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惯性测量系统
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惯性测量系统
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利用陀螺仪、加速度计等惯性敏感元件和电子计算机，实时测量运载体相对于地面运动的加速度，以确定运载体的位置和地球重力场参数的组合仪器。这种系统是在惯性导航系统的基础上发展起来的，按所采用的导航坐标系统分为两大类：当地水平惯性系统和空间稳定系统。一般多采用第一类的当地水平指北惯性系统。
组成整个系统安装在运载体(汽车或直升飞机)上，主要包括惯性测量装置（其核心为加速度计、陀螺仪和万向支架）、电子计算机、控制显示器、数据存储记录器和电源（见图）。
测量的基本原理以当地水平指北系统为例，在陀螺仪GE、GN、GZ和电子计算机控制下,惯性平台始终保持地平坐标系,安装在平台上的3个互相正交的加速度计AE、AN、AZ,分别测出沿东西、南北和垂直方向的加速度分量ɑE、ɑN、ɑZ,并输入计算机。在消除加速度计误差、重力加速度和由于地球自转产生的科里奥利加速度影响后，得出运载体相对地平坐标系的位移加速度分量,再就t（从起始点到待测点的时间）进行两次积分，并考虑初始速度值v0N、v0E、v0Z，就可解算出相对前一起始点的坐标变化量，同相应起始点的经度λ0、纬度嗘0和高程h0累加，就得到待定点的坐标λ、嗘和h：
data/attachment/portal/201111/06/090825y555qafz51nfn4qi.gif电子计算机除了用观测数据计算点位坐标外，还根据一次积分后的速度分量和已知地球参数（仪器所在点的地球子午圈和卯酉圈曲率半径M和N，地球自转角速度ω），连续计算控制惯性平台的力矩信号WcE、WcN和WcZ，以便实时跟踪所选定的地平坐标系。
垂直加速度计的输出信号ɑZ，实际是运载体垂直加速度与当地的重力加速度之和。当运载体停止时，它的垂直加速度为零,这时从ɑZ中消除非重力加速度之后,就得到当地的重力加速度g。
运载体在运动过程中，由计算机通过陀螺仪控制惯性平台，不断地按参考椭球面的曲率进动。由于加速度计误差、陀螺仪漂移和垂线偏差变化等因素的影响，运载体到达待测点停止时,平台将不平行于当地水平面,两个水平加速度计的输出不等于零。消除加速度计误差和陀螺仪漂移后，就得到相对于前一点的垂线偏差变化分量Δζ和Δη的输出，加上前一点已知的垂线偏差分量ζ0和η0，便得出待测点的垂线偏差分量ζ和η。
惯性平台的指北方位基准由方位传感器传递，经计算机可随时显示平台外壳光学镜面法线的方位角Q,需要时可用自准直光学经纬仪引出。
精度惯性测量的精度主要受加速度计和陀螺仪的影响，70年代以来，加速度计的测量精度为1×10-5～1×10-7伽；陀螺仪随机漂移率约为10-4～10-6ω,它使测量误差随测量时间的延长而增加。因此，在行进过程中，采用运载体每隔相等时间停下来的方法，以提高测量精度。当运载体停止时，其运动加速度和速度应精确为零，利用这一信息，可以检核和改正前段随时间积累的误差，这一操作称为“零速更新”。在测量时，通常每隔3～5分钟停20～30秒钟，进行一次零速更新。由于惯性测量系统采用了这种独特的方法，使定位精度比惯性导航系统高得多。70年代末,惯性测量系统能达到的精度是:平面位置中误差为±0.5米,高程中误差为±0.2米,重力加速度的中误差为±2毫伽，垂线偏差的中误差为±1.5″。如果用这种系统布设直伸导线，并构成导线网，进行平差后,精度还可以提高。与其他高精度测量方法比较,惯性测量系统的精度仍然偏低，目前只适用于在已知高级控制点之间进行加密。
测量方法一般用惯性测量系统进行导线测量，首先在实验室和野外检定场检测该系统是否正常，并标定有关参数。在测量导线开始时，惯性测量系统先停在已知起始点，完成初始对准，再一次检测系统，建立平台地平坐标系，并输入已知起始点坐标和当地重力场参数，然后开始导线测量。施测时，每隔相等时间进行“零速更新”，到达待测点停下来自动记录坐标值和其他参数。如此继续测量，直到闭合到已知终点。若有些待测点的位置不便靠近，可利用测距仪和经纬仪测量偏心值，并归算到待测点上。
特点和发展趋势安装在运载体上的惯性测量系统，不依赖外界的其他辅助设备，能快速而独立地测量λ、嗘、h、g、ζ、η和Q等多种定位和地球重力场参数，使作业效率大大提高。该系统可以全天候工作，不受大气折射的影响，不要求相邻待测点之间通视，克服了传统大地测量所受的自然条件的限制。因此，惯性测量系统为大地控制网的加密和快速定位开辟了新的途径。80年代以来,在系统上加装重力梯度仪,并配合卫星多普勒定位，还可进一步提高测量精度和工作效率。惯性测量系统的缺点是仪器结构复杂,造价较高,维护工作繁重。但它仍是一种能满足军事测绘要求的全天候快速测量仪器。
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