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    基于安全运行的船舶平台式惯性导航解析

    时间:2020-04-04 05:25:42 来源:千叶帆 本文已影响

    摘要:惯性导航系统是目前最为先进的导航技术之一,其中平台式惯性导航系统广泛的应用于我国的军事舰艇上。本文通过对我国舰艇惯性导航技术的特点、发展历程、结构等方面的解析,探寻惯性导航技术的发展前景和方向。

    关键词:舰艇平台式惯性导航 陀螺仪 加速度计

    惯性导航系统(Inertial Navigation System),是以牛顿力学定律为基础,利用惯性元件来测量载体本身的加速度,经过积分和计算后得到速度与方位,从而起到对载体导航定位的作用。平台式惯性导航系统将惯性敏感元件安装在一个稳定平台上,以平台坐标系为基准,测量载体运动的参数信息的惯性导航系统,目前,我国的舰艇惯性导航系统是以具有精确度高、计算量小等优点的平台式惯性导航系统为主。

    1、舰艇惯性导航技术特点简述

    舰艇惯性导航技术凸显出两个鲜明的特点,优点是它能够在不隔绝外界任何信息的情况下,实时的、不间断的、自主的计算并向舰艇提供关于位置、速度、方向等方面的参数信息,同时又不会将舰艇的暴露性信息反馈给外界。缺点是它所计算出的参数信息在其原理上会存在误差,并且会随着时间的增长而增长。舰艇惯性导航技术是为了配备的核潜艇而研制和发展的,其作用主要是为了满足长期在水下工作的潜艇的安全航行和导弹发射命中率所需的参数信息和舰艇的运动参数信息。舰艇导航技术的不断进步既可以满足潜艇水下工作的隐蔽性要求,也能提高导弹的发射命中率。

    2、我国的惯性导航技术的发展

    我国惯性技术的发展自上世纪60年代开始,至今已有50多年的历史,从最早的机械式陀螺自动驾驶仪发展到平台式惯性系统、捷联式惯性系统和惯性组合导航系统,从最初只应用于导弹发射技术到现在航海、航空以及航天等方面的应用,范围越来越广。

    导航,顾名思义是指引导航行。我国的惯性导航技术在舰艇上的应用开始于20世纪50年代,至今已经完成了传统的平台式惯性导航的早期发展阶段。随着科学技术的不断发展,惯性导航技术由于结构的不同分为平台式惯性导航(Platform Inertial Navigation,简称PINS)和捷联式惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System,简称SINS),平台式惯性导航技术是指将惯性敏感元件安装在一个稳定的平台上,平台可以隔离载体运动对敏感元件的影响,惯性测量元件的工作条件较好,并且平台能直接建立导航坐标系,然后进行导航推算,平台式又分几何式、解析式和半解析式等编排形式;捷联式惯性导航技术是将惯性敏感元件直接安装到载体上,完全用数学解算得到的数学平台代替了物理实体平台。

    3、解析我国舰艇平台式惯性导航系统

    舰艇平台式惯性导航系统是指在舰艇上建立的一个由机电控制的物理机械平台,其惯性敏感元件(包括陀螺仪和加速度计等等)都安装在这个物理平台上,根据惯性敏感元件输出的信息经过导航计算机的运算得出载体的位置、速度等航行信息及陀螺施矩信息。陀螺在收到施矩信息之后,通过控制平台的机电装置来跟踪并稳定在导航坐标系内。舰艇平台式惯性导航系统根据惯性平台跟踪并稳定在哪个导航坐标系内和方位控制的不同,采用的是当地水平固定指北惯性导航系统。

    我国的舰艇平台式惯性导航系统主要由主体仪器和控制机柜构成:

    其中主体仪器由包括陀螺仪、加速度计以及三环常平架构成的当地水平固定指北半解析式三轴稳定平台,它很好的隔离了舰艇对导航系统的影响。

    陀螺仪是平台惯性导航系统的“心脏”,在舰艇平台式惯性导航系统中通常是使用两个二自由度陀螺仪。导航系统的方位与速度的精确度主要是取决于陀螺仪的精确度。在平台惯性导航系统中,利用陀螺仪能在惯性空间保持不变的特性,在对陀螺仪施以恰当的施矩电流后,通过惯性平台跟踪并稳定地理坐标系,为加速度计提供速度测量的基准信息。

    加速度计也是平台式惯性导航系统的重要惯性敏感元件,它主要是决定惯性稳定平台的精准度。在我国的舰艇平台式惯性导航系统中通常是沿着东西、南北方向相互垂直的安装两个水平加速度计,用以计算出舰艇的方位和速度。

    三环常平架结构有横摇环、纵摇环和航向环组成,每个环都配备了稳定的机电装置,通过这个三环装置支撑平台,保证平台相对于舰艇的三个方向转动,从而实现平台始终跟踪并稳定地理系的目标,同时可以通过多极旋转变压器输出舰艇的姿态信息。

    在舰艇平台式惯性导航系统中,控制机柜由导航计算机和电子线路两部分组成。其中导航计算机由硬件和软件构成,硬件设施包括能提供导航计算机最基本的硬件配置的主机组件、加速度计板、D/A板和A/D板。软件设施就是导航计算机的控制系统,实现各种导航定位功能。它包括测漂、定位地标、初始对准、综合校正等功能。可以实时对陀螺仪实施控制,实现修正回路功能;可以实时的显示出导航系统中各个导航参数的信息,并为舰艇上的其他装置提供基准参数信息;还有实时记录住导航数据的功能,方便用户下载打印相关需要进行分析的信息。

    4、舰艇平台式惯性导航系统的使用需求

    4.1 航行需求

    舰艇既要保证自己安全航行又要确保潜艇的隐蔽性,首先要解决的是导航问题,只有实时的了解到自身的方位、速度、航向等信息,才能发挥舰艇的优势。国内舰艇的平台式惯性导航系统由于其实时、参数全面、不受外界信息干扰等特点,既保证了导航参数的全面和精确,又确保了潜艇的隐蔽性,提高了潜艇的导弹命中几率。

    4.2 成本需求

    舰艇平台式惯性导航系统主要应用在军事方面,实现军事目标是它的首要任务。由于平台式的惯性导航系统造价较高,维护费用昂贵,所以也要考虑经济方面的问题,就是成本控制,其中包括人力成本和资金成本。从这个角度上看,平台式的惯性导航系统要注重技术的革新和效率的提高,最终达到导航系统的成本控制目标,这也是促进技术革新的源动力之一。

    5、结语

    舰艇平台式惯性导航系统是随着科学技术的不断变革而发展的,将来惯性导航系统会朝着智能化、多功能化等方向发展。我国的舰艇平台式惯性导航系统也会在安全运行的基础上,结合舰艇的军事性,不断向高端发展。

    参考文献

    [1]刘飞,马林.舰艇惯性导航技术现状及发展趋势[J].中国造船,2011.12.

    [2]荣文婷.船用惯性导航系统的载体运动适应性研究[D].哈尔滨工程大学,2010.

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