1、導航原理導航原理Navigation導航的概念及分類導航的概念及分類導航：導航： 把航行的載體從起始點引導到目的地的技術把航行的載體從起始點引導到目的地的技術基本類型：基本類型： 陸標導航（陸標導航（Landmark)推算定位導航（推算定位導航（Dead Reckoning）天文導航（天文導航（Astronomical Navigation）衛星導航（衛星導航（Satellite Navigation） 慣性導航慣性導航 （Inertial Navigation System，INS） 衛星定位導航（衛星定位導航（GPS, GLONASS, Galileo , 北斗北斗 ）GPS 導航概述導航

2、概述提出：始于美國國防部的提出：始于美國國防部的 NAVSTAR 計劃計劃GPS 衛星及軌道衛星及軌道24顆衛星，位于顆衛星，位于6個個軌道平面軌道平面每個軌道與地球赤每個軌道與地球赤道夾角道夾角55度度各軌道與地球赤道各軌道與地球赤道的交線夾角的交線夾角60度度定位思想：定位思想：用戶通過接收機接收衛星信號，提取衛星的距離、方位等信用戶通過接收機接收衛星信號，提取衛星的距離、方位等信息，利用幾何方法解算出用戶當前的位置、速度等參數息，利用幾何方法解算出用戶當前的位置、速度等參數慣性導航的基礎慣性導航的基礎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

3、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加速度可以由加速度計 ( (accelerometer) )測量測量慣性導航：以加速度測量為基礎的導航定位方法慣性導航：以加速度測量為基礎的導航定位方法 慣性導航的基本思想慣性導航的基本思想加速度、速度（加速度、速度（ velocity ）和航程（）和航程（Position）之

4、間的關系）之間的關系：dtdVa tadtVV00tVdtSS00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) )本身的慣性測量本身的慣性測量來完成導航任務的技術稱作慣性導航來完成導航任務的技術稱作慣性導航 dtdsV 平面上的慣性導航平面上的慣性導航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對加速度計的輸出信號進行計算，就可以實時計算出載計算，就可以實時計算出載體在坐標系中的位置和瞬時體在坐標系中的位置和瞬時速度速度 平臺在整個導航過程中，始平臺在整個導航過程中，始終模擬平面坐標系終模擬

5、平面坐標系 OXY在工程上通過陀螺穩定平臺在工程上通過陀螺穩定平臺來實現來實現陀螺儀：定義、緣起陀螺儀：定義、緣起廣義概念廣義概念 Gyroscope 古希臘語：古希臘語： 旋轉敏感器旋轉敏感器 狹義概念狹義概念 陀螺：陀螺： 繞自身對稱軸高速旋轉的剛體繞自身對稱軸高速旋轉的剛體 陀螺儀陀螺儀：陀螺陀螺 + 支撐及輔助裝置，支撐及輔助裝置，實現某種測量功能實現某種測量功能 從玩具陀螺說起從玩具陀螺說起 高速旋轉的陀螺具有定軸性高速旋轉的陀螺具有定軸性 定軸性易被破壞定軸性易被破壞 破壞（干擾）因素破壞（干擾）因素 非對稱支撐帶來的干擾力矩非對稱支撐帶來的干擾力矩 旋轉受到的摩擦力旋轉受到的摩擦

6、力 支承改進：框架、支點、自由度支承改進：框架、支點、自由度改變支點位置，引入改變支點位置，引入框架支撐框架支撐 框架嵌套式支承的實現框架嵌套式支承的實現 等效支點（萬向支點、定點）等效支點（萬向支點、定點） 轉子的自由度轉子的自由度轉子軸的自由度轉子軸的自由度二自由度陀螺儀二自由度陀螺儀（對轉子軸）（對轉子軸） 單自由度陀螺儀單自由度陀螺儀 摩擦及對策、漂移率摩擦及對策、漂移率 摩擦力矩分類及影響摩擦力矩分類及影響轉子受到的摩擦（減速）轉子受到的摩擦（減速） 框架軸處的摩擦及影響框架軸處的摩擦及影響 解決措施解決措施維持轉子高速的旋轉：電機驅動維持轉子高速的旋轉：電機驅動 改進支撐方式，降低

7、軸承摩擦改進支撐方式，降低軸承摩擦 漂移、漂移率漂移、漂移率 漂移：受干擾影響，陀螺轉子軸相對慣性空間的轉動漂移：受干擾影響，陀螺轉子軸相對慣性空間的轉動 漂移率：陀螺轉子軸漂移的角速率（度漂移率：陀螺轉子軸漂移的角速率（度/小時）小時） 慣性級精度：慣性級精度：0.01度度/小時小時 陀螺的發展歷史：陀螺的發展歷史： 消除各種有害力矩、降低漂移率的歷史消除各種有害力矩、降低漂移率的歷史傅科陀螺儀傅科陀螺儀傅科：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)傅科陀螺儀傅科陀螺儀 (1852)精度較低，無法驗證

8、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L=67mM=28kgA=6m陀螺陀螺羅經羅經航海方面的最早應用航海方面的最早應用 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

9、制成陀螺羅經）研制成陀螺羅經 1909年，美國人斯佩里（年，美國人斯佩里（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 航空應用航空應用地平儀、航向儀地平儀、航向儀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：飛行器的姿態角：航向軸航向軸橫滾軸橫滾軸俯仰軸俯仰軸地平儀：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 陀螺儀在導彈中的最早應

10、用陀螺儀在導彈中的最早應用 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，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月起，德國從法國北月起，德國從法國北部向英國發射部向英國發射V1 10500枚；枚；V2 1700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， 馮馮布勞恩布勞恩陀螺儀的慣性級應用陀螺儀的慣性級應用“舡魚舡魚”之之旅旅二戰后，蘇美繼續大力發展導彈和二戰后，蘇美繼續

11、大力發展導彈和火箭技術火箭技術 （布勞恩（布勞恩Vs 科羅廖夫）科羅廖夫）50年代初，美國年代初，美國 MIT Draper 實實驗室驗室研制出達到慣性級精度的液研制出達到慣性級精度的液浮陀螺儀浮陀螺儀 1958年，美國年，美國“舡魚舡魚”號潛艇之號潛艇之旅旅珍珠港珍珠港 - 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 三浮、靜電陀螺三浮、靜電陀螺高精度的追逐高精度的追逐陀螺儀發展的兩個方向陀螺儀發展的兩個方向： 1、高精度、

12、高精度2、低成本、小型化、低成本、小型化三浮陀螺三浮陀螺 （液浮、氣浮、磁懸浮）（液浮、氣浮、磁懸浮）最高精度最高精度10e-7度度/小時小時 靜電陀螺靜電陀螺：轉子無接觸懸浮：轉子無接觸懸浮 1952 提出方案提出方案1970s 末進入實用末進入實用最高精度最高精度 10e-7度度/小時小時 國內研制狀況國內研制狀況缺點：結構復雜，成本高昂缺點：結構復雜，成本高昂 光學、振動陀螺光學、振動陀螺低成本小型化低成本小型化激光陀螺激光陀螺 60年代初開始研制，年代初開始研制，70年代進年代進入實用入實用 光纖陀螺光纖陀螺 70年代開始研制，年代開始研制，80年代初進年代初進入實用入實用 1983-1994美國各類陀螺比例美國各類陀螺比例 振動陀螺、微機械陀螺振動陀螺、微機械陀螺音叉振動陀螺、壓電振動陀螺、音叉振動陀螺、壓電振動陀螺、半球諧振陀螺半球諧振陀螺課程資源課