1、惯性器件原理作业惯性器件原理作业-惯性技术与导弹姓 名：X X 流水号：s2012XXX 班 级：Y12XXX 导 师: X X X2013年5月15日惯性技术与导弹目 录前言11 惯性制导概述11.1 定义11.2 制导系统的组成11.3 惯性制导的基本原理21.4 惯性制导的优缺点32 惯性制导的分类42.1 平台式惯性导航/制导42.1.1 基本形式42.1.2 实体布局的分类42.2 捷联式惯性导航/制导52.2.1 基本形式52.2.2 系统特点52.2.3 计算原理63 战术导弹的惯性制导73.1 战术导弹制导的特点73.2 空空导弹73.3 反舰导弹83.4 其它战术导弹94 战
2、略导弹的惯性制导95 惯性制导的展望10前 言导弹武器出现一时，就伴随着惯性制导技术的发展。二战中纳粹德国的V-I、V-2导弹上就安装了最为简单的惯性测量装置。战后，导弹逐渐成为了最受欢迎的打击武器，它的发展速度和规模飞速提高，尽管出现了各种新的制导方式，但惯性制导始终是导弹不可或缺的可靠制导方式之一。惯性制导经历了从最初的平台式到现在普遍采用的捷联式，历经近70年的发展，无论是以惯性元件为代表的硬件部分，还是以卡尔曼滤波、信息融合技术为代表的软件部分，都获得了长足的进步，在导弹武器中的地位日益稳固，不仅应用类型多样化，应用范围同样在不断扩展。本文将首先对惯性制导技术、原理、特点、类型作介绍，
3、其次对应用惯性制导的各类型导弹做总结，最后对惯性制导技术的发展及趋势做简单的预测。1 惯性制导概述1.1 定义惯性制导是指利用惯性元件测量运动体相对于惯性空间的运动参数，并在给定运动的初始条件下，由制导计算机计算出运动体的速度、位置及姿态等参数，形成控制信号，引导运动体完成预定任务的一种自主制导系统。惯性制导如其它制导系统一样，要完成“测、算、控”的三大任务。即测量运动体运动参数（包含线运动信息和角运动信息）；导航计算（导航矩阵、姿态矩阵解算）；控制参数整定（控制算法、系统优化、信息融合）。三者之间相互联系，构成完整的回路，从而将整个制导系统与导弹的飞控系统、动力系统、敌我识别、战斗部引信等相
4、结合，确保导弹能够准确命中目标。1.2 制导系统的组成制导系统由惯性测量装置（IMU）、控制显示装置、状态选择装置、导航计算机和电源等组成。惯性测量装置包括陀螺仪和加速度计。陀螺仪用来测定运动体角运动信息，加速度计用来测定运动体线运动信息。由于导弹是空间运动体，需要的是三维运动信息，因此导弹的陀螺仪和加速度计均为三轴元件。控制显示装置的作用有两点：一是向计算机输入初始运动参数和位置信息；二是显示导航参数。需要区别的是：无人飞行器是只输出不显示，或是显示屏在中心操作人员处；有人驾驶飞行器是既输出也显示，并且输出与显示高度规一化。状态选择装置主要应用与复合制导技术中，是基于模式识别的制导方式选择。
5、复合制导中包含并联复合制导、串联复合制导和串-并联复合制导。所谓并联复合制导，是指飞行过程中，各制导方式同时工作，在同一时刻输出导航参数。所谓串联复合制导，是指各制导方式按照时间或是预先设置的程序方案分段工作。状态选择装置必须有良好的判断决策能力，保证制导信息准确、及时、高效的发挥作用。导航计算机是制导系统完成各类算法的核心设备，高速、可靠、强容错是它本身能力的要求。同时，在弹体结构要求极为紧凑的导弹上，导航计算机还被用来完成某些并不属于制导系统的简单计算任务。比如采用鸭式布局的轴对称短程地空导弹，导航计算机还用来进行滚转舵面的被动控制计算。不过随着计算机硬件技术的不断发展，更多小型化的高性能
6、处理器件得到应用，使得导航计算机执行这类任务的机会大大减少。电源装置用来保证制导系统各部分部件的正常工作，要求的主要指标是冗余能力。对于飞机或是导弹来说，在执行机动过载过程中，各系统对于电力供应的可靠性及能量都会提出更高的要求。因此，电源不仅要能够保证常态下系统的电力要求，还要有比较强的冗余来应对其复杂的要求。1.3 惯性制导的基本原理运动体在运动的初始时刻预先设定基准运动信息。在运动过程中，陀螺仪测量运动体的三个绕质心转动的角速度，加速度计测量运动体的三个质心位移的加速度。测得的参数送入导航计算机进行解算。对角速度积分可算出运动体的姿态角；对加速度的进行一次积分可算出运动体的速度信息，再经过
7、一次积分，可以得到选定坐标系下的位置信息。即： 图1 惯性制导系统组成惯性测量元件将线运动与角运动信息测量结果送入导航计算机中。姿态矩阵完成坐标变换后，信息经迭代算法参与导航计算；姿态角矩阵对运动体的空间姿态进行解算。导航计算机中的数据分成两部分输出到显示装置中：第一部分由导航计算得出，包含位置及速度信息。共有至少六个参数，分别是位置（经度、纬度、高程）、速度（沿着坐标系三个轴的轴向速度）；第二部分为姿态信息，有三个参数俯仰、偏航、滚转。姿态矩阵的计算是导航计算中的重要环节，对于平台式惯导系统来说，惯性元件的输出就是导航坐标系下的输出，因此不需要特别的进行坐标变换，姿态矩阵其实就是一个误差补偿
8、矩阵。但对于捷联式惯导系统，惯性元件的输出是载体系的数据，必须经过导航坐标系的转换，才能在导航系下使用。例：下式是由欧拉姿态角法得到的姿态矩阵（载体系b系到导航系n系的转换矩阵）。注：此矩阵与姿态角矩阵相乘的顺序有关，故并不唯一。我们可以看到，欧拉姿态角法得到的矩阵参数少，计算简单，但缺点是受到角度的限制，姿态角范围为（0，90）。因此，相继出现了方向余弦法、四元数法、转动惯量法进行改进。1.4 惯性制导的优缺点优点惯性制导是完全自主式的制导系统，不向外辐射电磁波、红外线等物理信号，不受外界环境干扰，可全向全天候工作，可靠性高。采用惯性制导的导弹组合适当的制导方式后，不受发射数量的限制，可实现
9、发射后不管，载机/舰不需要为导弹连续不断的提供照射等附加动作，减轻了载机/舰的负担，提高了安全性。缺点基于惯性元件的特点，惯导系统误差随时间积累，长航时、长距离情况下，精度会下降。对元件及系统整合加工精度要求高，并且造价昂贵。2 惯性制导的分类惯导系统从开始出现到现如今的发展，出现了平台式和捷联式两大类惯导系统。他们涵盖了几乎所有的惯导应用领域。平台式是惯导应用的初级阶段，随着计算机技术的出现及电子元器件的迅猛发展，捷联式惯导出现并占据了绝大多数的应用领域。2.1 平台式惯性导航/制导2.1.1 基本形式惯性元件安装在固定的机电平台上，选定平台坐标系直接与导航坐标系相互重合。三个单自由度陀螺组
10、成三环平台，三个加速度计的敏感轴沿平台的三个坐标轴正向安装。这样通过物理安装使得元件直接测得我们需要的信息，同时，机电平台的存在，既稳定了元件工作环境，也方便了元件的标定。2.1.2 实体布局的分类平台式惯导系统根据实体布局的差异，可分为三类：半解析式、几何式、解析式。半解析式：一个三轴空间稳定平台，台面始终平行当地水平面，方位可指北，也可以指任意方向。几何式：两个三轴空间稳定平台：相对惯性空间稳定的平台安装陀螺仪；稳定在地理系的平台安装加速度计。两个平台间的几何关系可用来标定运动体的经、纬度。解析式：一个三轴空间稳定平台。求出的速度和位置是相对惯性空间而不是地球的，因此还必须转换参数。系统类
11、型半解析式几何式解析式系统结构一个三轴空间稳定平台两个三轴空间稳定平台一个三轴空间稳定平台平台稳定方式稳定于地理坐标系或水平面一个稳定于惯性空间一个稳定于地理坐标系稳定于惯性空间平台尺寸较小较大较小使用时间长短十几小时以内100天以内5分钟以内应用范围飞机、飞航导弹船舶、潜艇宇宙飞行器、弹道导弹计算量中等较少较大表1 三种平台式惯导的比较2.2 捷联式惯性导航/制导2.2.1 基本形式20世界50年代伴随计算机技术出现的新型惯导系统，由平台式惯导系统发展而来，克服了平台式惯导系统体积大、可靠性差的缺点。将惯性元件直接固联在载体上，利用虚拟的数学平台代替传统的机电平台，简化结构、降低故障率、提高
12、了可靠性。2.2.2 系统特点由于惯性元件固联在载体上，因此测得的信息是在载体坐标系下得到的，必须由计算机进行坐标变化到导航坐标系下，才能进行所需要的制导信息的结算。陀螺仪的输出并不再是单一的完成姿态的计算，还要用来建立数学平台。（1）可以为飞控系统提供载体轴向的速度信息；应用捷联式惯导技术的波音757/767/777系列飞机，可以提供多达35种导航信息。为飞行员的驾驶和故障判断提供了准确的信息。（2）仪表安装维护简单，便于与电传余度控制系统兼容，节约空间、减轻飞行操控人员的负荷；（3）系统全向工作，减少启动准备时间；垂直发射的导弹可以在弹翼展开的同时迅速启动制导系统的工作。战略武器机动发射时
13、，发射单元在发射阵地可以迅速展开、发射、收起、机动脱离。提高了战略武器的生存能力。（4）惯性元件工作环境恶劣，承受冲击大，误差标定复杂，对陀螺仪精度要求高，误差补偿的计算量大。要求有精确地补偿算法和滤波环节设计，加大了计算量和对系统容错能力的要求。2.2.3 计算原理图2 捷联惯导算法流程图系统启动之后首先完成自检测，以检验各部分是否存在掉电等故障，之后进入初始化环节。初始化主要完成三个任务：一、给定初始信息。包括初始的位置信息和速度信息。二、完成初始对准。初始对准就是把数学平台的平台坐标系与导航坐标系相重合。首先由粗对准确定捷联矩阵并且为精对准准备条件，经对准需要估算出失准角之后完成一次修正
14、，从而结束初始对准的工作。三、校准惯性仪表。对陀螺的漂移和加速度计的零偏进行校正。 从初始化进入核心计算之前，必须要进行误差补偿。对于捷联式惯导来说，由于自身的误差传播特性，补偿既有静态的，也要有动态的。运动体的姿态是在不断变化着的，因此姿态矩阵有一个更新计算问题，这就需要不断的进行迭代，直至满足要求。3 战术导弹的惯性制导3.1 战术导弹制导的特点战术导弹主要用于毁伤战役战术目标。例如部队、坦克、飞机、舰船、雷达、指挥所、机场、港口、铁路枢纽和桥梁等目标。战术导弹体积小，发射载体多样，攻击机动目标的任务多，因此导弹的制导系统选择十分丰富。纵观现代武器发展和战争的需要，单一制导模式已经不能满足
15、任务的需要，复合制导已经逐渐成为主流。复合制导可以对不同制导系统取长补短，为完成导弹的攻击任务选定最佳的制导工作模式。惯性制导、特别是捷联式惯导，以其自身完全自主且全天候工作，可靠性高的优点，在多类战术导弹制导方式中占有重要的地位。3.2 空空导弹空空导弹由飞机发射，主要用来打击各类飞机、无人飞行器、部分巡航导弹等空中目标。按射程分有短距、中距和远程空空导弹。短距空空导弹主要任务是空中格斗，弹体短小，制导方式单一，多为红外、激光或热成像制导。空空导弹的惯导主要应用在中距和远程导弹上，它们多执行拦截任务，多为复合制导，惯性制导是其较为广泛采用的制导方式。空战中载机和飞行员任务较重，并且要具备多目
16、标的打击能力，因此惯性制导可以作为可靠的中端或初始段制导模式以实现发射后不管的能力。这类空空导弹普遍采用惯性制导+雷达制导的复合模式，导弹由载机发射之后，惯导系统启动，将导弹引导到目标区域的某个范围内，之后雷达制导系统开机，令导弹精确命中目标。惯导段导弹自主工作，隐蔽接敌；末端制导精度提高，目的性明确。射程任务制导方式短距（200m20km）格斗红外、激光中距（20km120km）格斗/拦截半主动雷达惯导+雷达远程（120km）拦截指令+惯导+雷达惯导+雷达表2 空空导弹制导方式的适用性图3 美国AIM120C中距空空导弹图4 俄罗斯R27中距空空导弹3.3 反舰导弹以水面舰艇为打击目标的一类
17、导弹，可由飞机、水面舰艇、潜艇、岸基载具发射。通常为飞航式。导弹的多采用惯性制导+雷达/反辐射/GPS等方式工作。以舰舰导弹为例，导弹发射后先经历短暂的上升过程，惯导系统开机工作，导弹下降高度至掠海飞行，在飞行末端，末制导系统开机，导弹上升随后俯冲攻击。限于发射载体空间所限，为实现饱和攻击，导弹体积应尽可能的小，因此反舰导弹的惯导仍多数采用捷联式惯导。主流的反舰导弹打击方式有两种：一种以美国、西方为代表，导弹全程基本上以掠海飞行的姿态前进，在攻击末端上升距离也不明显，此种方式减小了由惯导过渡到末制导系统计算扰动对飞控系统的影响；另一种以俄罗斯为代表，导弹在攻击末端有非常明显的爬升（花岗岩导弹要
18、上升到近20km的高空），最后做俯冲攻击。此种攻击方式对惯导元件的过载极限承受能力提出了严峻的考验，加大了制导模式过渡的计算量，但会极大的增强攻击效果和突防能力。导弹发射方式制导类型美国“捕鲸叉”270km舰舰、潜舰、空舰惯性制导+主动雷达惯性制导/GPS修正+主动雷达俄罗斯“花岗岩”500km舰舰、潜舰、空舰、岸舰惯性制导+主动雷达惯性制导+程序制导+主动雷达法国“飞鱼”80200km舰舰、潜舰、空舰、岸舰惯性制导+雷达/GPS辅助修正表3 几种典型反舰导弹3.4 其它战术导弹制导系统中采用惯性制导的战术导弹还有很多类，比如空地导弹、部分巡航导弹，甚至是远程的防空导弹。限于战术导弹体积和发射
19、数量尽可能不受限的作战要求，其应用的惯导多为捷联式惯导系统。图5 战斧BLOCK1A型巡航导弹图6 俄罗斯S-400凯旋防空系统采用的导弹4 战略导弹的惯性制导战略导弹用于打击政治和经济中心、军事和工业基地、核武器库、交通枢纽等目标。多为弹道式导弹，射程远（5000km以上）、威力大（多数携带核弹头）、弹体不发生滚转是它最显著的特点。战略导弹追求两类指标：生存性和毁灭性。生存性指的是在战争中遭受对方打击后仍然具有反击能力，这就要求战略武器的各个系统设计都必须紧紧围绕这个中心，制导系统也不例外，例如开机加电时间、作战反应时间，这都是衡量生存性的重要数据，在很大程度上也依赖于制导系统的设计。毁灭性
20、主要有两点：一是弹头威力；二是命中精度。后者完全有制导系统决定。战略导弹任务明确、统一，飞行过程弹道规划相似，因此它的制导系统相对单一，目前普遍采用的有惯性制导+GPS、星光制导+GPS、星光制导+惯性制导/GPS修正的复合制导方式。由于惯性制导的误差是随时间积累的，因此战略导弹应用惯性制导后，射程和圆误差概率两项指标在一定程度上是矛盾的，主要解决方法有两个：一是采用信息融合技术，利用复合制导模式在不同阶段对惯性制导进行修正；二是将惯性制导的误差补偿做得更加完善的优化滤波，在系统计算容量允许的情况下，采用分级滤波来将误差降到最低。导弹参数制导模式美国“三叉戟”（海基）射程：11000km圆误差
21、概率：130m-185m惯性导航+GPS俄罗斯“白杨”（路基）射程：10500km圆误差概率：350m惯性制导+弹头末制导美国“民兵”（路基）射程：13000km圆误差概率：185m星光制导+惯性制导表4 典型战略导弹部分数据5 惯性制导的展望惯性制导自出现之日起，已在航天、航空、航海等领域取得大范围应用，重要性不言而喻。其在导弹武器中将一如既往的发挥巨大的优势，占据着不可替代的位置。惯性制导技术的发展主要源自于应用载体性能的不断提高。现代战争对武器系统提出了高精度、多智能、高可靠性的要求，惯性制导技术也势必围绕这几个方面作进一步的提高：（1）惯性元件制造的能力陀螺、加速度计的精度。减少陀螺的
22、漂移和加速度计的零偏，采取新工艺改善捷联式惯导元件的标定方法，赶上平台式惯导在此的水平。（2）优化滤波技术滤波是从软件层面改善惯性制导精度的核心方法。不断地更新卡尔曼滤波的算法来改善误差传播特性，加快初始对准的效率。（3）完善信息融合技术对于导弹个体，复合制导要求各制导模式之间必须实现数据信息的高速、准确传递，这样才能够保证制导信息的完美配合和过渡。对于编队攻击群，利用数据链使得不同个体的信息在整个编队之间可以相互传递，在打击目标时实现智能分配的目的。（4）惯导技术自身的发展惯导技术从最初的平台式到现在的捷联式，经历了近70年的历程，随着更多前沿基础技术得到应用，惯导技术本身也可能会产生新的变化。
