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第四章 惯性导航系统 4.1 陀螺仪和加速度计 4.2 惯性导航系统 4.3 惯性导航系统的使用 4.1 陀螺仪和加速度计 4.1.1 陀螺仪的分类、应用和发展概况 一、陀螺仪的分类 陀螺仪（gyroscope或gyro）是敏感壳体相对惯性空间的角运动的装置。 陀螺仪于100多年前问世。 最初的陀螺仪是由高速旋转的刚体转子（具有自转动量矩）支承在框架上而构成的,”陀螺”因此而得名。 到目前为止，发现了数十种物理效应可以被用来敏感相对于惯性空间的角运动。 陀螺仪可以分为两大类： 一、以经典力学为基础 二、以近代物理学为基础 以经典力学为基础的陀螺仪： 刚体转子陀螺仪 流体转子陀螺仪 振动陀螺仪 以近代物理学为基础的陀螺仪： 激光陀螺仪 光纤陀螺仪 核磁共振陀螺仪 超导陀螺仪 刚体转子陀螺仪 刚体转子陀螺仪是把绕自转轴高速旋转的刚体转子支承起来，使自转轴获得转动自由度。 刚体转子陀螺仪的分类 按自转轴相对壳体具有转动自由度的数目分类，可分为： 二自由度陀螺仪 单自由度陀螺仪 按转子支承方式的不同分类： 框架陀螺仪 液浮陀螺仪 气浮陀螺仪 动力调谐陀螺仪 静电陀螺仪 在刚体转子陀螺仪中，最先采用的是由框架装置来支承的方式。直到目前，这种结构的陀螺仪在航空陀螺仪表、飞行控制系统、战术导弹制导系统以及许多场合中仍被广泛应用。但因框架轴上的轴承存在较大的摩擦力矩，不可能使陀螺仪达到高的精度。 液浮陀螺仪： 为了满足惯性导航系统和惯性制导系统对陀螺仪的精度要求，传统的技术途径是把二自由度陀螺仪或单自由度陀螺仪的框架做成薄壁密封浮子，并由浮液的浮力来支承浮子组件，此称为液浮陀螺仪。 气浮陀螺仪： 对于单自由度陀螺仪，还可采用气体静压悬浮技术作支承。 提高刚体转子陀螺仪精度的另一技术途径，是革除其框架装置，而采用各种特殊的支承方法来支承转子。 动压气浮陀螺仪： 应用转子高速旋转时产生的气体动压来支承转子。 动力调谐陀螺仪： 利用动力调谐的挠性头来支承转子。 静电陀螺仪： 采用在真空腔内的静电悬浮来支承转子。 流体转子陀螺仪： 其转子不是固体材料，而是在特殊容器内按一定速度旋转的流体。 振动陀螺仪： 其主体是一个作高频振动的音叉、梁或轴对称壳。它有音叉振动陀螺仪、压电振动陀螺陀螺仪、和壳体谐振陀螺仪等类型。 激光陀螺仪： 其主体是一个环形谐振腔，在谐振腔的环路中有沿正反方向绕行的激光束。 光纤陀螺仪： 其工作原理与激光陀螺仪相似，但它是用光纤线圈构成激光传播的通路。 按陀螺仪的精度进行分类： 惯性级陀螺仪 次惯性级陀螺仪 常规陀螺仪 惯性级陀螺仪： 随机漂移率达到0.01度/小时，可以满足惯性导航精度要求的。 目前，能达到惯性级陀螺仪精度要求的陀螺仪有： 液浮陀螺仪、气浮陀螺仪、动力调谐陀螺仪、静电陀螺仪、球谐振陀螺仪、激光陀螺仪和光纤陀螺仪等 二、陀螺仪的应用 三、激光陀螺仪 1、激光陀螺仪的工作原理 激光陀螺仪是基于Sagnac效应而发展起来的一种光学陀螺仪。它的主体是一个环形谐振腔，谐振腔环路中有沿相反方向传播的两束激光，通过测量两束激光的频率差即可获得被测角速度。 2、激光陀螺仪的优点 ? 结构简单，一般只由十几个零件组成 ? 性能稳定，它的腔体由高稳定性的材料制成，保证了标度因数的极高稳定性 ? 动态范围宽，测量角速度的范围可达0.001°/h~400°/s，甚至更大 ? 仪表启动快，仅需零点几秒即可投入工作，可以说是瞬时启动 ? 反应时间短，在角速度输入时可以说是瞬态反映 ? 对加速度和振动不敏感，且可承受大的过载 ? 可靠性高，平均故障间隔时间已超过数千小 时；使用寿命长，可达数万小时 ? 直接数字输出，便于与计算机连接 3、激光陀螺仪的发展和现状 ? 1960年随着红宝石固体激光器和氦氖气体激光器相继问世之后，各国开始进行激光陀螺仪的研制工作 ? 1963年美国Sperry公司研制出第一台样机 ? 70年代中期，达到0.01°/h的随机漂移率 ? 80年代初期，由激光陀螺仪构成的捷联式惯性导航系统被波音747和F-20战斗机使用 ? 目前激光陀螺仪的随机漂移率最低可达0.001°/h 4、激光陀螺仪的工作原理和结构组成 （1）Sagnac干涉仪原理 当干涉仪相对惯性空间无转动时，相反方向转播的两束光绕行一周的光程相等，都等于干涉仪环路周长。这两束光绕行一周的时间亦相等。在此情况，由两束光经过相应的发射和透射同时射