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3. 1惯性级测量仪器 ? 惯性级（Inertial grade）测量仪器 ‰ 仪器的性能精度满足惯性系统最基本定位精度 要求的级别; ‰ 区别于“常规级”（Normal grade）仪器。 ? 惯性系统的定位精度的表示方法 ‰ 以惯性系统随时间积累的误差来表示，即规定 时间内积累的经纬度误差或航行距离误差。 2011-2012学年 31 惯性级陀螺仪 ? 陀螺 ‰ 陀螺漂移率<0.015 °/h ? 满足一般精度INS的要求 ‰ 1meru(milli-earth-rate-unit)=地球自转角速度的 千分之一千分之 ‰ 表征惯性级陀螺仪的最低精度： 0.01 °/h ? 当代陀螺的精度 ‰ 随机漂移率<10-3~10-5°/h ‰ 满足航空、航天和航海的需求。 2011-2012学年 33 惯性级加速度计 ‰ 零偏<10－4 g ‰ 飞机 ? 零位偏差10－4g ? 平均位置误差10－4RE≈0.64km 2011-2012学年 35
INS的精度要求 ? 标准的航空INS的定位误差 ‰ <1n mile/h ‰ 对陀螺漂移速率的要求：<0.015°/h ‰ 不同的运载体，不同的持续航行时间 ?对INS的精度要求不一样 ?对惯性仪器的精度要求不一样 2011-2012学年 32 陀螺仪应用 2011-2012学年 34 惯性级加速度计 ? 不同速度运载器的惯性系统对加速度计的 要求 ‰ 速度较慢的运载器 ? 对零位偏值要求很严； ? 对对 标度因素的稳定性的要求居于次要的地位的要求居于次要的地位。 ‰ 速度很高的运载器 ? 对标度因素的稳定性要求很严； ? 对零位偏值的要求居于次要的地位。 2011-2012学年 36 6
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惯性级加速度计 ‰ 弹道火箭 ? 火箭发动机关车时刻的速度与射程有重大关系。
1000km射程的火箭，关车时刻的速度测量误差 5×10－5m/s ? 射程误差2km ? 速度误差与标度因数直接相关 ? 对加速度计的标度因数、分辨率、零位偏值的要求很 高。 2011-2012学年 37 结论 ‰ 作为惯性级仪器，陀螺仪的漂移速率和加速度 计的零位偏值对惯性系统精度的影响不容忽视。 ‰ 仅满足上述两个指标的要求能成为性能优越的 惯性级仪器吗？ ? No！！！ ? 要与其它性能指标相配合。 2011-2012学年 39 4.1性能指标分类 ? 精度指标 （首要指标） ? 电气性能数据 ? 机械性能数据 ? 环境条件 ? 寿命和可靠性指标 2011-2012学年 41
加速度计应用 2011-2012学年 38 4.惯性仪器的性能指标 2011-2012学年 40 4.2陀螺的性能指标——精度指标 ? 阈值和分辨率 ‰ 阈值：陀螺能敏感的最小输入角速率。 ‰ 分辨率：陀螺仪在规定的输入角速率下，能敏感的最小 输入角速率增量，即由该最小输入角速率增量所产生的 输出增量，至少应该等于按标度因数所期望的输出增量 的50%，单位用rad/s表示。 2011-2012学年 42 7
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4.2陀螺的性能指标——精度指标 ? 标度因数及其误差 ‰ 标度因数：输出量与输入角速率的比值，反映陀螺灵敏 度的量。 ? 输出非线性误差 ? 零位输出零位输出 ‰ 在输入角速率为零时（即陀螺静止，这种静态情况下长 时间稳态输出是一个平稳的随机过程）陀螺仪的输出量。 ? 交叉耦合输出 2011-2012学年 43 4.2陀螺的性能指标——电气性能数据 ? 陀螺电动机电源的相数、电压、频率、电流和功 率； ? 信号器电源的电压、频率和标度因数； ? 力矩器的施矩电流、功率、阻抗和标度因数； ? 温度控制电源的电流和功率； ? 各电气参数的精度要求 2011-2012学年 45 4.2陀螺的性能指标——环境条件 ? 环境压力范围； ? 环境温度范围； ? 环境湿度范围； ? 振动； ? 冲击等。 2011-2012学年 47
4.2陀螺的性能指标——精度指标 ? G的零次方漂移速率 ? G的一次方漂移速率 ? G的二次方漂移速率 ? 随机漂移速率 ? 与时间有关的性能稳定性 ? 与重复启动有关的性能稳定性 2011-2012学年 44 4.2陀螺的性能指标——机械性能数据 ? 测量范围或转角自 ? 时间常数； 由度； ? 阻尼系数； ? 陀螺动量矩； ? 固有频率； ? 陀螺转子转动惯量； ? 启动启动、停转时间； ? 陀螺转子转速； ? 安装对准要求 2011-2012学年 46 4.2陀螺的性能指标—寿命和可靠性指标 ? 工作寿命； ? 启动次数； ? 平均故障间隔时间 ? 以上陀螺的性能指标同样适用于陀螺型加 速度计。 2011-2012学年 48 8
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2011-2012学年 49 4.3加速度计的性能指标——电气性能 ? 信号器电源的电压、频率、功率和标度因 数； ? 力矩器施矩电流、阻抗和标度因数； ? 温度控制元件的电流和功率 2011-2012学年 51 4.3加速度计的性能指标——其它 ? 环境条件 ? 同陀螺 ? 寿命和可靠性 ? 同陀螺 2011-2012学年 53
4.3加速度计的性能指标——精度指标 ? 阈值和分辨率； ? 零位偏值； ? 标度因数及其误差； ? 输出非线性误差； ? 交叉耦合误差； ? 随机误差； ? 与时间有关的性能稳定性； ? 与重复启动有关的性能稳定性 2011-2012学年 504.3加速度计的性能指标——机械性能 ? 测量范围； ? 摆块质量； ? 支承结构及刚度； ? 阻尼系数； ? 固有频率； ? 安装对准要求。 2011-2012学年 522011-2012学年 54 9
4.4 惯性级仪器性能精度的主要标志 ? 陀螺漂移速率 ‰ 单位时间内由于干扰力矩导致的动量矩矢量在 惯性空间内角位置变化的数值 ‰ 单位： °/h ? 加速度计零偏 ‰ 没有输入时，加速度计的非零输出 ‰ 单位：g,μg 2011-2012学年 55
4.4惯性级仪器性能精度的主要标志 ? 分辨率 ‰ 例： ? 地球半径 Re ＝ 6370km ? 过地心大圆的圆心角1’? 大圆弧长1n mile (1852m) ? 过地心大圆的圆心角1”? 大圆弧长100ft (30.48m) ‰ 定位精度300m的惯性系统，对惯性器件分辨率 的要求 ? 陀螺仪的分辨率是多少？ 10” (5×10-5rad) ? 加速度计的分辨率是多少？ 5×10-5g 2011-2012学年 57 5.惯性级仪器的测试技术 2011-2012学年 59
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4.4惯性级仪器性能精度的主要标志 ? 分辨率 仪器给出可靠信号时所能感测的输入量的最小 变化量。 ‰ 陀螺 ? 测量相对惯性空间的角偏差时，能输出可信赖信号的 角位移的最小值。 ? 单位: 度或弧度 ‰ 加速度计 ? 测量比力时，能输出可信赖信号的加速度变化的最小 值。 ? 单位：g 2011-2012学年 564.4惯性级仪器性能精度的主要标志 ? 注意 ‰ 陀螺仪 ? 分辨率适于说明惯性系统的短时间精度。 ? 漂移速率适用于长时间运行的惯性系统的精度分析。
2011-2012学年 585.1惯性仪器测试 通过实验方法评定惯性仪器主要性能指标时涉及 的相关技术问题 ‰ 误差数学模型 -------数据处理方法 ‰ 测试原理与方法-------测试方法设计 ‰ 测试设备与环境-------高精度测试设备的研制 2011-2012学年 60 10
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5.2惯性仪器的测试试验 ? 验收试验 本课程的重点 ? 与惯性系统精度相关的惯性仪器性能评定
‰ 分选生产线上的仪器以确保满足正常使用时的最低性能指标。 ? 标定试验 ‰ 确定具体仪器主要性能参数的数值。 ? 工程试验 ‰ 评价仪器在系统中使用时的性能水平，给出环境因素下产生影响 的有关因素。 ? 研究与发展试验 ‰ 研究仪器工作中所依赖的物理现象中各有关参数间的关系； ‰ 探索提高仪器性能水平的各种可能构造与方案。 2011-2012学年 61
5.3测试工作过程 ? 建立与测试要求相应的可测量和可控制的 实验环境； ? 给仪器加上精确控制的输入； ? 准确记录仪器的相关输出； ? 确定仪器输入输出间的关系式和传递函数， 并算出测试结果的可信赖程度，评定仪器 的真实性能水平。 2011-2012学年 63 本章需要掌握的内容 ? 惯性系统的基本构成 ? 惯性级仪器的特殊性能要求 ? 惯性仪器的测试与建模的基本及特殊问题 2011-2012学年 65
‰ 静态误差特性 ‰ 载体运动引起的动态误差特性 ‰ 随机误差特性 ? 数据的建模方法 ‰ 确定性数据的建模方法 ‰ 随机性数据的建模方法 2011-2012学年 625.4惯性级仪器测试的特殊性 ? 例：惯性级陀螺漂移速率测试 漂移速率 0.01 °/h 0.0005 °/h 每天漂移角 0.24°（14.4’ ）0.2’ 转360°用时 4.11年 82年 测试高精度的惯性仪器必须要有高精度的 测试设备和方法与之匹配。 2011-2012学年 64 本讲结束 请预习下一讲内容：惯性仪器的误差数学模型 见书本：第见书本 1616 页至3838 页 2011-2012学年 66 11