1.1.2 惯性导航基本概念在线视频

航天飞机

如何在遨游太空后

还能找到回家路

运载火箭

如何把卫星

准确投放到预订轨道

导弹

如何在空中飞行上万公里

还能精确命中目标

装备车辆

如何在复杂战场环境中

顺利抵达目的地

潜艇

如何在水下潜航数千公里

而不迷失航向

要回答这些问题

就要步入惯性

导航技术世界

感受惯性导航技术魅力

了解惯性导航技术

带给这个世界的改变

今天学习惯性导航

基本概念

包括三个知识点

导航

惯性导航

惯性导航技术特点

生活中

经常会遇到这样的问题

从哪里来

到哪里去

如何去

比如要思考人生

规划旅游路线

早上起床后冲向盥洗室

上班时从家赶到公司

下班后去公园约会

这些问题归结到一点

都是导航问题

成功人生需要导航

顺利旅游需要导航

准确到达约会地点

需要导航

同样

当身处一望无际的沙漠

浩瀚无垠的大海

也要面对导航问题

因此

导航问题

几乎无时无刻不存在于

我们每一个

有目地的行动中

通俗讲

导航

就是把运动物体

从一个地方

引导到

目的地的过程

专业讲

导航

就是利用测量器件

测量物体运动参数

经过计算

获得运动物体相对

指定坐标系的

速度 位置

姿态等状态量

与导航相关的

另一个概念是制导

所谓制导

就是利用导航状态量

按照给定制导律

生成制导指令

来控制载体运动

根据采用测量器件不同

导航实现方式有许多种

大家所熟知的导航方式

有以下几种

分别是天文导航

地磁导航

卫星导航

景象匹配导航等

从知道日升月落规律

知道夜空中繁星点点

属于哪一个星座时

你就已经掌握

天文导航

天文导航

曾成就郑和

七下西洋壮举

地磁导航贵为

中国四大发明之一

沿用至今

依然能够让你

在丛林中勇往直前

如果你现在还不会用

卫星导航

你就OUT了

借问酒家何处有

牧童遥指杏花村

呈现景象匹配导航的

优美画面

当然

只要你的眼睛能够

接受光明

那么景象匹配导航

就时时刻刻陪伴

在你的左右

这些导航方式各有特点

早已融入到日常生活

如果把应用对象

聚焦到导弹

等武器导航问题

这些导航方式就存在

一些局限

比如

天文导航易受天气影响

无法全天候导航

地磁导航不能

在极地附近使用

无法实现全方位导航

卫星导航易受干扰

无法全时间导航

景象匹配导航

要求地面特征显著

无法全地域导航

以导弹等

需要远距离

独立自主作战的

武器系统

为应用对象

这些导航方式

还存在以下缺点

一

生存能力差

要与外界进行

信息交流易暴露

隐蔽性差

二

适应性差

易受时间

天气

地形限制

三

自主性差

需要与其它设备

或物体配合

才能完成制导任务

易受制于人

四

导航信息不全

因此

采用这些导航方式

作为导弹主导航设备

无法满足导弹全时间

全天候

全地域

全方位导航需要

那么

有没有一种

完全自主导航方式

可不受时间

空间限制

完全依靠自身特性

进行全时间

全天候

全方位

全地域导航

回答这个问题

需要从惯性着手

所谓惯性

就是物体保持

原有运动状态

不变的性质

是自然界最基本的

一种物理现象

既然一切物体都有惯性

那么能不能够

利用惯性来实现导航呢

根据导航定义

实现惯性导航关键

是要利用物体惯性

制造一种能够测量

物体速度

位置

姿态等信息的仪器

这种仪器称为惯性仪器

如何利用惯性

设计惯性仪器呢

提起惯性这个概念

首先想到一个科学家

牛顿

牛顿在1687年

提出力学三大定律

从运动学原理可以知道

只要知道物体

运动加速度

通过积分就可以获得

速度和位置

根据牛顿第二定律

通过测量物体

所受合外力F

可以获得物体加速度

因此

可以根据牛顿第二定律

设计出一种可以

测量运动物体

加速度的装置

称为加速度计

加速度计

是以牛顿惯性定律

为基础

用来测量

运动物体

线运动信息

即加速度的装置

根据牛顿惯性定律

实现加速度计测量

需要一个基准

这个基准是惯性坐标系

惯性坐标系特点是

三个坐标轴

相对惯性空间指向不变

如何建立惯性坐标系呢

在我国民间

有一种流传几千年的游戏

称为打陀螺

高速旋转陀螺仪

可以绕自转轴稳定转动

通过打陀螺游戏

可以总结出一个现象

高速旋转物体

可以保持旋转轴

方位不变

利用这一原理

法国科学家傅科

成功设计出一种

可以测量角运动的仪器

称为陀螺仪

他把一个高速旋转的

转子通过两个

框架支承起来

称为傅科陀螺仪

陀螺仪

泛指测量物体

相对惯性空间

角运动的一种旋转装置

陀螺仪最主要特征

是有一个高速旋转转子

用角动量H表示

H等于J乘以ω

其中J为陀螺仪

惯性大小度量

陀螺仪主要作用

一

为加速度计测量

建立坐标基准

二

测量物体角运动信息

包括角度

角速度

通过以上分析

可以得出两个结论

一

根据牛顿定律

可以设计出惯性仪表

陀螺仪

加速度计

结论二

惯性仪表

可测量运动物体

所有运动信息

因此

可以给出惯性导航概念

惯性导航

是利用惯性仪器

测量物体运动参数

经过计算

获得物体相对

惯性空间的速度

位置

姿态等状态量

惯性制导

是利用惯性导航参数

按照给定制导律

生成制导指令

来控制载体运动

根据惯性导航

惯性制导概念

可总结出惯性导航技术概念

惯性技术

是牛顿定律为基础

用以实现运动物体姿态

和航迹控制的

一项工程技术

包括惯性导航技术

惯性制导技术

惯性测量技术

惯性元件技术及

惯性元件和

系统测试技术

实现惯性导航的

测量装置

称为惯性导航系统

惯性导航系统功能是

在导弹发射前

进行初始对准

确定发射点地理位置

坐标方向

在飞行过程中

为导弹建立基准坐标系

测量导弹角速度

加速度信息

惯性导航系统特点

一

自主性强

它不依赖任何外部信息

隐蔽性好

不会被干扰

二

适应性强

可在空中

地面

水下环境使用

三

导航信息全

可提供位置

速度

以及姿态等

全部导航信息

四

抗干扰能力强

使用条件宽

对磁

电

光

热以及核辐射等形成的

波场线影响不敏感

具有极强抗干扰性能

因此

惯性导航

是目前唯一具有

完全自主导航性能系统

是实现完全自主导航

最佳手段

惯性导航系统是导弹

飞机

舰船

装备车辆

以及航天器等

运载体不可缺少的

核心导航设备

尤其是在战时

各种信息安全

无法保证情况下

基于惯性导航的武器

是进行作战最有效

最可靠方式

惯性导航系统缺点

是惯性仪表测量误差

会随着时间增长而积累

不适合长时间连续导航

需要其它导航方式

诸如天文导航

地磁导航

卫星导航

景象匹配等

作为辅助导航方式使用

惯性导航技术发展至今

已有近百年历史

在很多领域

特别是军事领域

得到了广泛应用

下节课学习

惯性导航技术发展史

这节课就到这里