组合导航综合设计.doc
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组合导航综合设计.doc
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组合导航系统综合设计总结报告
一、引言
1.1陀螺和加表的发展概况
惯性导航是一种高精度的自主导航系统,它依靠系统内按正交坐标系配置的陀螺仪和加速度计感知运载体的运动信息,通过计算确定载体的位置、航向、姿态,以此作为控制参数实现系统功能。
惯性导航的主要器件是惯性仪表——陀螺仪和加速度计。
1、陀螺仪
绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺。
陀螺仪多用于导航、定位等系统,是一种用来传感与维持方向的装置,基于角动量不灭的理论设计出来的。
陀螺仪主要是由一个位于轴心可以旋转的轮子构成,陀螺仪一旦开始旋转,由于轮子的角动量,陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。
1)、陀螺仪的发展历程
1850年法国的物理学家莱昂·傅科(J.Foucault)为了研究地球自转,首先发现高速转动中的转子(rotor),由于惯性作用它的旋转轴永远指向一固定方向,他用希腊字gyro(旋转)和skopein(看)两字合为gyroscopei一字来命名这种仪表。
陀螺仪是一种既古老而又很有生命力的仪器,从第一台真正实用的陀螺仪器问世以来已超过一个世纪,但直到现在,陀螺仪仍在吸引着人们对它进行研究,这是由于它本身具有的特性所决定的。
陀螺仪最主要的基本特性是它的稳定性和进动性。
人们从儿童玩的地陀螺中早就发现高速旋转的陀螺可以竖直不倒而保持与地面垂直,这就反映了陀螺的稳定性。
研究陀螺仪运动特性的理论是绕定点运动刚体动力学的一个分支,它以物体的惯性为基础,研究旋转物体的动力学特性。
陀螺仪MEMS陀螺
2)、陀螺仪的分类
A、按照工作原理,陀螺仪可以分为三大类:
机械转子类陀螺仪、振动陀螺仪、光学陀螺仪。
B、按照自转轴相对于壳体具有的转动自由度,可以分为单自由度、双自由度陀螺。
C、按照陀螺仪的转子支撑方式,可以分为框架、液浮、气浮、动调、静电陀螺仪等。
D、按照陀螺仪的输出形式,可以分为角速率、角速率积分陀螺仪。
E、按照陀螺仪的精度,可以分为惯性级(随机漂移小于0.01°/h)、次惯性级、常规级陀螺仪。
F、按用途来分,它可以分为传感陀螺仪和指示陀螺仪。
G、陀螺仪按功能分类:
陀螺方向仪、陀螺罗盘、陀螺垂直仪、陀螺稳定器、速率陀螺仪、陀螺稳定平台。
3)、陀螺仪的优缺点
传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪,机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高,结构复杂,它的精度受到了很多方面的制约。
自从上个世纪七十年代以来,现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。
1976年等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想,到八十年代以后,现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展,与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。
由于光纤陀螺仪具有结构紧凑,灵敏度高,工作可靠等等优点,所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪,成为现代导航仪器中的关键部件。
和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外,还有现代集成式的振动陀螺仪,集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度,体积更小,也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。
2、加速度计
加速度计是用来测量运动物体加速度的仪表,测量物体的线运动。
它是按照光性原理相对惯性空间工作的,借助于敏感质量变成力进行间接的测量。
加速度本身难以直接测量,因此通过测量敏感质量块上形成的惯性力,间接测量载体受到的加速度。
传统加速计
1)、加速度计的分类
a、按惯性检测质量的运动方式,可以分为线加速度计和摆式加速度计。
b、按支撑方式,分为宝石支撑、挠性支撑、气体悬浮、液体悬浮、磁力支撑和静电支撑的加速度计。
c、按检测方式是否需将所测加速度由输出端再反馈到输入端来分类,有开环加速度计和闭环加速度计两类。
开环加速度计的优点是结构简单、成本低、容易维护;闭环加速度计测量精度高,有较强的抗干扰能力。
d、按输出是否带有积分装置来分类,可分为输出不带积分装置和积分加速度计。
e、按加矩方式来分,可分为模拟加矩和脉冲加矩加速度计。
f、按照使用的信号传感器类别分类,有电容式、半导体压阻式、电感式、电位器式加速度计等。
g、按工作原理来分,有振弦式、静电式、摆式加速度计等。
按精度,可分为高精度、中等精度以及低精度加速度计。
h、按输入加速度频率范围来分,有高频振动、中频振动和低频缓变加速度计。
3、陀螺仪和加表的最新概况
1)、陀螺仪
自从1976年美国犹他大学的VALI和SHORTHILL等人成功研制第1个光纤陀螺(fiber-opticgyroscope,FOG)以来,光纤陀螺已经发展了30多年。
在30多年的发展过程中,许多基础技术如光纤环绕制技术等都得到了深入地研究。
光纤陀螺仪的突出特点使其在航天航空、机载系统和军事技术上的应用十分理想,因此受到用户特别是军队的高度重视,以美、日、法为主体的光纤陀螺仪研究工作已取得很大的进展。
光纤陀螺仪研究工作大部分集中在干涉式,只有少数公司仍在研究谐振式光纤陀螺。
光纤陀螺的商品化是在上世纪90年代初才陆续展开,中低精度的光纤陀螺(特别是干涉式光纤陀螺)己经商品化,并在多领域内应用,高精度光纤陀螺仪的开发和研制正走向成熟阶段。
光纤陀螺
2)、加表
1977年斯坦福大学首先采用微机械加工法制造出开环加速度计,得到广泛应用。
随着惯性导航技术的发展,加速度计也不断得到完善。
现在,原理、性能各异的多种类型不同级别的加速度计得到实用。
新型MS2005+加速计光纤加速度计
1.2GPS的发展概况
1.2.1概述
全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点,是迄今最好的导航定位系统。
随着全球定位系统的不断改进,硬、软件的不断完善,应用领域正在不断地开拓,目前已遍及国民经济各种部门,并开始逐步深入人们的日常生活。
经近10年我国测绘等部门的使用表明,GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点,赢得广大测绘工作者的信赖,并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科
1.2.2GPS的历史:
1978年2月22日第一颗GPS实验卫星成功发射。
1978年11月全球定位系统开始定位导航服务。
1993年6月26日最后一颗工作卫星于发射升空。
1995年7月17日,达到全功能应用(fullOperationalCapability——FOC)
2000年5月1日,美国总统克林顿在白宫宣布解除终止选择提供性政策(SA)。
此项决定将立即改善定位精度,单GPS接收机定位精度将好于20米。
从1973年到1993年,GPS系统的建立经历了近20年,耗资过百亿美元,它是继阿波罗登月计划和航天飞机计划后的第三项庞大空间计划。
第一代的GPS的绝对定位采用的是伪距单点定位,由于伪距的测距码的波长长达几十米,单点定位的效果很不好,一般精度只有几十米甚至上百米,只能用在船只等导航用途上,现在的手持GPS还采用这种定位方式;采用伪距差分定位能将精度提高到十几米到几十米,还是不能用在测绘等领域当中。
此时,随着信号处理技术的发展,人们可以更好的分析卫星信号中的载波,载波的波长比测距码要小得多,而且卫星信号中的L1和L2载波(民用码C/A码调制在L1当中,军用码P码调制在L2当中)的波长成倍数关系,当遇到电离层和对流层影响时,信号延迟也成线性关系,可以帮助更好的估计误差影响,于是产生了载波静态相对定位技术,采用此技术,可以将相对精度提高到米级甚至分米级,若采用事后的精密星历后处理,能将精度提高到厘米级,由此GPS技术广泛应用于测绘领域当中。
但是,载波相对定位中有一个很大的瓶颈:
计算整周模糊度(即计算载波在传播过程中的整周期的个数N)的速度很慢,当时的算法计算量很大,一般都需要后处理。
也就是说,GPS的这样的定位技术还不能应用到实时的动态定位(大多数应用都需要实时动态)当中。
在此情况下,第二代定位技术产生了,RTK(实时动态)技术。
这个技术是基于新的对整周模糊度的搜索算法,这个算法能极大地减小计算量,并能很好的利用连续整周数的变化。
于是RTK技术广泛发展起来。
RTK技术是在已知坐标的点上假设一个基站,用户只要使用流动站(Rover)测量/导航,通过不断地和基站通信求得流动站和基站的相对坐标。
RTK技术的精度可以达到分米/厘米级,RTK技术使精密导航成为了可能。
另一方面静态相对定位由于通信的问题作用范围还很小(不大于15公里),对于大范围的观测,需要建立很庞大的控制网,这是极大的资源浪费。
网络技术的发展极大加速了GPS定位技术的发展,建立数据处理和控制中心,通过网络,我们能建立全国甚至全世界的GPS网络,现在我国的青藏高原形变控制网,国际IGS站网都属于广域差分。
现在,第二代定位技术已经相当的成熟,并在我国各行各业中广泛应用,处于第二代产品的壮年期。
第二代GPS定位技术,尤其是RTK技术,使用起来还是有许多的缺陷。
例如对于大范围地区,由于通信技术的限制,要建立许多基站的控制网,这是极大的浪费。
并且通信还易受到干扰,差分计算也十分繁琐等等。
现阶段,以网络RTK为代表的第三代定位技术已经悄然兴起并蓬勃发展。
网络RTK将广域差分技术和传统的RTK技术相结合,在GPS使用密集的地区,由政府建立控制网(城域,省域,全国等),并通过数据中心和发射台处理和发射差分信号,免去了用户建立基站的烦扰。
用户只要将流动站的GPS粗略定位坐标(初始化值)通过GSM/GPRS传给控制中心,控制中心根据用户的概略坐标和附近的合适的参考站(或虚拟参考站)差分,并求得精确坐标,网络RTK的精度可以达到厘米级。
美国、加拿大、日本等国家甚至建立了全国范围的CORS(连续观测参考站)系统,我国北京也已建成全市的CORS系统,并将在北京08奥运发挥重要的作用。
在另一方面,单点定位技术在一个长时间的冷淡期后也得到了发展。
精密单点定位技术就是这个发展的成果。
它不需要差分,而是从实际信号的传播出发,充分考虑信号发射、传播和接收的误差源:
通过精密星历,得到精密轨道和精密卫星钟差,通过各种模型和算法估计电力层和对流层的影响,最大限度地减少误差,达到实时或事后分米/厘米级精度。
通过全球范围的观测网络,可以计算出卫星的轨道和钟差,并通过Inmarsat海事卫星传给实时用户。
第三代定位技术还处在发展阶段,但可以肯定的是它将极大地减小GPS运用难度,并在未来几年中更蓬勃地发展。
第四代即未来的定位技术是怎样的我们还不得而知,但可以肯定的是,卫星定位导航系统(GNSS)会大大地发展:
美国政府以证实GPS将增设更多的频道已用于定位;俄罗斯政府也在积极改进原有的GLONASS系统,增发更多的卫星;我国政府也在原有北斗双星系统的基础上发射第三颗卫星,并将北斗卫星服务改进以适应为未来的需要;欧洲的伽利略系统也已经上马,它吸收了GPS和GLONASS的成功经验和失败教训,在信号使用上少了许多限制,必定会大大提高定位精度。
在另一方面,卫星信号遮蔽和多路径效应的难题也随着GSM,Wifi和伪卫星等定位技术的发展而得到解决,定位技术将得到更大的丰富。
我们相信在不久以后,电影《手机》里的无论你在哪里,都能得到精密定位的梦想一定能得到实现。
未来数十年将迎来空间技术发展的黄金期。
GPS从投入使用以来,其相对定位的定位方式发展得很快,从最先的码相对定位到现在的RTK,使GPS的定位精度不断升高。
而绝对定位即单点定位发展得相对缓慢,传统的GPS单点定位是利用测码伪距观测值以及由广播星历所提供的卫星轨道参数和卫星钟改正数进行的。
其优点是数据采集和数据处理较为方便、自由、简单,用户在任一时刻只需用一台GPS接收机就能获得WGS284坐标系中的三维坐标。
但由于伪距观测值的精度一般为数分米至数米;用广播星历所求得的卫星位置的误差可达数米至数十米,卫星钟改正数的误差为±20ns左右,只能用于导航及资源调查、勘探等一些低精度的领域中。
随着我国海洋战略的实施,海洋科研、海洋开发、海洋工程等海上活动日益增加,对定位精度的要求也呈现出多样化,如精密的海洋划界、精密海洋工程测量等,要求能够达到十几或几十厘米的定位精度,而采用伪距差分定位只能提供米级的定位精度,如果使用RTK功能,作用距离又不能达到;对于这部分定位需求,现有的定位手段无法满足要求,需要寻求新的定位方式或技术。
精密单点定位(PrecisePointPositioning,PPP)技术由美国喷气推进实验室(JPL)的Zumberge于1997年提出。
20世纪90年代末,由于全球GPS跟踪站的数量急剧上升,全球GPS数据处理工作量不断增加,计算时间呈指数上升。
为了解决这个问题,作为国际GPS服务组(IGS)的一个数据分析中心,JPL提出了这一方法,用于非核心GPS站的数据处理。
该技术的思路非常简单,在GPS定位中,主要的误差来源于三类,即轨道误差、卫星钟差和电离层延时。
如果采用双频接收机,可以利用LC相位组合,消除电离层延时的影响。
如果选择地心地固系表示卫星轨道,计算的参考框架同为地心地固系,可以消去观测方程中的地球自转参数。
于是,只要给定卫星的轨道和精密钟差,采用精密的观测模型,就能像伪距一样,单站计算出接收机的精确位置、钟差、模糊度以及对流层延时参数。
根据PPP技术的要求,定位中需要系统提供卫星的精密轨道和钟差。
目前,国际GPS服务组织(IGS)的几个数据分析中心具备这个能力提供卫星的精密轨道和钟差,但是,这些都是后处理结果。
根据IGS的产品报告,IGS提供的卫星轨道精度能够达到2~3cm,卫星钟差的精度优于0.02ns,这种精度的卫星钟差和轨道,能够满足任何精度的定位要求。
近10年,由于IGS的努力,GPS卫星预报轨道的精度已经达到十几厘米,预报轨道的时间也由24h预报缩短到3h预报,卫星轨道的精度已经能够满足一般定位的要求。
由于IGS现在不能提供实时和外推的精密卫星钟差,制约了实时PPP技术的应用;精密的卫星钟差仍然是PPP技术实时应用瓶颈,目前IGS只有后处理卫星钟差,JPL和GFZ已经有能力提供快速卫星钟差。
卫星导航定位系统实现了全球、全天候、连续、实时、高精度导航定位,对人类活动影响极大,获得了最广泛的应用。
就目前的情况来看,GPS仍是卫星导航定位行业中的龙头老大,以至于提起全球卫星导航系统就是GPS。
1.2.3GPS的用途
GPS最初就是为军方提供精确定位而建立的,至今它仍然由美国军方控制。
军用GPS产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标,给海中的军舰导航,为军用飞机提供位置和导航信息等。
目前,GPS系统的应用已将十分广泛,我们可以应用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航,导弹的制导,大地测量和工程测量的精密定位,时间的传递和速度的测量等。
对于测绘领域,GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网,测定全球性的地球动态参数;用于建立陆地海洋大地测量基准,进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘;用于监测地球板块运动状态和地壳形变;用于工程测量,成为建立城市与工程控制网的主要手段。
用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置,实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图,导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。
许多商业和政府机构也使用GPS设备来跟踪他们的车辆位置,这一般需要借助无线通信技术。
一些GPS接收器集成了收音机、无线电话和移动数据终端来适应车队管理的需要。
目前,GPS,GLONASS,INMARSAT等系统都具备了导航定位功能,形成了多元化的空间资源环境。
这一多元化的空间资源环境,促使国际民间形成了一个共同的策略,即一方面对现有系统充分利用,一方面积极筹建民间GNSS系统,待到2010年前后,GNSS纯民间系统建成,全球将形成GPS/GLONASS/GNSS三足鼎立之势,才能从根本上摆脱对单一系统的依赖,形成国际共有、国际共享的安全资源环境。
世界才可进入将卫星导航作为单一导航手段的最高应用境界。
国际民间的这一策略,反过来有影响和迫使美国对其GPS使用政策作出更开放的调整。
总之,由于多元化空间资源环境的确立,给GPS的发展应用创造了一个前所未有的良好的国际环境。
1.2.4其余定位系统
1、伽利略与北斗
一直以来,美国的全球卫星定位系统GPS在民用导航领域独步天下,即便同时代有俄罗斯的"格洛纳斯"系统与之竞争,但"格洛纳斯"年久失修,导航卫星残缺不全,早已淡出国际市场,根本不具备与GPS一比高下的能力。
欧盟发起的"伽利略"全球卫星导航计划,被认为是结束美国"独霸"局面的最有力挑战。
按设计,"伽利略"将一共由30颗"中轨道"和"静轨道"导航卫星覆盖全球,其定位精度超过了GPS,在兼容性和精确度等设计方面也优于GPS。
为了打破GPS的垄断地位,"伽利略"的"公共管理服务"系统拟使用的频率故意选择了与美国GPS相近的频率,这样的安排有可能冲淡GPS的频道效果,令美国人坐立不安。
欧洲“伽利略”计划强势出击打破GPS垄断。
在上世纪90年代的局部战争中,美国的GPS出尽风头。
利用GPS系统提供定位的导弹或战斗机可以对地面目标进行精确打击,这给欧洲国家留下了深刻印象。
欧洲国家为了减少对美国GPS系统的依赖,同时也为了在未来的卫星导航定位市场上分一杯羹,决定发展自己的全球卫星定位系统。
经过长达3年的论证,2002年3月,欧盟15国交通部长会议一致决定,启动“伽利略”导航卫星计划。
“伽利略”计划的总投资预计为36亿欧元,由分布在3个轨道上的30颗卫星组成。
该系统与GPS类似,可以向全球任何地点提供精确定位信号。
由于“伽利略”系统主要针对民用市场,因此在设计之初,设计人员就把为民用领域的客户提供高精度的定位放在了首要位置。
与美国的GPS相比,“伽利略”系统可以为民用客户提供更为精确的定位,其定位精度可以达到1米,而GPS只能达到10米。
按照计划,第一颗用于测试的卫星将于今年年底在白俄罗斯的拜科努尔基地发射升空,2006年“伽利略”系统即可进行正式部署,2008年整个系统完工,正式为客户提供商业服务。
“伽利略”系统主要用于民用领域,而且面对的是GPS这个运行超过20年的市场垄断者,其市场开发的难度之大可想而知。
因此,“伽利略”计划采用开放合作的模式,通过吸收合作伙伴来扩大市场份额。
中国经济近年来快速发展,中国庞大的潜在用户群对于确保“伽利略”系统的成功具有重要意义,中国从一开始就进入了欧洲的视线。
“北斗”是中国独立自主设计、建设的卫星导航系统,也是联合国有关机构认定的全球卫星导航定位四大核心供应商之一。
按照“先区域,后全球”的总体建设规划,中国在二00三年正式开通的北斗卫星导航试验系统即北斗一代,成为继GPS、GLONASS之后,能够独立提供服务的三大卫星导航系统之一。
赵康宁透露,北斗一代开通应用五年多来,系统运行稳定,状态良好,及时提供了导航定位、数字短信及精确授时服务。
在去年四川抗震救灾中建立奇功至今仍记忆犹新。
目前入网注册用户四万多,近一、二年内规划新增用户数超过十万,应用覆盖了水利电力、海洋渔业、交通运输、国土测绘、气象预报、减灾救灾和公共安全等领域,牵引促进了电子、通信、机械制造、地理信息等相关产业和信息服务业的发展,产生了显著的经济和社会效益。
2、主要用途
北斗的主要用途有四个方面:
1、导航与通信的集成增强了导航能力和搜索救援能力,可实现用户信息共享和信息交换;
2、多系统兼容服务,可以实现公开服务相互兼容,必要时提供多系统监测信息和差分改正信息;
3、提供双向授时授权服务;
4、以双向伪距时间同步方法摆脱卫星时间同步与精密轨道之间的依赖关系。
1.3捷联惯导的现状
捷联式惯性导航(strap-downinertialnavigation),捷联(strap-down)的英
语原义是“捆绑”的意思。
因此捷联式惯性导航也就是将惯性测量元件(陀螺仪和加速度计)直接装在飞行器、舰艇、导弹等需要诸如姿态、速度、航向等导航信息的主体上,用计算机把测量信号变换为导航参数的一种导航技术。
惯性导航系统是利用惯性敏感器、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式航位推算导航系统。
在工作时不依赖外界信息,也不向外界辐射能量,不易受到干扰破坏。
进入20世纪80~90年代,在航天飞机、宇宙飞船、卫星等民用领域及在各种战略、战术导弹、军用飞机、反潜武器、作战舰艇等军事领域开始采用动力调谐式陀螺、激光陀螺和光纤式陀螺的捷联惯导系统,尤其是激光陀螺和光纤式陀螺是捷联惯导系统的理想器件。
激光陀螺具有角速率动态范围宽、对加速度和震动不敏感、不需温控、启动时间特别短和可靠性高等优点。
采用光纤陀螺的捷联惯导系统被认为是一种极有发展前途的导航系统。
我国惯性导航与惯性仪表队伍已经初具规模,具备了一定的自行设计、研制和生产能力,基本拥有了迅速发展的物质和技术基础。
尽管捷联惯导系统不能避免惯性器件的固有缺点,但由于它具有诸多优点,因此,目前捷联惯导系统在各类民用的航天飞行器、运载火箭、客/货机及军事领域的各类军用飞机、战术导弹等武器系统上都已被广泛采用。
随着航空航天技术的发展及新型惯性器件的关键技术的陆续突破进而被大量应用,捷联惯导系统的可靠性、精度将会更高,成本将更低,同时,随着机(弹)载计算机容量和处理速度的提高,许多惯性器件的误差技术也可走向实用,它可进一步提高捷联惯导系统的精度。
此外,随着以绕飞行体轴旋转角增量为输出的新型高精度捷联式陀螺的出现,用以描述刚体姿态运动的数学方法也有了新的发展,将以经典的欧拉角表示法向四元素表示法发展。
不管惯性器件的精度多高,由于陀螺漂移和加速度计的误差随时间逐渐积累(这也是纯惯导系统的主要误差源之一,它对位置误差增长的影响是时间的三次方函数),惯导系统长时间运行必将导致客观的积累误差,因此,目前人们在不断探索提高自主式惯导系统的精度外,还在寻求引入外部信息,形成组合式导航系统,这是弥补惯导系统不足的一个重要措施。
由于陀螺仪是惯性导航的核心部件,因此,可以按各种类型陀螺出现的先后、理论的建立和新型传感器制造技术的出现,将惯性技术的发展划分为四代,但是惯性技术发展的各阶段之间并无明显界线。
第一代惯性技术指1930年以前的惯性技术。
自1687年牛顿三大定律的建立,并成为惯性导航的理论基础;到l852年,傅科(LeonFoucault)提出陀螺的定义、原理及应用设想;再到1908年由安修茨(HermannAnschütz—Kaempfe)研制出世界上第一台摆式陀螺罗经,以及1910年的舒勒(MaxSchuler)调谐原理;第一代惯性技术奠定了整个惯性导航发展的基础。
第二代惯性技术开始于上世纪40年代火箭发展的初期,其研究内容从惯性仪表技术发展扩大到惯性导航系统的应用。
首先是惯性技术在德国V-II火箭上的第一次成功应用。
到50年代中后期,0.5nmile/h的单自由度液浮陀螺平台惯导系统研制并应用成功。
1968年,漂移约为0.005°/h的G6B4型动压陀螺研制成功。
这一时期,还出现了另一种惯性传感器-加
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