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摘 要： 摘要：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將牛頓力學(xué)定律作為基礎(chǔ)，進(jìn)行自主測量以及運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)的控制，在飛機(jī)、潛艇等運(yùn)輸工具與導(dǎo)彈中的應(yīng)用十分廣泛。基于此，將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為研究對(duì)象，分析了牛頓力學(xué)的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：牛頓力學(xué),慣性導(dǎo)航系統(tǒng),慣性空間 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要通
摘要：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將牛頓力學(xué)定律作為基礎(chǔ)，進(jìn)行自主測量以及運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)的控制，在飛機(jī)、潛艇等運(yùn)輸工具與導(dǎo)彈中的應(yīng)用十分廣泛。基于此，將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為研究對(duì)象，分析了牛頓力學(xué)的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：牛頓力學(xué),慣性導(dǎo)航系統(tǒng),慣性空間
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要通過陀螺和加速計(jì)進(jìn)行導(dǎo)航參數(shù)解算，通過陀螺儀的輸出建立相應(yīng)的導(dǎo)航坐標(biāo)系，通過加速計(jì)計(jì)算物體的在導(dǎo)航坐標(biāo)系中位置及其運(yùn)動(dòng)速度。將牛頓力學(xué)作為基礎(chǔ)，得出載體在慣性參考系中運(yùn)行的加速度，并將其轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，以此明確載體的位置、偏航角以及運(yùn)行速度等信息，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。在上述工作原理的支持下，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以應(yīng)用于多種環(huán)境中，屬于自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，具備較強(qiáng)的導(dǎo)航能力。
1牛頓力學(xué)在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用理論
基于牛頓力學(xué)，物體的運(yùn)動(dòng)具有相對(duì)性，參照物的不同會(huì)使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)出現(xiàn)變化。牛頓第二定律指出了物體運(yùn)動(dòng)、質(zhì)量和受力間的關(guān)系，提出了慣性空間這一參照系，牛頓第二定律中描述的運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)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(yuǎn)點(diǎn)，進(jìn)行慣性坐標(biāo)系的建立，形成太陽中心慣性坐標(biāo)系，但是因?yàn)樘栐谶\(yùn)動(dòng)過程中也具備一定的運(yùn)動(dòng)角速度，該慣性坐標(biāo)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(duì)的參照系，被稱作非慣性參照系，主要是指具備運(yùn)動(dòng)加速度的參照系，而這運(yùn)動(dòng)加速度滿足牛頓第二定律。將地理坐標(biāo)系為例，分析慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中坐標(biāo)系的應(yīng)用。
第一，慣性坐標(biāo)系，如果在衛(wèi)星中應(yīng)用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，采用的坐標(biāo)系即為太陽中心慣性坐標(biāo)系，如果載體在地球附近運(yùn)動(dòng)，則可以采用地球中心慣性坐標(biāo)系;第二，地理坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系是將被測物體位于地球表面的位置作為原點(diǎn)，該坐標(biāo)系常用于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的指北方位平臺(tái);第三，地球直角坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系是將橢球中心作為原點(diǎn)，該坐標(biāo)系不屬于慣性系，會(huì)隨著地球的轉(zhuǎn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)[1]。
2牛頓力學(xué)在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例
2.1陀螺儀分析
在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，陀螺儀是應(yīng)用牛頓力學(xué)的關(guān)鍵敏感器件，陀螺儀主要是指一種繞物理對(duì)稱軸高速旋轉(zhuǎn)的剛體。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，陀螺儀能夠在高速旋轉(zhuǎn)的過程中保持轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定性。大量實(shí)踐研究表明，將高速旋轉(zhuǎn)的陀螺放置于木板上，如果將木板傾斜，陀螺的轉(zhuǎn)軸不會(huì)出現(xiàn)變化;如果將陀螺拋到空中，陀螺的轉(zhuǎn)軸也不會(huì)出現(xiàn)變化。
陀螺儀的特點(diǎn)使其在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中負(fù)責(zé)測量角運(yùn)動(dòng)，陀螺儀的動(dòng)量矩敏感殼體能夠測量相對(duì)于慣性空間、繞一個(gè)或者兩個(gè)自轉(zhuǎn)軸的角運(yùn)動(dòng)。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(xué)的應(yīng)用。
2.2牛頓力學(xué)在陀螺儀中的應(yīng)用
在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，陀螺儀具備顯著的穩(wěn)定性及進(jìn)動(dòng)性，穩(wěn)定性主要是指陀螺儀的轉(zhuǎn)子在繞自轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)的過程中，會(huì)產(chǎn)生一定的動(dòng)量矩，只要沒有外力距的作用，其自轉(zhuǎn)軸就能夠保持不變的相對(duì)慣性空間方向。在陀螺儀應(yīng)用的過程中，其穩(wěn)定性和動(dòng)量矩有直接的關(guān)系。根據(jù)剛體慣性力矩的計(jì)算公式可知，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增加，角速度就越大，產(chǎn)生的動(dòng)量矩也增加，使陀螺儀具備更高的穩(wěn)定性。
對(duì)于三自由度陀螺儀而言，其穩(wěn)定性還會(huì)受到三個(gè)軸相互垂直狀況的影響。進(jìn)動(dòng)性主要是指如果向陀螺儀施加一定的外力矩，其動(dòng)量矩將會(huì)相對(duì)于慣性空間進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。一般來說，在外力矩的作用下，陀螺儀會(huì)在和外力矩作用平面垂直的平面內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，陀螺儀具體的進(jìn)動(dòng)方向是外力矩沿轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)90°的方向。
對(duì)于三自由度陀螺儀而言，如果施加的外力矩是通過內(nèi)框軸作用于陀螺儀中，動(dòng)量矩會(huì)進(jìn)行繞外框軸的運(yùn)動(dòng);如果施加的外力矩是通過外框軸作用于陀螺儀中，動(dòng)量矩會(huì)進(jìn)行繞內(nèi)框軸的運(yùn)動(dòng)。另外，因?yàn)榈厍蛳鄬?duì)于慣性空間進(jìn)行自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸是保持不變的，所以在地球參考坐標(biāo)系中，陀螺儀會(huì)進(jìn)行視在運(yùn)動(dòng)。
基于這一特點(diǎn)，在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用過程中，如果要將被測量物體的所在地看做是測量基準(zhǔn)，需要向陀螺儀施加一定的外力矩，從而使自轉(zhuǎn)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(dǎo)航系統(tǒng)是將牛頓力學(xué)定律作為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)載體位置及速度等參數(shù)信息的導(dǎo)航。通過分析可知，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)載體的導(dǎo)航，導(dǎo)航效果較為理想。在未來的發(fā)展中，新型慣性敏感器件的研發(fā)，將會(huì)拓寬慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，使其在各個(gè)行業(yè)得到應(yīng)用，促進(jìn)國防現(xiàn)代化發(fā)展，帶動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1]夏烆光.慣性參考系與牛頓力學(xué)的適用范圍探索——剖析狹義相對(duì)論的邏輯謬誤與概念錯(cuò)誤[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2014(9)：49-51.
[2]陳方培.牛頓力學(xué)中的慣性質(zhì)量與狹義相對(duì)論中的慣性質(zhì)量[J].大學(xué)物理，2011(1)：26-28.
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