其主要參數 LN 270下圖為LN270在洛杉磯的圣費爾南多峽谷區進行的機車測試。左圖所示為路徑和海拔，右圖是不同行徑距離對應的位置和海拔誤差。圖表上的誤差上限為MIL-PRF-71185規定值LN-270的應用平臺包括MLRS（多管火箭系統）火箭發射器、FIRTINA自推進榴彈炮、ADSTIM偵察機車以及土耳其陸軍用的

18、“潘特”（PANTER）牽引榴彈炮其它陸用導航系統下圖顯示了Northrop Grumman在歐洲生產的LLN-GX，LLN-G1和LLN-GY陸用導航系統。GX和G1類似，都裝有3個光纖陀螺，為了降低成本，GX應用了兩個水平傳感器，而G1用了3個加速計以獲得高精度LLN-GY在3者中成本最低，它采用一個單軸光纖陀螺測量沿垂直軸的轉動，系統還裝有2個加速度計LFK-95Northrop Grumman 為商用船只設計生產了LFK-95型羅盤及參考系統。這是全球首家基于光纖陀螺的航海羅盤，專為高速輪船，比如水翼艇設計它能提供與各種各樣水面艦艇兼容的多種數字和同步接口該系統已有約650銷售到世界各

19、地下圖為該系統及其重要參數，應用此系統的船只主要有輪船、水翼艇、UUV（無人潛航器）等。 法國IXSEA公司生產了船用系列產品：OCTANS、PHINS和MARINS OCTANS羅經系統，由三個0.05/h的光纖陀螺和三個石英加速度計組成提供航向、橫搖、縱搖參數，精度分別為0.2 Sec，0.01、0.01于1998年推向市場，主要用于海洋開發如石油探測和勘探，目前有在海面上工作和深海工作(水下1000一6O00米)兩種類型 PHINS導航系統，由三個0.01/h的光纖陀螺和三個石英加速度計組成定位精度：0.6nm/h，提供航向、橫搖、縱搖參數，精度分別為0.05 Sec，0.01、0.01

20、于2000年左右推向市場，主要用于各種大型艦船導航 MARINS2005年，Ixsea公司研制研發出的第一套潛用光纖陀螺慣導系統，核心由三個0.0005/h的光纖陀螺組成系統的尺寸為420 x310 x31omm，純慣導定位精度Inmile/24h 于2006年左右推向市場，主要用于潛艇3類產品都可通過一定渠道購買 技術已經進入成熟階段，精度由30/h覆蓋到0.0001/h純慣性導航精度達到純慣性導航精度達到0.8nm/h0.8nm/h單陀螺單陀螺系統系統光纖陀螺光纖陀螺LN-200 IMULN-200 IMULN101E IRULN101E IRULN260 INS/GPSLN260 INS

21、/GPSLN251 INSLN251 INSLN270 INS/GPSLN270 INS/GPSLisa200 AHRSLisa200 AHRSVG941-3AM 10VG941-3AM 10/h/hVG941-3AS 30VG941-3AS 30/h/hVG951 1VG951 1/h/hm mFors 1Fors 1/h/hFOG 200 FOG 200 0. 5 0. 5 /h/hFOG 600 FOG 600 0.10.1/h/hFOG 1000 FOG 1000 0.010.01/h/hFOG 2500 FOG 2500 0.0010.001/h/h開環陀螺：30/h1/h閉環陀螺：

22、1/h0.0001/h光纖陀螺應用光纖陀螺應用導航和姿態控制導航和姿態控制羅經及火控系統羅經及火控系統中制導及末制導系統中制導及末制導系統 光纖陀螺已在海、陸、空、天、光纖陀螺已在海、陸、空、天、工業等領域得到廣泛地應用。工業等領域得到廣泛地應用。已進入戰術武器市場已進入戰術武器市場預計預計“十二五十二五”末進入機載慣導領域，末進入機載慣導領域，與激光陀螺形成競爭。與激光陀螺形成競爭。已進入戰術武器市場已進入戰術武器市場將占據戰術武器市場主導地位將占據戰術武器市場主導地位細分市場光纖陀螺備受歡迎細分市場光纖陀螺備受歡迎已進入戰術武器市場已進入戰術武器市場中遠程戰術導彈、航姿等開始應用中遠程戰術

23、導彈、航姿等開始應用關鍵技術基本突破，走向成熟關鍵技術基本突破，走向成熟精精 度度0.5-10 0.5-10 /h/h級級0.1 0.1 /h/h級級0.01 0.01 /h/h級級國內光纖陀螺正處于高速發展期，整體落后國外國內光纖陀螺正處于高速發展期，整體落后國外10101515年。年。低精度低精度三軸組合三軸組合單軸單軸低精度低精度單軸單軸中精度中精度單軸單軸高精度高精度高精度高精度三軸組合三軸組合典型產品F3X122穩定性：穩定性：0.5/h重復性：重復性：0.5/h典型產品F70M穩定性：穩定性：0.2 /h重復性：重復性：0.5 /h典型產品F98H/M穩定性：穩定性：0.1 /h重

24、復性：重復性：0.2 /h典型產品F120H穩定性：穩定性：0.01 /h重復性：重復性：0.02 /h全溫零偏：全溫零偏：0.1 /h典型產品S10 穩定性：穩定性：0.02 /h重復性：重復性：0.02/h高精度高精度 F120H-M全國產量最大全國產量最大中高精度中高精度 XB185成熟產品產能穩定成熟產品產能穩定F3*122MI低成本制導系統低成本制導系統完善光纖陀螺生產譜系，形成系列化規模生產20112011年典型產品年典型產品中精度中精度 XB150環境適應性最好環境適應性最好XB150高可靠制導系統高可靠制導系統 XB3150高精度慣導系統高精度慣導系統微小型三軸光纖陀螺微小型三

25、軸光纖陀螺國內最小、最輕的三軸組合國內最小、最輕的三軸組合重量重量: 800g: 800g小型中精度光纖陀螺小型中精度光纖陀螺零偏穩定性零偏穩定性0.20.2o o/h (1/h (1 ）重量重量: 200g: 200g小型三軸低精度光纖陀螺小型三軸低精度光纖陀螺零偏穩定性零偏穩定性0.50.5o o/h (1/h (1 ）重量重量: 2700g: 2700g 零偏穩定性 0.01/h （1） 重 量 900g“十一五十一五”末已成功研制單軸末已成功研制單軸高精度光纖陀螺：高精度光纖陀螺：零偏穩定性零偏穩定性優于優于0.001 /h；標度因數標度因數優于優于10ppm。高精度光纖陀螺樣機高精度

26、光纖陀螺樣機關鍵技術的研發與驗證工作：關鍵技術的研發與驗證工作：光源強度噪聲抑制技術：已完成仿真和第一輪樣機試驗；光源強度噪聲抑制技術：已完成仿真和第一輪樣機試驗；成環技術：已開展改進繞環機、改進繞環方法的工作；成環技術：已開展改進繞環機、改進繞環方法的工作；波導技術：已完成直接對軸耦合技術。波導技術：已完成直接對軸耦合技術。模塊化設計的光纖陀螺組成模塊化設計的光纖陀螺組成 光源模塊光源模塊控制電路模塊控制電路模塊敏感環模塊敏感環模塊Q微光機電（微光機電（MOEMS）陀螺）陀螺波導型集成光學陀螺波導型集成光學陀螺微鏡型微鏡型MOEMS陀螺陀螺光學效應Q以光學效應為基礎；利用微/納米加工技術以及

27、集成光學、集成光電子技術；將微光學器件及檢測、控制電路集成在芯片上，形成一個“微小型光-機-電系統”。環境適應性強環境適應性強（光學原理）+（MEMS/NEMS制造技術）微小型化(a)干涉式光纖陀螺 （b）單片式集成光學陀螺 圖 美國DARPER實驗室給出的集成光學陀螺與干涉式光纖陀螺比較示意圖低功耗、輕小型Q 美國美國Northrop公司公司1991年提出集成光學陀螺方案并實現原理驗證，諧振年提出集成光學陀螺方案并實現原理驗證，諧振腔品質因數腔品質因數16,樣機分辨率樣機分辨率400/s。Q 美國美國Honeywell公司、法國公司、法國CEA-LETI,日本東京大學等致力于環形諧振腔日本東京大學等致力于環形諧振腔的工藝改進與性能提高技術研究。的工藝改進與性能提高技術研究。Q 通過降低波導損耗和利用波導增益提高諧振腔的品質因數；Q 波導中各種誤差效應的抑制與消除等。美國Northrop公司（1991） 日本東京大學（2000） 意大利（2005）Q 20002000年美國年美國IntelliSenseIntelliSense公司在硅基片上研制的抗振動集成光學陀公司在硅基片上研制的抗振動集成光學陀螺工程