捷联惯性导航系统的历史发展与未来应用趋势

卫星定位和导航系统可以引导精确制导武器,以精确打击数千公里外的目标。但是,随着电子对抗技术的发展,不难掩盖卫星定位系统的“眼睛”。军事力量必须寻求更可靠的定位技术,包括基于惯性测量元件和专用计算芯片的“捷联惯性导航系统”。该系统具有良好的隐藏性,强大的抗干扰能力和全天候工作的能力。它可能成为揭开战场迷雾的“破坏者”。

捷联式惯导系统

捷联惯性导航装置,数据图

捷联惯性导航系统

捷联惯性导航是一种将惯性测量元件(主要是陀螺仪和加速度传感器)直接安装在飞机上,并将测量信号通过计算机转换为导航参数的导航技术。捷联惯性导航系统的出现取决于现代电子计算机技术的迅速发展。在1950年代,人们开始开发这种新型的导航系统,该系统首次用于引导航天器在大气中飞行。例如,在美国“阿波罗”号航天器上使用了捷联惯性导航系统。 1970年代后,捷联式惯性导航应用于导弹和飞机。

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捷联惯性导航系统在工作时不依赖外部信息,也不易受到干扰的破坏。它是一个自主导航系统。与基于平台的惯性导航系统相比,捷联式无需惯性平台,从而大大减少了系统的体积和重量,并且更易于维护。但是,由于陀螺仪和加速度传感器直接承受飞机的振动,冲击和角运动,因此会发生动态误差。这对陀螺仪和加速度传感器提出了更高的要求。仪器测量信号后,必须由计算机对其进行计算以获得所需的导航参数。

“卫星定位”的缺点很明显

直到今天,在某些情况下,依靠现代军事方法(例如航空航天)仍然受到许多问题的困扰,例如战争迷雾。以卫星定位技术为例。依靠廉价的干扰设备可以轻松产生信号“盲点”。相关技术甚至可以在Internet上找到。依赖卫星导航的军用无人机也被“困住”,其缺点是可靠性低。暴露。

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捷联式惯导系统

卫星定位系统捷联式惯导系统,数据图

事实上,在卫星定位系统问世之前很久,人们就使用惯性测量元件来获取诸如物体的运动姿态和速度变化之类的信息。通过将该信息与对象的初始位置相结合,可以计算出对象的实时位置,这就是著名的“惯性导航系统”。在1850年代,德国科学家Bonnenberg提出了将惯性导航系统的原型安装在稳定平台上的陀螺仪。惯性导航的最大优点是它不依赖任何外部信息,例如声音,光,磁和电,并且其工作完全不受自然和人为干扰。

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不幸的是,早期的惯性导航系统需要安装在机械精度稳定的平台上。这种“平台式”惯性导航系统具有许多缺点,例如尺寸大,精度低,可靠性差,维护成本高和累积误差大,极大地限制了其在残酷战场环境中的应用。 1953年,美国麻省理工学院投入使用的平台式惯性导航系统的直径1.为5米捷联式惯导系统,重量接近1吨,系统的精度不高。 。当时,美国空军在MX洲际导弹上安装的先进惯性参考球代表了早期惯性导航系统的顶峰。尽管提高了定位精度,但“肥胖”并未得到有效控制。

“捷联惯性导航”突然出现

在1970年代,出现了原理,材料和结构发生颠覆性变化的大量新型惯性敏感设备,例如光学陀螺仪和微波共振加速度计,它们被实时计算和控制功能所取代。的计算机。机电系统也已成为可能,并且不再需要机械稳定平台的“捷联惯性导航系统”出现了。

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捷联惯性导航系统主要由三个陀螺仪,三个加速度传感器和一个计算机系统组成。与“平台”惯性导航系统相比,捷联惯性导航系统将惯性敏感元件直接安装在待测物体上,并将输出信息直接发送至导航计算机进行实时计算,从而可以准确地提供姿态,速度和经度等参数信息具有灵敏度高,可靠性高,启动时间短,结构简单,零件少,体积小,成本低等优点。

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俄罗斯联盟号飞船使用的惯性导航装置imu500t(左)和用于导弹的惯性导航装置imu-501(右)。数据图

1969年九州体育 ,捷联式惯性导航诞生,人们迫不及待地将其用作“阿波罗13号”登月航天器的应急装置,当服务模块爆炸时,成功地将航天器引导回了地球轨道。它成为捷联惯性导航系统发展的一个里程碑。在1980年代,航天飞机,航天器,卫星以及各种导弹,战斗机和战舰都开始升级捷联惯性导航系统。波音和空中客车系列民用飞机上的激光陀螺仪为代表的捷联惯性导航系统。该系统还为长途飞行提供了稳定可靠的空中“灯塔”。

近年来,随着微机电技术的进一步升级,捷联惯性导航系统正朝着高精度,高可靠性,低成本鸭脖app官网 ,小型化和数字化的方向发展。 2016年3月,美国国防部高级研究计划局微系统技术办公室开始研究新一代基于MEMS的惯性测量单元,该单元主要通过加速度和角度为飞行控制系统提供更准确的数据信息。速度测量。此外,美国目前正在开展一些导航技术研究项目。目的是使军事设施和战斗人员摆脱对卫星导航系统的依赖。使用原子陀螺仪,集成在微芯片上的加速度传感器和原子钟可以获得定位。时间服务导航服务。

“组合导航”已成为热点

捷联惯性导航技术具有许多优势亚博app ,但这并不意味着捷联惯性导航系统是无可挑剔的。惯性测量元件的固有漂移率将导致导航误差,并且误差具有随时间逐渐增加的缺点。这是致命的缺点,对于需要长期飞行和高精度定位要求的战斗设备而言,这是不容忽视的。 。因此,捷联惯性导航和卫星导航的“组合导航”模式已成为研究热点之一。

1980年代,美国开始研究卫星导航和捷联惯性导航系统,并在民用领域取得了良好的成绩。自那时以来,美国国防部在其“空海联合直接攻击武器(JDAM)”计划中明确指出,无制导炸弹可以配备集成导航组件,使其成为全天候精确进攻武器。 2015年12月,美国海军在合同中进一步加强了与卫星导航系统的集成AG游乐城 ,以取代大多数作战和支援舰艇的惯性导航系统。美国国防部高级研究计划局启动的“自适应导航系统(ANS)”计划,是通过现有传感器和测量设备的灵活组合来实现的,高精度,高可靠性和低成本集成的导航平台,部署周期甚至可以从几个月到几天。现有的武器平台,例如导弹和飞机,经常使用命令,卫星导航和其他方法的组合来对惯性导航系统进行时间校正。美军使用的“战斧”巡航导弹采用“三路卫星导航,惯性导航和地形匹配”。“保险”模型在战场上表现良好,证明了“强盟”的优势。

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