第一章-(惯性仪器测试与数据分析)概述

1惯性仪器测试与数据分析西北工业大学自动化学院严恭敏2016-032主要参考书目：•《惯性仪器测试与数据分析》，严恭敏，国防工业出版社，2012•《惯性仪器测试与数据分析》，梅硕基，西北工业大学出版社，1991•《惯性导航》，秦永元，科学出版社，2006•《惯性器件测试与建模》，毛奔，哈尔滨工程大学出版社，20073第一章概述主要内容：•一、惯性导航基本概念及其应用•二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍•三、惯性器件测试内容•四、本课程的主要内容与意义4一、惯性导航及其应用1、惯性导航基本概念：惯性导航是指借助于惯性技术引导运载体从起始位置行驶至目标位置。可以将两位置之间关系看作一矢量，既有方向又有距离长短，不论行驶的路径是直线还是曲线，只有在合适的方向和路径长短下才能到达目标位置。惯性技术的核心传感器是陀螺仪和加速度计。起始点··目标点5一、惯性导航及其应用1、惯性导航基本概念（其它导航方法比较）：卫星导航无线电导航天文导航多普勒导航地磁匹配导航地形匹配导航景象匹配导航重力匹配导航6一、惯性导航及其应用2、惯性导航优缺点：1、自主性好：不需要其它外来信息2、隐蔽性强：不会向外辐射任何信息3、信息全面：高频率甚至连续的运载体实时角速度、加速度、姿态、速度和位置优点缺点：导航误差随时间不断积累（措施：研制高精度器件；测试建模提高实际使用精度）7一、惯性导航及其应用3、应用（军用）（1）运载火箭（3）战斗机（4）核潜艇（2）交汇对接8一、惯性导航及其应用3、应用（军用）（6）陆地战车（7）单兵武器（5）战略导弹2015.9.3阅兵40多种型号装备500多件、20多种型号飞机200多架，84%首次亮相。9一、惯性导航及其应用3、应用（民用）（1）民航飞机（5）智能手机（3）摄影（2）石油测井（4）空鼠/体感遥控器10一、惯性导航及其应用3、应用（民用）Segway(赛格威)无人机独轮车11二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍惯性器件陀螺仪基于经典力学：液浮陀螺、动力调谐陀螺、静电陀螺服从量子力学：激光陀螺、光纤陀螺、原子陀螺基于微加工技术：微机械陀螺加速度计：1、分类：摆式陀螺积分加速度计、液浮摆式加速度计、石英挠性摆式加速度计和硅微加速度计等12二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍2、陀螺仪：（1）几种玩具陀螺（2）框架陀螺仪凯尔特石（抖退石，回旋陀螺）13二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍2、陀螺仪：机械陀螺仪（惯性导航）的主要发展历程：1.1687年，牛顿提出了力学三定律，是惯性导航的理论基础；2.1786年欧拉创立了转子陀螺仪的力学基本原理；3.1852年傅科制造了验证地球自转运动的测量装置，将其称为Gyroscope（陀螺），由于精度低只能观察到地球自转而未能精确测出地球自转角速度；4.1908年安修茨制造了世界上第一台摆式陀螺罗经；5.1910年修拉提出了修拉调谐原理，为惯性导航系统设计奠定基础；6.二战期间，德国V-2火箭采用了陀螺和加速度计组成的制导系统，但其设计粗糙，制导精度极低；7.20世纪50年代美国麻省理工学院（MIT）德雷帕实验室采用液浮支承，研制成功了单自由度液浮陀螺，60年代，液浮陀螺技术日臻完善，其漂移达到了1×10-4º/h；8.60年代，英国皇家航空研究院提出了挠性支承的概念，挠性陀螺开始出现；9.20世纪70年代，美国研制成了静电陀螺；巴黎国葬院14二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍2、陀螺仪：（3）单自由度液浮陀螺仪（4）挠性陀螺仪15二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍2、陀螺仪：（5）静电陀螺仪16二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍2、陀螺仪：光学陀螺仪的主要发展历程：1.20世纪初有人提出利用光的干涉原理测量旋转运动，2.1913年法国物理学家萨格奈克研制了一种光学干涉仪，3.1925年迈克尔逊结合干涉仪研制出了一种光学陀螺测量装置，用于测量地球的自转角速度，但所采用的光源是普通光，相干性极差，测量精度低；4.1917年爱因斯坦提出了光的受激发射理论；5.1960年物理学家发明了激光；6.1963年，美国首先向世界公布了激光陀螺概念，但直到1981年激光陀螺才首次被用于当时新生产的波音747飞机惯导系统中，接着于1983年开始批量生产，其间经历了长达20年的研制周期。7.1967年，Pircher和Hepner提出光纤陀螺概念；8.1976年，Vali和Shorthill进行光纤陀螺实验演示，标志着其诞生。17二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍2、陀螺仪：（6）激光陀螺仪4SLc18二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍2、陀螺仪：（7）光纤陀螺仪4NSLc光程差：高锟：2009年诺奖，“在纤维中传送光以达成光学通讯的开拓成就”19二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍2、陀螺仪：（8）原子陀螺仪斯坦福大学冷原子干涉陀螺仪巴黎天文台冷原子干涉陀螺仪朱棣文：1997年诺奖“发明了用激光冷却和俘获原子的方法”20二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍2、陀螺仪：（9）微机械陀螺仪工大要闻(2016.1.30)：常洪龙教授课题组在弱耦合微机械谐振器方面的研究取得新进展21二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍3、加速度计：（2）陀螺积分加速度计amamaFaFmm0)(基本原理：当相对惯性空间存在加速度时，具有质量的物体上产生惯性力，惯性力作用于仪表支撑结构，形成支撑力，（即），现有加速度计都是借助于敏感质量和通过检测支撑力进行加速度测量。（1）加速度计基本原理22二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍3、加速度计：（4）石英挠性摆式加速度计（3）液浮摆式加速度计23二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍3、加速度计：（5）微机械（MEMS）加速度计24三、惯性器件测试1、惯性器件精度基本概念（1）海里定义：海里原是航海上的长度单位，它指地球子午线上地理纬度1角分的长度。海里英文为nauticalmile，简写为nm。637813722km1861.61852.21843地球地球平均半径为6371300m，其1角分对应的长度为6371300×2π/360/60=1853.3m。国际上采用1852米为标准海里长度，即1nm=1.852km1852.39.3cos(2)LSL弧长与纬度关系：25三、惯性器件测试1、惯性器件精度基本概念（2）惯性级导航系统：在航空惯性导航行业中，将导航系统运行1h水平定位误差优于1nm（简写成1nm/h）的惯性导航系统称为惯性级导航系统。地球自转角速率15º/h，其千分之一为0.015º/h，称为毫地转率（1meru-milliearthrateunit），即1meru=0.015º/h将达到0.015º/h精度的陀螺称为惯性级陀螺，也常以1meru的量级0.01º/h表征惯性级陀螺的精度。研究表明：0.01º/h精度陀螺将引起惯性级导航系统1nm/h定位误差；1×10-4g精度加速度计将引起惯性级导航系统0.3nm/h定位误差。惯性级导航系统对陀螺精度的要求为0.01º/h，对加速度计的精度要求为1×10-4g（g为重力加速度大小，1g≈9.8m/s2）。26三、惯性器件测试2、惯性器件的误差模型（1）静态误差模型：指在线运动条件下惯性仪器的数学表达式，它确定了惯性器件误差与比力之间的函数关系。误差模型分类（2）动态误差模型：指在角运动条件下惯性仪器的数学表达式，它确定了惯性器件误差与角速度、角加速度之间的函数关系。（3）随机误差模型：引起惯性仪器误差的因素众多、许多是随机的、有些机理尚不明确，应用数理统计和模型辨识理论建立随机误差的数学表达式即为随机误差模型。确定性误差可通过建模和测试予以补偿。一般所指的惯性器件精度习惯上为静态条件下测试的随机误差。27三、惯性器件测试3、惯性器件测试内容（1）研究性测试。根据仪表工作机理，推导各有关参数间的关系（物理模型），通过测试发现存在的缺陷，提出提高仪器性能水平的设计方案或改善加工工艺。测试分类（2）鉴定性测试。按验收文件，确定仪表的性能参数是否满足设计书的要求。（3）应用性测试。通过对仪表作严格测试，掌握其误差规律，建立描述误差特性的数学模型，通过误差补偿提高仪表的使用精度。惯性器件测试：一般是指在实验室条件下，使用专门测试设备获取仪器输出数据，通过数据确定仪表性能参数或从中分离出数学模型系数。28三、惯性器件测试3、惯性器件测试内容惯性导航系统可分为平台惯导系统和捷联惯导系统，两者对测试的内容侧重点要求是不一样的。（1）平台惯导系统29三、惯性器件测试3、惯性器件测试内容（2）捷联惯导系统30三、惯性器件测试3、惯性器件测试内容平台惯导系统•平台隔离作用•主要受线运动加速度的影响，而角运动影响很小•惯性器件误差建模和测试侧重点在于静态误差方面•平台惯导系统的精度相对比较高。捷联惯导系统•惯性器件直接承受运载体的线运动和角运动•惯性器件的静态误差和动态误差的建模和测试都非常重要传统机械陀螺的动态误差大，影响因素众多，建模和测试都比较复杂；而新型陀螺，比如激光陀螺，线加速度和角速度引起的静态误差和动态误差都很小，将成为构建捷联惯导系统的理想器件。31三、惯性器件测试4、课程主要内容与意义本课程的基本内同包括：（1）惯性器件（单自由度转子陀螺仪、石英挠性摆式加速度计和激光陀螺）的基本工作原理、误差分析和建模；（2）常用惯性测试设备（水平仪、平板、分度头、速率和位置转台、离心机、线振动台和高低温温箱等）的用途和使用方法；（3）惯性器件常规试验项目的测试方法；（4）典型的数据分析和数据处理技术（回归分析、时间序列分析、频谱分析和Allan方差分析）；（5）随机系统的仿真与Kalman滤波技术；（6）捷联惯导系统和平台惯导系统的标定技术。课程意义：惯性器件测试是一门高精密的技术，有许多繁琐和细致的工作需要做，需要足够的耐心和细心，需要善于发现问题的敏锐眼光和解决问题的新颖思路，它对培养严谨的科学研究精神、良好的工程实践能力和踏实的工作作风具有重要的意义。