牛頓力學在慣性導航系統中的應用研究

發布時間：2019-03-02所屬分類：科技論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：慣性導航系統將牛頓力學定律作為基礎，進行自主測量以及運載體運動的控制，在飛機、潛艇等運輸工具與導彈中的應用十分廣泛�；�于此，將慣性導航系統作為研究對象，分析了牛頓力學的應用。 關鍵詞：牛頓力學,慣性導航系統,慣性空間 慣性導航系統主要通

　　摘要：慣性導航系統將牛頓力學定律作為基礎，進行自主測量以及運載體運動的控制，在飛機、潛艇等運輸工具與導彈中的應用十分廣泛�；�于此，將慣性導航系統作為研究對象，分析了牛頓力學的應用。

　　關鍵詞：牛頓力學,慣性導航系統,慣性空間

　　慣性導航系統主要通過陀螺和加速計進行導航參數解算，通過陀螺儀的輸出建立相應的導航坐標系，通過加速計計算物體的在導航坐標系中位置及其運動速度。將牛頓力學作為基礎，得出載體在慣性參考系中運行的加速度，并將其轉換到導航坐標系中，以此明確載體的位置、偏航角以及運行速度等信息，從而實現導航。在上述工作原理的支持下，慣性導航系統可以應用于多種環境中，屬于自主式導航系統，具備較強的導航能力。

　　1牛頓力學在慣性導航系統中的應用理論

　　基于牛頓力學，物體的運動具有相對性，參照物的不同會使物體的運動狀態出現變化。牛頓第二定律指出了物體運動、質量和受力間的關系，提出了慣性空間這一參照系，牛頓第二定律中描述的運動都是相對慣性空間而言的。在慣性空間中，常用的慣性參照系有太陽和地球這兩種，將太陽中心作為遠點，進行慣性坐標系的建立，形成太陽中心慣性坐標系，但是因為太陽在運動過程中也具備一定的運動角速度，該慣性坐標系存在一定的誤差。

　　另外，慣性空間中還存在與慣性參照系相對的參照系，被稱作非慣性參照系，主要是指具備運動加速度的參照系，而這運動加速度滿足牛頓第二定律。將地理坐標系為例，分析慣性導航系統中坐標系的應用。

　　第一，慣性坐標系，如果在衛星中應用慣性導航系統，采用的坐標系即為太陽中心慣性坐標系，如果載體在地球附近運動，則可以采用地球中心慣性坐標系;第二，地理坐標系，該坐標系是將被測物體位于地球表面的位置作為原點，該坐標系常用于慣性導航系統的指北方位平臺;第三，地球直角坐標系，該坐標系是將橢球中心作為原點，該坐標系不屬于慣性系，會隨著地球的轉動而運動[1]。

　　2牛頓力學在慣性導航系統中的應用實例

　　2.1陀螺儀分析

　　在慣性導航系統中，陀螺儀是應用牛頓力學的關鍵敏感器件，陀螺儀主要是指一種繞物理對稱軸高速旋轉的剛體。在實際的應用過程中，陀螺儀能夠在高速旋轉的過程中保持轉軸的穩定性。大量實踐研究表明，將高速旋轉的陀螺放置于木板上，如果將木板傾斜，陀螺的轉軸不會出現變化;如果將陀螺拋到空中，陀螺的轉軸也不會出現變化。

　　陀螺儀的特點使其在慣性導航系統中負責測量角運動，陀螺儀的動量矩敏感殼體能夠測量相對于慣性空間、繞一個或者兩個自轉軸的角運動。一般來說，陀螺儀主要包括二自由度以及三自由度這兩種，本文將三自由度陀螺儀為例，分析牛頓力學的應用。

　　2.2牛頓力學在陀螺儀中的應用

　　在慣性導航系統中，陀螺儀具備顯著的穩定性及進動性，穩定性主要是指陀螺儀的轉子在繞自轉子進行高速旋轉的過程中，會產生一定的動量矩，只要沒有外力距的作用，其自轉軸就能夠保持不變的相對慣性空間方向。在陀螺儀應用的過程中，其穩定性和動量矩有直接的關系。根據剛體慣性力矩的計算公式可知，隨著轉動慣量的增加，角速度就越大，產生的動量矩也增加，使陀螺儀具備更高的穩定性。

　　對于三自由度陀螺儀而言，其穩定性還會受到三個軸相互垂直狀況的影響。進動性主要是指如果向陀螺儀施加一定的外力矩，其動量矩將會相對于慣性空間進行轉動。一般來說，在外力矩的作用下，陀螺儀會在和外力矩作用平面垂直的平面內進行運動，陀螺儀具體的進動方向是外力矩沿轉子自轉方向旋轉90°的方向。

　　對于三自由度陀螺儀而言，如果施加的外力矩是通過內框軸作用于陀螺儀中，動量矩會進行繞外框軸的運動;如果施加的外力矩是通過外框軸作用于陀螺儀中，動量矩會進行繞內框軸的運動。另外，因為地球相對于慣性空間進行自轉運動，而陀螺儀的自轉軸是保持不變的，所以在地球參考坐標系中，陀螺儀會進行視在運動。

　　基于這一特點，在慣性導航系統應用過程中，如果要將被測量物體的所在地看做是測量基準，需要向陀螺儀施加一定的外力矩，從而使自轉軸和被測量物體所在地的子午線以及垂線變化保持一致[2]。

　　綜上所述，慣性導航系統是將牛頓力學定律作為基礎，實現載體位置及速度等參數信息的導航。通過分析可知，慣性導航系統通過慣性空間參照系的建立，明確載體的位置及速度等信息，從而實現載體的導航，導航效果較為理想。在未來的發展中，新型慣性敏感器件的研發，將會拓寬慣性導航系統的應用范圍，使其在各個行業得到應用，促進國防現代化發展，帶動國民經濟的發展。

　　參考文獻

　　[1]夏烆光.慣性參考系與牛頓力學的適用范圍探索——剖析狹義相對論的邏輯謬誤與概念錯誤[J].產業與科技論壇，2014(9)：49-51.

　　[2]陳方培.牛頓力學中的慣性質量與狹義相對論中的慣性質量[J].大學物理，2011(1)：26-28.

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