慣性技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析

江嘉宇

（長(zhǎng)沙市雅禮中學(xué)，長(zhǎng)沙410007）

慣性技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析

江嘉宇

（長(zhǎng)沙市雅禮中學(xué)，長(zhǎng)沙410007）

慣性技術(shù)是一種綜合學(xué)科運(yùn)動(dòng)信息感知技術(shù)，慣性技術(shù)的核心和發(fā)展標(biāo)志就是慣性導(dǎo)航技術(shù)，本文主要針對(duì)慣性技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行綜合性分析。

慣性技術(shù)；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

1 慣性技術(shù)的研究現(xiàn)狀

慣性技術(shù)是以牛頓力學(xué)、光子電學(xué)為基礎(chǔ)的一門自主、實(shí)時(shí)、無(wú)時(shí)間地域環(huán)境限制的綜合學(xué)科運(yùn)動(dòng)信息感知技術(shù)。其涉及的領(lǐng)域包括航空航天、潛艇、導(dǎo)彈、測(cè)量等，屬于國(guó)防關(guān)鍵技術(shù)。

慣性技術(shù)的核心和發(fā)展標(biāo)志是慣性導(dǎo)航技術(shù)。導(dǎo)航技術(shù)利用慣性儀表同時(shí)測(cè)量載體運(yùn)動(dòng)的線加速度和角速度，實(shí)時(shí)算出載體的三位姿態(tài)、速度、位置等信息。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)主要有兩種——平臺(tái)式和捷聯(lián)式。平臺(tái)式主要跟蹤載體的物理平臺(tái)，通過(guò)平臺(tái)環(huán)架上的姿態(tài)角傳感器提供姿態(tài)信息；雖然該平臺(tái)可以不需要承受載體角運(yùn)動(dòng)的影響，測(cè)量的動(dòng)態(tài)誤差相對(duì)降低了，但是其也同時(shí)具有可靠性低、體積大、成本高、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)慣性平臺(tái)功能，而非物理平臺(tái)，姿態(tài)信息是通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算得來(lái)的。捷聯(lián)系統(tǒng)因無(wú)法通過(guò)隔離載體角運(yùn)動(dòng)來(lái)計(jì)算，故其有龐大的數(shù)據(jù)需要計(jì)算，對(duì)計(jì)算機(jī)的速度和容量要求比較高。相對(duì)于平臺(tái)技術(shù)，捷聯(lián)技術(shù)可靠性高、體積小、成本低、維護(hù)方便，也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)連接其他導(dǎo)航系統(tǒng)。捷聯(lián)系統(tǒng)已經(jīng)成為了現(xiàn)代慣性系統(tǒng)技術(shù)主要研究方案和發(fā)展趨勢(shì)。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以應(yīng)用在海陸空和地下等環(huán)境，具有信息全面、高度自主、優(yōu)良的隱蔽性、信息實(shí)時(shí)、信息連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是國(guó)防關(guān)鍵性技術(shù)，例如，在導(dǎo)彈的命中上70%的精度是取決于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。同時(shí)越來(lái)越多的民用領(lǐng)域也開始采用慣性技術(shù)，如地質(zhì)勘探、石油勘探、醫(yī)療設(shè)備，甚至是照相機(jī)手機(jī)也開始運(yùn)用慣性技術(shù)。

但是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差會(huì)隨著時(shí)間而積累，因此需要及時(shí)維護(hù)該系統(tǒng)，且維護(hù)成本較高。但是在幾次高科技的戰(zhàn)爭(zhēng)中表明，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相對(duì)其他導(dǎo)航系統(tǒng)是可以穿越強(qiáng)電磁的干擾，持續(xù)的、穩(wěn)定的在惡劣環(huán)境下進(jìn)行工作。

對(duì)慣性技術(shù)的需求日益更新，這對(duì)慣性技術(shù)的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)，也促進(jìn)了慣性技術(shù)往更多的方面思考，促使慣性技術(shù)在原理、方法、技術(shù)方面的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步。

慣性系統(tǒng)技術(shù)至今已經(jīng)發(fā)展了上百年，其主要核心儀表是陀螺儀和加速度計(jì)。其中陀螺儀表由于制作難度大，一直是慣性系統(tǒng)技術(shù)的重點(diǎn)研究對(duì)象。早期的慣性系統(tǒng)主要是平臺(tái)式的，對(duì)陀螺儀和計(jì)算機(jī)要求較低；現(xiàn)在的捷聯(lián)慣性系統(tǒng)提出了新的要求，需要“體積小、成本低、性能高”，故高精度光學(xué)陀螺儀逐漸運(yùn)用廣泛。我國(guó)的陀螺儀研制起步晚，但是進(jìn)步大。雖然我國(guó)的轉(zhuǎn)子式陀螺儀和MEMS慣性儀表還不及國(guó)際水平，但是我國(guó)的光學(xué)陀螺儀已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。在慣性系統(tǒng)的研究上，我國(guó)的滾珠軸承飛輪和磁懸浮軸承技術(shù)取得了飛躍式的進(jìn)展。

2 慣性技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)分析

由于各類的運(yùn)動(dòng)載體對(duì)慣性技術(shù)提出的新需求越來(lái)越多，所以慣性技術(shù)的思考方向和研究方向也變得寬闊。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究情況，慣性技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)大概可以分為以下幾個(gè)方面：

慣性儀表技術(shù)。由于轉(zhuǎn)子式陀螺儀和光學(xué)陀螺儀的精度和穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步的提高，故而新概念的慣性儀表不斷地提出，例如晶體光纖陀螺、MEMS陀螺等。總地來(lái)說(shuō)，這是對(duì)慣性儀表技術(shù)提出了新原理、新工藝的要求，促使慣性儀表技術(shù)向高精度小體積的方向發(fā)展。

慣性系統(tǒng)技術(shù)。由于慣性技術(shù)的國(guó)防方向和在一些環(huán)境惡劣的領(lǐng)域開始應(yīng)用，這就要求慣性技術(shù)在穩(wěn)定性和持續(xù)性上的性能越來(lái)越高。這個(gè)要求是要通過(guò)慣性系統(tǒng)的高精度、小體積、快速啟動(dòng)等功能實(shí)現(xiàn)。平臺(tái)式慣性系統(tǒng)通過(guò)其控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)慣性系統(tǒng)的穩(wěn)定性；捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)則通過(guò)數(shù)字化固態(tài)儀表和系統(tǒng)集成的一體化等技術(shù)使慣性系統(tǒng)達(dá)到應(yīng)用領(lǐng)域的新要求。隨著慣性系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)寬，該技術(shù)還將應(yīng)用于行星間的慣性導(dǎo)航理論。

慣性測(cè)試與實(shí)驗(yàn)技術(shù)：測(cè)試技術(shù)測(cè)定和準(zhǔn)確對(duì)慣性儀表和系統(tǒng)的誤差系數(shù)，對(duì)慣性系統(tǒng)使用性能的提高起著關(guān)鍵性的作用。準(zhǔn)確誤差系數(shù)對(duì)慣性儀表的精細(xì)化起著保障的作用，只有誤差系數(shù)確定好了，才能確保慣性儀器的性能一致。因此不斷發(fā)展慣性測(cè)試與實(shí)驗(yàn)技術(shù)，才能更好的發(fā)展慣性系統(tǒng)技術(shù)。

新材料的技術(shù)。由于慣性系統(tǒng)技術(shù)的要求逐漸提高，為了滿足慣性系統(tǒng)的新要求，除了需要新的原理和理論外，在儀器和元件的技術(shù)上也提出了新的要求。新材料的研究可以在技術(shù)上使得現(xiàn)有的平臺(tái)式和捷聯(lián)式慣性技術(shù)具有更好的穩(wěn)定性，其陀螺儀擁有更小的體積。新的理論出來(lái)了，就必須有新的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，新材料的技術(shù)是推動(dòng)慣性技術(shù)發(fā)展的重要因素。

［1］張炎華，王立端，戰(zhàn)興群，等.慣性導(dǎo)航技術(shù)的新進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)［J］.中國(guó)造船，2008，（S1）：298-299.

［2］楊曄，來(lái)琦，趙慧，等.八電極靜電陀螺支承系統(tǒng)的建模［J］.中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，（04）：56-57.

［3］楊國(guó)梁，王瑋，徐燁烽，等.旋轉(zhuǎn)調(diào)制式激光捷聯(lián)慣導(dǎo)安裝誤差分析與標(biāo)定［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，（02）：105-106.

［4］Gyurosi，Miroslav.Russia Develops Strap down Inertial Systems for Missiles［J］. Jane's Missiles and Rockets，2006，（11）：75-77.

Research Status and Development Trend Analysis of Inertial Technology

JIANG Jia-yu
(Changsha Yali Middle School,Changsha 410007,China)

Inertial technology is a comprehensive subject motion information and perception technology,the core and development of inertial technology is inertial navigation technology,this paper mainly focuses on the research status and development trend of inertial technology.

Inertial technology;Research status;Development trend

TN966

A

1674-8646（2015）09-0052-02

2015-06-19