某型惯导系统惯性元件的选型设计

郝东

（海军装备部，陕西 西安 710065）

许多远距离航行器都需要惯导系统（INS）来进行导航定位，惯导系统的性能指标直接影响航行器能否准确航行到既定目的地，惯导系统是航行器的最重要的组成部分。航行器总体设计一般是根据航行距离、速度及环境特点来确定惯导系统的全航程导航定位精度、初始自主对准时间、姿态和加速度测量范围及精度等主要指标。惯导系统的方案设计主要是根据总体所分配的指标进行结构设计、陀螺仪及加速度计的选型设计及导航算法设计，其中陀螺仪及加速度计的选型是影响惯导系统导航定位精度的最重要的因素。

1 惯性系统常用元件技术现状

惯导系统的精度主要取决于陀螺仪和加速度计的精度，特别是陀螺仪的性能对惯导系统的导航精度起到了决定性作用。陀螺仪是敏感角速率或角位置变化的传感器，从当前国内外陀螺仪发展的水平来看，超高精度陀螺仪的精度范围一般在0.00001°/h-0.0005°/h，中高精度陀螺仪的精度范围在0.0005°/h-0.01°/h，低精度陀螺仪的精度一般低于0.1°/h。超高精度陀螺仪主要有液浮陀螺、气浮陀螺和机械陀螺；中高精度陀螺仪主要有动力调谐陀螺、光纤陀螺和激光陀螺；低精度陀螺仪主要有动力调谐陀螺、MEMS微机电陀螺仪。液浮陀螺、气浮陀螺和机械陀螺等超高精度陀螺仪主要用在大型航行器的导航，对体积和重量条件要求比较宽松，而对于那些航行时间不长、对体积和重量较敏感的系统（鱼雷、短程导弹等）一般采用中高精度的动力调谐陀螺仪及光学陀螺仪；低精度陀螺仪特别是MEMS陀螺仪主要用在民用领域，例如汽车、机器人、智能玩具及无人驾驶飞机等。

2 惯导系统惯性元件选型设计

2.1 目标惯性系统参数要求。现以某型惯性导航系统为例，来具体讨论的陀螺仪和加速度计的选型设计。假定惯导系统所属载体在水下航速为V=10节（18.4km/h），允许5小时（T）浮出水面进行一次GPS校正，所以载体在纯惯导导航（无GPS和多普勒测速仪信号校正）情况下航行5小时，要求5小时航程导航定位精度不低于航程的10%（P），假设载体沿子午线方向由北向南航行。考虑系统5小时航程的导航定位精度，5小时的导航偏差距离Smax可通过计算获得。

以导航偏差距离Smax=9.2km来反推计算惯导系统导航定位角度，载体在地球表面导航偏差距离Smax所对应的纬度方向角度Φ可以通过计算获得，地球海平面半径取rE=6350km。

2.2 陀螺仪参数估算。根据假定的航行条件，经过计算可获得5小时内纬度方向定位误差角度Φ=0.083°，那么每小时的导航角偏差约为0.0166°。考虑到惯导系统的导航定位精度主要由陀螺仪精度、加速度计精度及导航算法共同决定的，所以先假设加速度计误差可忽略不计，导航算法也比较优良，那么导航角误差完全由映射到该方向的陀螺仪的误差所决定。鉴于载体每小时航向角偏差（角速率）在0.0166°左右，所选陀螺仪精度必须优于0.0166°/h，具体指标冗余量还要考虑加速度计精度和导航算法等方面的影响。

2.3 加速度计参数估算。估算在纯惯导方式下加速度计对系统导航定位精度的影响，假设系统匀速（V=10节）直线航行，对航程计算精度影响的因素就是加速度计的随机漂移值，那么航行5小时后通过加速度积分计算出的航程误差可通过下面公式计算：Sa=T×ΔV/2。假定加速度计精度在10-3m/S2，速度增量（加速度）ΔV=18m/h，整个航程误差不超过0.1km，由于一般的加速度计的精度范围都高于10-3m/S2，可见加速度计的选择对系统导航精度影响比陀螺小一个数量级还要多，所以选择测量精度在10-4m/S2和测量范围在20g～30g的石英加速度计可满足要求。

2.4 系统其它设计。导航算法比较成熟，所引起的静态误差也相当有限，导航算法对系统的动态性能影响较大，可通过转台试验和测试进行补偿和完善，这里不再详细论述。温度传感器可选用数字式温度传感器（例如DS1820），测量范围在-55℃～+100℃、精度在0.1℃的即可，用于系统温度测试和误差补偿。

结语

针对本系统的要求，综合考虑陀螺仪精度、加速度计精度、导航算法和电子线路的综合影响，选择精度等于0.01/h激光陀螺仪和精度等于10-3m/S2石英加速度计可满足系统对5小时纯惯导情况下的导航定位要求。另外，所选激光陀螺仪和石英加速度计的测量范围可根据载体动态指标来定，只要能包含在系统的测量范围内即可。惯性元件的精度决定了惯性系统导航定位精度，通过对惯性元件的技术指标进行分析对比，明确了这些器件的使用对象。通过对假定系统所给出的导航指标要求的综合分析，反向推算系统所要采用的陀螺仪和加速度计的精度和类型。该设计方法可以在实际惯导系统方案设计阶段来确定惯性元件的选型。

[1]谢烈金.库上利耶夫.激光陀螺及其应用[M].北京：航空工业出版社，2004.

[2]张桂才.光纤陀螺原理与技术[M].北京：国防工业出版社，2008.