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陀螺仪在卫星导航中应用


惯性器件是陀螺和加速度计以及由它们组成的惯性测量装置和系统的总称。它们主要用于测量载体相对于惯性空间的角运动和线运动, 是运动载体的核心信息源。

惯性器件的设计、生产、试验、装备以及应用技术统称为惯性技术。惯性技术是军事现代化的关键,这是世界公认的尖端军事技术之一。惯性器件以其全自主、短期精度高、实时性好等优点在航空、航天、航海、陆地导航等领域得到了广泛地应用, 在现代化高技术武器装备中, 充分地显示出了特有的优势。惯性技术作为综合作战能力的重要支撑技术, 显然是不可取代的, 这样也确立了它在未来战争中的重要地位。

飞轮是具有可控动量矩的机电装置, 核心是高速旋转刚体, 利用它进行动量矩交换。飞轮是执行机构, 不是惯性敏感器, 所以它不是惯性器件, 但是它属于惯性技术范畴。

21世纪世界航天技术总的发展趋势可能是: 天地一体化,军民一体化, 合作国际化, 卫星领域里将向着长寿命、高可靠、低成本方向发展, 同时微小卫星将获得很大发展, 深空探测将以月球和火星探测为主, 载人航天将以国际空间站为重要舞台, 航天运载器将朝着高能、无污染、大推力、低成本的方向迈进。与此同时,以惯性技术为代表的一系列高技术在航天领域更深层次和更广范围的应用,将极为有效地推动和加快航天技术发展的步伐。
 
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在卫星应用当中, 主要是采用陀螺仪组成的惯性测量单元( 陀螺组合, 在特殊应用条件下也采用加速度计) 与光学敏感器( 如红外地平仪, 太阳敏感器和星敏感器等) 共同组成卫星的姿态测量系统。利用陀螺瞬时测量精度高和光学敏感器没有累积误差的特性, 相辅相成, 共同得到卫星持续的高精度的姿态和姿态角速率测量信息。卫星除了要求陀螺有较高的精度、耐冲击、耐强振、小体积、低功耗外, 还要求长寿命及高可靠. 又因其需要长期工作在空间环境中, 必须经受太空粒子的辐射和真空环境的考验。

可以用在卫星上的陀螺种类很多, 按照工作原理来分, 有机械陀螺( 液浮、挠性、静电)、光学陀螺( 激光、光纤)、微机械陀螺( 硅微陀螺、石英陀螺) 和其它类型陀螺( 静电陀螺、半球谐振陀螺)。其时间发展历程依次是气浮和液浮陀螺、动力调谐陀螺、激光和光纤陀螺、微机械和石英半球谐振陀螺等. 国外液浮、气浮、静电和动力调谐陀螺仪的技术非常成熟, 应用非常广泛。在航天应用方面,美国和法国的激光陀螺技术已应用到航空、航天上, 多数组成捷连系统, 零偏稳定性好。光纤陀螺是捷连系统的最佳器件, 而且易于集成化,因而具有极强的竞争力, 在国外卫星上已有成功的应用先例, 前景非常广阔。三轴化、集成化、数字化、模块化是光纤陀螺的发展方向。硅微惯性器件属中低精度水平, 在微小卫星、低精度卫星上必将有广阔的应用前景。从目前来看, 光纤陀螺、微机械陀螺、半球谐振陀螺应是未来空间应用( 寿命大于巧年) 陀螺的发展方向。国外新型惯性器件( 激光、光纤、半球谐振) 已经达到工程实用的水平, 美国、法国、俄罗斯各种新型陀螺相继投入了型号的应用。如应用光纤、激光陀螺的Clelennt月球探测器; 应用半球谐振陀螺的NEAR宇宙探测器和AZ100、Cassiin宇宙飞船等。国内在新型惯性陀螺及飞轮的研制方面与国外水平相比差距比较大,新型惯性器件有的处于原理向工程化转化阶段, 有的还处于实验室研究阶段。
 

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