陀螺与惯性制导

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1、。陀螺与惯性制导陈俊衡,
华南师范大学物理系广州,



摘要介绍了一种完全自主的导航系统惯性制导系统
它主要是利用陀螺的特性来建立相对—
,确定运载器的制导参数基准,实现完全自主导航,惯性空间随着新型陀螺的不断出现其测量精度也、
日益提,惯性制导系统已被广泛应用于现代导弹宇航运载器等方面高,导航,关镇词陀螺惯性制导















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!、航海航空的运载器能从一个口岸准确地了

,惯性制导技术的应用年代在海湾战争,,,一抵达另一个口岸导弹能打中目标等主要依靠中法国的

激光制导空对地导弹命中导航
导航有天文导航、无线电导航、卫星导航率达
多,美国的“拉斯姆”电视制导中程空对,
等多种下“”,这些导航都要靠外界条件来进行的地导弹则创造了百公里穿杨的记录为攻击,一面介绍一种完全自主的导航系统惯性制导一座水电站一架

飞机在


的距离系统

—上,发射了一枚“拉斯姆”导弹进行攻击,而附近一,惯性制导系统主要是利用陀螺的特性来建

4、另一架

飞机发射了第二枚导弹竟从第,
立相对惯性空间的人工参考坐标系通过精确一枚导弹打开的墙洞中穿过去击中目标‘的陀螺仪和加速度计测出运载器
包括火箭、导、、、弹潜艇远程飞机宇航飞行器等
的旋转运动
陀螺仪的特性,经计算机综合计算,和直线运动的信号并指令,
姿态控制系统和推进系统实现运载器的完全有三个自由度的陀螺也称双轴陀螺当这自主的导航
也就是说,运载器可在一个完全种陀螺的转子高速旋转,且轴承无摩擦时,陀螺“”,转子轴将保持其空间方向不变,与外界条件以及电磁波隔绝的封闭空间内这种性质叫做
,,实现
陀螺仪的定轴性如图

5、


陀螺精确的导航



所示一,,,第二次世界大战德国

火箭是惯性转子装在内环中内环可绕轴在外环中转动转
制导技术的第一次应用

年代后,美、苏争动的外环装在基座上当陀螺转子高速旋转时,,,,不管基座作何转动,如绕外环轴转过,霸扩充军备大力发展惯性制导的研究现代币角又绕导弹、宇航飞行器等多采用惯性制导的方法
我




年
月
日收到初稿,


年

月
日收到修,国

年人造地球卫星发射成功其中也包括改稿
物理,,力矩
如摩擦力矩等
时将使陀螺仪的定轴性内环轴转过
角但陀螺转子轴在空间的方向,。仍然保持

6、不变
陀螺仪的定轴性可用动量矩守受到破坏这称为陀螺仪崖漂移恒来解释
陀螺转子转动后,仅受轴承和空气阻力,,矩的作用由于摩擦很小在不太长的时间,阻力冲量矩相对于陀螺转子的动量矩是很内、,,
小的,可以认为动量矩守恒即

为恒矢量
八陀螺转子对轴的转动惯量
,。是恒量角速度的大小和方向不变,而角速度矢量的方向就是转轴的方向,故动量矩守恒表现为陀螺转子轴的方向不变
陀螺转子
惯性参考坐标系的建立惯性制导系统的基本功能之一是确定运载转子轴向不变器的位置和速度
、速度的测量必须有而位置内环、、,一个确定的参考空间以及在这空间中物体

7、的定位方法
一般在地表面的制导,用地表空间作为参考空间
在宇航中则用星体空间作为参,,考空间并通称为惯性参考空间可用直角坐标表示物体的位置和速度
惯性制导是完全自主式的,运载器的位置、,,速度要靠本身的制导系统来测量因此必须在运载器内部建立一个人工的惯性参考空间
陀,螺具有的定轴性使得在运载器上建立一个和,运载器的运动隔离的但仍能保持给定坐标方,向的人工惯性参考空间成为可能可利用陀螺,、的定轴性来稳定与转轴相垂直的两个轴如内,,外环轴向从而建立惯性参考系的两个坐标轴另一个坐标轴需要引进另一个三自由度陀螺来
因此,在一实现

8、个惯导系统中要用两个三自三个自由,
,度陀螺还有另一特性如图所由度陀螺
或三个二自由度陀螺
才能建立一示
当转子不转动时,如果在内环一端挂一小个完整的惯性参考坐标系
,,,重物陀螺将向这端倾倒
当转子高速转动时由于陀螺仪的机械转动存在摩擦力矩必,不会使内环倾倒,而是然引起陀螺仪的轴向漂移,造成坐标轴间的偏加在内环边上