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 (1)§1 惯性制导概述 (1)§1.1 定义 (1)§1.2 制导系统的组成 (1)§1.3 惯性制导的基本原理 (2)§1.4 惯性制导的优缺点 (3)§2 惯性制导的分类 (4)§2.1 平台式惯性导航/制导 (4)§2.1.1 基本形式 (4)§2.1.2 实体布局的分类 (4)§2.2 捷联式惯性导航/制导 (5)§2.2.1 基本形式 (5)§2.2.2 系统特点 (5)§2.2.3 计算原理 (6)§3 战术导弹的惯性制导 (7)§3.1 战术导弹制导的特点 (7)§3.2 空空导弹 (7)§3.3 反舰导弹 (8)§3.4 其它战术导弹 (9)§4 战略导弹的惯性制导 (9)§5 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，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。

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，再经过一次积分，可以得到选定坐标系下的位置信息。

即：()()⎰+V0t()()⎰+V=adtS0tS=vdt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）。

⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--++--=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=••=γθθθγγθψγψθψγθψψγγθψγψψθγθψγψγγγγθθθθψψψψγθψcos cos sin cos sin cos sin cos sin sin cos cos sin sin cos sin cos cos sin sin sin cos sin cos sin sin sin cos cos cos 0sin 010sin 0cos cos sin 0sin cos 00011000cos sin 0sin cos b C C C T n 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。

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，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，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。