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牛顿力学在惯性导航系统中的应用研究

发布时间:2019-03-02 14:52所属分类:理工论文浏览:1

摘要:惯性导航系统将牛顿力学定律作为基础,进行自主测量以及运载体运动的控制,在飞机、潜艇等运输工具与导弹中的应用十分广泛。基于此,将惯性导航系统作为研究对象,分析了牛顿力学的应用。 关键词:牛顿力学,惯性导航系统,惯性空间 惯性导航系统主要通

  摘要:惯性导航系统将牛顿力学定律作为基础,进行自主测量以及运载体运动的控制,在飞机、潜艇等运输工具与导弹中的应用十分广泛。基于此,将惯性导航系统作为研究对象,分析了牛顿力学的应用。

  关键词:牛顿力学,惯性导航系统,惯性空间

物理与工程

  惯性导航系统主要通过陀螺和加速计进行导航参数解算,通过陀螺仪的输出建立相应的导航坐标系,通过加速计计算物体的在导航坐标系中位置及其运动速度。将牛顿力学作为基础,得出载体在惯性参考系中运行的加速度,并将其转换到导航坐标系中,以此明确载体的位置、偏航角以及运行速度等信息,从而实现导航。在上述工作原理的支持下,惯性导航系统可以应用于多种环境中,属于自主式导航系统,具备较强的导航能力。

  1牛顿力学在惯性导航系统中的应用理论

  基于牛顿力学,物体的运动具有相对性,参照物的不同会使物体的运动状态出现变化。牛顿第二定律指出了物体运动、质量和受力间的关系,提出了惯性空间这一参照系,牛顿第二定律中描述的运动都是相对惯性空间而言的。在惯性空间中,常用的惯性参照系有太阳和地球这两种,将太阳中心作为远点,进行惯性坐标系的建立,形成太阳中心惯性坐标系,但是因为太阳在运动过程中也具备一定的运动角速度,该惯性坐标系存在一定的误差。

  另外,惯性空间中还存在与惯性参照系相对的参照系,被称作非惯性参照系,主要是指具备运动加速度的参照系,而这运动加速度满足牛顿第二定律。将地理坐标系为例,分析惯性导航系统中坐标系的应用。

  第一,惯性坐标系,如果在卫星中应用惯性导航系统,采用的坐标系即为太阳中心惯性坐标系,如果载体在地球附近运动,则可以采用地球中心惯性坐标系;第二,地理坐标系,该坐标系是将被测物体位于地球表面的位置作为原点,该坐标系常用于惯性导航系统的指北方位平台;第三,地球直角坐标系,该坐标系是将椭球中心作为原点,该坐标系不属于惯性系,会随着地球的转动而运动[1]。

  2牛顿力学在惯性导航系统中的应用实例

  2.1陀螺仪分析

  在惯性导航系统中,陀螺仪是应用牛顿力学的关键敏感器件,陀螺仪主要是指一种绕物理对称轴高速旋转的刚体。在实际的应用过程中,陀螺仪能够在高速旋转的过程中保持转轴的稳定性。大量实践研究表明,将高速旋转的陀螺放置于木板上,如果将木板倾斜,陀螺的转轴不会出现变化;如果将陀螺抛到空中,陀螺的转轴也不会出现变化。

  陀螺仪的特点使其在惯性导航系统中负责测量角运动,陀螺仪的动量矩敏感壳体能够测量相对于惯性空间、绕一个或者两个自转轴的角运动。一般来说,陀螺仪主要包括二自由度以及三自由度这两种,本文将三自由度陀螺仪为例,分析牛顿力学的应用。

  2.2牛顿力学在陀螺仪中的应用

  在惯性导航系统中,陀螺仪具备显著的稳定性及进动性,稳定性主要是指陀螺仪的转子在绕自转子进行高速旋转的过程中,会产生一定的动量矩,只要没有外力距的作用,其自转轴就能够保持不变的相对惯性空间方向。在陀螺仪应用的过程中,其稳定性和动量矩有直接的关系。根据刚体惯性力矩的计算公式可知,随着转动惯量的增加,角速度就越大,产生的动量矩也增加,使陀螺仪具备更高的稳定性。

  对于三自由度陀螺仪而言,其稳定性还会受到三个轴相互垂直状况的影响。进动性主要是指如果向陀螺仪施加一定的外力矩,其动量矩将会相对于惯性空间进行转动。一般来说,在外力矩的作用下,陀螺仪会在和外力矩作用平面垂直的平面内进行运动,陀螺仪具体的进动方向是外力矩沿转子自转方向旋转90°的方向。

  对于三自由度陀螺仪而言,如果施加的外力矩是通过内框轴作用于陀螺仪中,动量矩会进行绕外框轴的运动;如果施加的外力矩是通过外框轴作用于陀螺仪中,动量矩会进行绕内框轴的运动。另外,因为地球相对于惯性空间进行自转运动,而陀螺仪的自转轴是保持不变的,所以在地球参考坐标系中,陀螺仪会进行视在运动。

  基于这一特点,在惯性导航系统应用过程中,如果要将被测量物体的所在地看做是测量基准,需要向陀螺仪施加一定的外力矩,从而使自转轴和被测量物体所在地的子午线以及垂线变化保持一致[2]。

  综上所述,惯性导航系统是将牛顿力学定律作为基础,实现载体位置及速度等参数信息的导航。通过分析可知,惯性导航系统通过惯性空间参照系的建立,明确载体的位置及速度等信息,从而实现载体的导航,导航效果较为理想。在未来的发展中,新型惯性敏感器件的研发,将会拓宽惯性导航系统的应用范围,使其在各个行业得到应用,促进国防现代化发展,带动国民经济的发展。

  参考文献

  [1]夏烆光.惯性参考系与牛顿力学的适用范围探索——剖析狭义相对论的逻辑谬误与概念错误[J].产业与科技论坛,2014(9):49-51.

  [2]陈方培.牛顿力学中的惯性质量与狭义相对论中的惯性质量[J].大学物理,2011(1):26-28.

  物理论文投稿期刊:《物理与工程》杂志是教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会主管,清华大学承办的物理类学术期刊。创刊于1981年。本刊自创刊以来一直本着为全国大中专院校物理教师、广大科技工作者和相关人员服务的原则,积极进取,不断创新,得到广大读者的好评。

  

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