第一章 (惯性仪器测试与数据分析)概述

惯性仪器测试与数据分析
西北工业大学 自动化学院 严恭敏 2016-03
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主要参考书目：
• 《惯性仪器测试与数据分析》，严恭敏，国防工业 出版社，2012 • 《惯性仪器测试与数据分析》，梅硕基，西北工业 大学出版社，1991 • 《惯性导航》，秦永元，科学出版社，2006 • 《惯性器件测试与建模》，毛奔，哈尔滨工程大学 出版社，2007
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第一章 概 述
主要内容： • 一、惯性导航基本概念及其应用 • 二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍 • 三、惯性器件测试内容 • 四、本课程的主要内容与意义
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一、惯性导航及其应用
1、惯性导航基本概念：
惯性导航是指借助于惯性技术引导运载体从起始位置 行驶至目标位置。可以将两位置之间关系看作一矢量，既 有方向又有距离长短，不论行驶的路径是直线还是曲线， 只有在合适的方向和路径长短下才能到达目标位置。 惯性技术的核心传感器是陀螺仪和加速度计。
课程意义： 惯性器件测试是一门高精密的技术，有许多繁琐和细致的工作需要 做，需要足够的耐心和细心，需要善于发现问题的敏锐眼光和解决问题 的新颖思路，它对培养严谨的科学研究精神、良好的工程实践能力和踏 实的工作作风具有重要的意义。 31
·目标点
起始点 ·
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一、惯性导航及其应用
1、惯性导航基本概念（其它导航方法比较）：
卫星导航
无线电导航
天文导航
多普勒导航
地磁匹配导航 重力匹配导航
地形匹配导航
5 景象匹配导航
一、惯性导航及其应用 2、惯性导航优缺点：
1、自主性好：不需要其它外来信息
优点 2、隐蔽性强：不会向外辐射任何信息 3、信息全面：高频率甚至连续的运载体 实时角速度、加速度、姿态、速度和位置 缺点：导航误差随时间不断积累（措施：研制高精度器件； 测试建模提高实际使用精度）
捷联惯导系统 • 惯性器件直接承受运载体的线运动和角运动 • 惯性器件的静态误差和动态误差的建模和测试都非常重要 传统机械陀螺的动态误差大，影响因素众多，建模和测试都比较复杂； 而新型陀螺，比如激光陀螺，线加速度和角速度引起的静态误差和动态 误差都很小，将成为构建捷联惯导系统的理想器件。
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三、惯性器件测试
陀螺仪 惯性器件
加速度计：摆式陀螺积分加速度计、液浮摆式加 速度计、石英挠性摆式加速度计和硅 微加速度计等
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二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍
2、陀螺仪：
凯尔特石 （抖退石，回旋陀螺）
（1）几种玩具陀螺
（2）框架陀螺仪
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二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍 2、陀螺仪：
机械陀螺仪（惯性导航）的主要发展历程： 1. 1687年，牛顿提出了力学三定律，是惯性导航的理论基础； 2. 1786年欧拉创立了转子陀螺仪的力学基本原理； 巴黎国葬院 3. 1852年傅科制造了验证地球自转运动的测量装置，将其称为 Gyroscope（陀螺），由于精度低只能观察到地球自转而未能精确测 出地球自转角速度； 4. 1908年安修茨制造了世界上第一台摆式陀螺罗经； 5. 1910年修拉提出了修拉调谐原理，为惯性导航系统设计奠定基础； 6. 二战期间，德国V-2火箭采用了陀螺和加速度计组成的制导系统，但其 设计粗糙，制导精度极低； 7. 20世纪50年代美国麻省理工学院（MIT）德雷帕实验室采用液浮支承， 研制成功了单自由度液浮陀螺，60年代，液浮陀螺技术日臻完善，其 漂移达到了1×10-4º /h； 8. 60年代，英国皇家航空研究院提出了挠性支承的概念，挠性陀螺开始 出现 ； 13 9. 20世纪70年代，美国研制成了静电陀螺；
地球地球平均半径为6371300m， 其1角分对应的长度为 6371300×2π/360/60 = 1853.3 m。
1861.6 1852.2
国际上采用1852米为标准海里长 1843 度，即 1 nm = 1.852 km
弧长与纬度关系：
6 378 137 22km
SL 1852.3 9.3cos(2L)
（1）民航飞机
（2）石油测井
（3）摄影
（4）空鼠/体感遥控器
（5）智能手机
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一、惯性导航及其应用 3、应用（民用）
Segway(赛格威)
独轮车
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无人机
二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍 1、分类：
基于经典力学：液浮陀螺、动力调谐 陀螺、静电陀螺 服从量子力学：激光陀螺、光纤陀螺、 原子陀螺 基于微加工技术：微机械陀螺
2、陀螺仪：
斯坦福大学冷原子干涉陀螺仪
（8）原子陀螺仪 朱棣文：1997年诺奖“发明了用激光冷却 和俘获原子的方法”
巴黎天文台冷原子干涉陀螺仪 19
二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍 2、陀螺仪：
（9）微机械陀螺仪 工大要闻(2016.1.30)：常洪龙教授课题组在弱 耦合微机械谐振器方面的研究取得新进展
（1）加速度计基本原理
（2）陀螺积分加速度计
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二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍 3、加速度计：
（3）液浮摆式加速度计
（4）石英挠性摆式 加速度计
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二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍 3、加速度计：
（5）微机械（MEMS）加速度计
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三、惯性器件测试 1、惯性器件精度基本概念
（1）海里定义：海里原是航海上的长度单位，它指地球子午线上地理纬度 1角分的长度。海里英文为nautical mile，简写为nm。
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三、惯性器件测试
1、惯性器件精度基本概念
（2）惯性级导航系统：在航空惯性导航行业中，将导航系统运行1h水平 定位误差优于1nm（简写成1nm/h）的惯性导航系统称为惯性级导航系统。
地球自转角速率15 º /h，其千分之一为0.015 º /h，称为毫地转率（1merumilli earth rate unit），即
4、课程主要内容与意义
本课程的基本内同包括： （1）惯性器件（单自由度转子陀螺仪、石英挠性摆式加速度计和激光陀 螺）的基本工作原理、误差分析和建模； （2）常用惯性测试设备（水平仪、平板、分度头、速率和位置转台、离 心机、线振动台和高低温温箱等）的用途和使用方法； （3）惯性器件常规试验项目的测试方法； （4）典型的数据分析和数据处理技术（回归分析、时间序列分析、频谱 分析和Allan方差分析）； （5）随机系统的仿真与Kalman滤波技术； （6）捷联惯导系统和平台惯导系统的标定技术。
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一、惯性导航及其应用
3、应用（军用）
（3）战斗机
（1）运载火箭
ห้องสมุดไป่ตู้
（2）交汇对接
（4）核潜艇
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一、惯性导航及其应用
3、应用（军用）
（5）战略导弹
（6）陆地战车 （7）单兵武器
2015.9.3阅兵 40多种型号装备500多件、20多种型号飞机200多架，84% 首次亮相。
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一、惯性导航及其应用 3、应用（民用）
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三、惯性器件测试
2、惯性器件的误差模型
（1）静态误差模型：指在线运动条件下惯性仪器 的数学表达式，它确定了惯性器件误差与比力之间 的函数关系。 误差模型分类
（2）动态误差模型：指在角运动条件下惯性仪器的 数学表达式，它确定了惯性器件误差与角速度、角 加速度之间的函数关系。
（3）随机误差模型：引起惯性仪器误差的因素众多、 许多是随机的、有些机理尚不明确，应用数理统计和 模型辨识理论建立随机误差的数学表达式即为随机误 差模型。
二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍 2、陀螺仪：
（3）单自由度液浮陀螺仪 （4）挠性陀螺仪
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二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍 2、陀螺仪：
（5）静电陀螺仪
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二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍 2、陀螺仪：
光学陀螺仪的主要发展历程： 1. 20世纪初有人提出利用光的干涉原理测量旋转运动， 2. 1913年法国物理学家萨格奈克研制了一种光学干涉仪， 3. 1925年迈克尔逊结合干涉仪研制出了一种光学陀螺测量装置，用于测 量地球的自转角速度，但所采用的光源是普通光，相干性极差，测量 精度低； 4. 1917年爱因斯坦提出了光的受激发射理论； 5. 1960年物理学家发明了激光； 6. 1963年，美国首先向世界公布了激光陀螺概念，但直到1981年激光陀 螺才首次被用于当时新生产的波音747飞机惯导系统中，接着于1983 年开始批量生产，其间经历了长达20年的研制周期。 7. 1967年，Pircher和Hepner提出光纤陀螺概念； 8. 1976年，Vali和Shorthill进行光纤陀螺实验演示，标志着其诞生。
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二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍 2、陀螺仪：
（6）激光陀螺仪
L
4S c
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二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍
2、陀螺仪：
4 NS 光程差： L c
（7）光纤陀螺仪
高锟：2009年诺奖，“在纤维中传送光 以达成光学通讯的开拓成就”
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二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍
确定性误差可通过建模和测试予以补偿。一般所指的惯性器件精度习 惯上为静态条件下测试的随机误差。
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三、惯性器件测试
3、惯性器件测试内容
惯性器件测试：一般是指在实验室条件下，使用专门测试设备获取 仪器输出数据，通过数据确定仪表性能参数或从中分离出数学模型系数。
（1）研究性测试。根据仪表工作机理，推导各有 关参数间的关系（物理模型），通过测试发现存在 的缺陷，提出提高仪器性能水平的设计方案或改善 加工工艺。 测试分类 （2）鉴定性测试。按验收文件，确定仪表的性能参 数是否满足设计书的要求。 （3）应用性测试。通过对仪表作严格测试，掌握其误 差规律，建立描述误差特性的数学模型，通过误差补 偿提高仪表的使用精度。