牛顿力学在惯性导航系统中的应用研究

发布时间：2019-03-02所属分类：科技论文浏览：1次

摘 要： 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

　　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。