某型慣導系統慣性元件的選型設計

郝東

（海軍裝備部，陜西 西安 710065）

許多遠距離航行器都需要慣導系統（INS）來進行導航定位，慣導系統的性能指標直接影響航行器能否準確航行到既定目的地，慣導系統是航行器的最重要的組成部分。航行器總體設計一般是根據航行距離、速度及環境特點來確定慣導系統的全航程導航定位精度、初始自主對準時間、姿態和加速度測量范圍及精度等主要指標。慣導系統的方案設計主要是根據總體所分配的指標進行結構設計、陀螺儀及加速度計的選型設計及導航算法設計，其中陀螺儀及加速度計的選型是影響慣導系統導航定位精度的最重要的因素。

1 慣性系統常用元件技術現狀

慣導系統的精度主要取決于陀螺儀和加速度計的精度，特別是陀螺儀的性能對慣導系統的導航精度起到了決定性作用。陀螺儀是敏感角速率或角位置變化的傳感器，從當前國內外陀螺儀發展的水平來看，超高精度陀螺儀的精度范圍一般在0.00001°/h-0.0005°/h，中高精度陀螺儀的精度范圍在0.0005°/h-0.01°/h，低精度陀螺儀的精度一般低于0.1°/h。超高精度陀螺儀主要有液浮陀螺、氣浮陀螺和機械陀螺；中高精度陀螺儀主要有動力調諧陀螺、光纖陀螺和激光陀螺；低精度陀螺儀主要有動力調諧陀螺、MEMS微機電陀螺儀。液浮陀螺、氣浮陀螺和機械陀螺等超高精度陀螺儀主要用在大型航行器的導航，對體積和重量條件要求比較寬松，而對于那些航行時間不長、對體積和重量較敏感的系統（魚雷、短程導彈等）一般采用中高精度的動力調諧陀螺儀及光學陀螺儀；低精度陀螺儀特別是MEMS陀螺儀主要用在民用領域，例如汽車、機器人、智能玩具及無人駕駛飛機等。

2 慣導系統慣性元件選型設計

2.1 目標慣性系統參數要求。現以某型慣性導航系統為例，來具體討論的陀螺儀和加速度計的選型設計。假定慣導系統所屬載體在水下航速為V=10節（18.4km/h），允許5小時（T）浮出水面進行一次GPS校正，所以載體在純慣導導航（無GPS和多普勒測速儀信號校正）情況下航行5小時，要求5小時航程導航定位精度不低于航程的10%（P），假設載體沿子午線方向由北向南航行。考慮系統5小時航程的導航定位精度，5小時的導航偏差距離Smax可通過計算獲得。

以導航偏差距離Smax=9.2km來反推計算慣導系統導航定位角度，載體在地球表面導航偏差距離Smax所對應的緯度方向角度Φ可以通過計算獲得，地球海平面半徑取rE=6350km。

2.2 陀螺儀參數估算。根據假定的航行條件，經過計算可獲得5小時內緯度方向定位誤差角度Φ=0.083°，那么每小時的導航角偏差約為0.0166°。考慮到慣導系統的導航定位精度主要由陀螺儀精度、加速度計精度及導航算法共同決定的，所以先假設加速度計誤差可忽略不計，導航算法也比較優良，那么導航角誤差完全由映射到該方向的陀螺儀的誤差所決定。鑒于載體每小時航向角偏差（角速率）在0.0166°左右，所選陀螺儀精度必須優于0.0166°/h，具體指標冗余量還要考慮加速度計精度和導航算法等方面的影響。

2.3 加速度計參數估算。估算在純慣導方式下加速度計對系統導航定位精度的影響，假設系統勻速（V=10節）直線航行，對航程計算精度影響的因素就是加速度計的隨機漂移值，那么航行5小時后通過加速度積分計算出的航程誤差可通過下面公式計算：Sa=T×ΔV/2。假定加速度計精度在10-3m/S2，速度增量（加速度）ΔV=18m/h，整個航程誤差不超過0.1km，由于一般的加速度計的精度范圍都高于10-3m/S2，可見加速度計的選擇對系統導航精度影響比陀螺小一個數量級還要多，所以選擇測量精度在10-4m/S2和測量范圍在20g～30g的石英加速度計可滿足要求。

2.4 系統其它設計。導航算法比較成熟，所引起的靜態誤差也相當有限，導航算法對系統的動態性能影響較大，可通過轉臺試驗和測試進行補償和完善，這里不再詳細論述。溫度傳感器可選用數字式溫度傳感器（例如DS1820），測量范圍在-55℃～+100℃、精度在0.1℃的即可，用于系統溫度測試和誤差補償。

結語

針對本系統的要求，綜合考慮陀螺儀精度、加速度計精度、導航算法和電子線路的綜合影響，選擇精度等于0.01/h激光陀螺儀和精度等于10-3m/S2石英加速度計可滿足系統對5小時純慣導情況下的導航定位要求。另外，所選激光陀螺儀和石英加速度計的測量范圍可根據載體動態指標來定，只要能包含在系統的測量范圍內即可。慣性元件的精度決定了慣性系統導航定位精度，通過對慣性元件的技術指標進行分析對比，明確了這些器件的使用對象。通過對假定系統所給出的導航指標要求的綜合分析，反向推算系統所要采用的陀螺儀和加速度計的精度和類型。該設計方法可以在實際慣導系統方案設計階段來確定慣性元件的選型。

[1]謝烈金.庫上利耶夫.激光陀螺及其應用[M].北京：航空工業出版社，2004.

[2]張桂才.光纖陀螺原理與技術[M].北京：國防工業出版社，2008.