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图4-18 带有转矩反馈的漂浮常平架加速度计的示意图。取自原始的报告幻灯片
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图4-19 真实的漂浮常平架加速度计的解剖图。取自原始的报告幻灯片
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这种器件用来测量垂直于盒子轴线方向的水平加速度；每当盒子在这个方向加速时，重物落后并使盒子的一边向上倾斜，盒子在支枢上转动；信号发生器立即产生一个信号，这个信号送到转矩发生器的线圈，将盒子拉回原来的位置。就和以前一样，我们把转矩反馈回来以改正偏离，我们测量出需要多大的转矩来保持物体不致晃动，这个转矩告诉我们的加速度有多大。
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另一种测量加速度的有趣的器件的简略图画在图4-20上。实际上它能自动地 做一次积分。这个略图和图4-11相同，只是在自转轴的一边有一个重物（图4-20中的“摆动重物”）。如果器件向上加速，在陀螺仪上产生一个转矩，以后它就和我们的其他器件同样了——只不过转矩是因加速产生而不是因为盒子的转动。信号发生器，转矩发生器以及所有其余的部件都是一样的。反馈是用来将盒子绕输出轴转回去。为了使盒子平衡，作用于重物向上的力必须正比于加速度，但是作用在重物向上的力正比于盒子扭转的角速度，所以盒子的角速度正比于加速度。这意味着盒子转过的角度 正比于速度。测量盒子转过多大角度给出速度——所以一次积分已经完成了。（这并不表示这种加速度计比其他的更好；对于特定的应用哪一种更好，取决于整体的技术细节，这是一个设计的问题。）
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图4-20 用作加速度计的、自由摆动积分陀螺仪的略图；常平架转动角度指示速度。取自原始的报告幻灯片
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4-8 完整的导航系统
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好了，如果我们建造了这样的一些器件，我们可以把它们组合起来安放在一个平台上，如图4-21所示，这就是完整的导航系统。三个小的圆柱体（Gx 、Gy 、Gz ）是陀螺仪，它们的轴安置在三个互相垂直的方向上。三个长方形盒子（Ax 、Ay 、Az ）是加速度计，每个对应于一个坐标轴。这些陀螺仪和它们的反馈系统一同保持着平台在绝对空间中的不作任何方向上转动——既不偏航，也不上下颠簸，也不左右滚动——当飞机（或船舰，或系统所在的随便什么东西里）转弯时，平台的平面非常精确地保持稳定。这对于加速度测量的器件来说是非常重要的，因为你一定要准确知道它们的测量是沿哪个方向：假如它歪斜了，那么导航系统就以为它们向某一个方向转动了，但实际上它们是转向另一方向，这样一来系统就乱套了。关键是要使加速度计保持在空间固定的方向上，这样它就很容易进行位移的计算。
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图4-21 有三台陀螺仪和三台加速度计，安装在一个稳定的平台上的完整导航系统。取自原始的报告幻灯片
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加速度计的x ，y 和z 的输出送入积分线路，通过在每一个方向上积分两次来计算位移。如此，假设我们在一个已知的位置从静止开始，在任何时刻我们都可以知道我们到了哪里。我们也知道我们正向着什么方向运动，因为平台始终在我们开始的时候（理想上）所设定的同一方向上。这就是一般的概念。不过，还有几个问题是我想要说明的。
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第一，考虑一下如果器件产生，譬如说，百万分之一的误差，在测量加速度的时候会发生什么情况呢。假设器件是在一台火箭中，它需要测量加速度高达10g 。一台可以测量高达10g 的器件能够分辨10-5g 以下是很难的（事实上我怀疑你们能够做到）。但是，加速度有10-5g 的误差，积分两次，经过一个小时后，结果位置的误差超过半个千米——10个小时后多达50千米，这已经脱离了轨道 。于是这个系统不再有效。在火箭中这没有很大的关系，因为所有的加速度都产生在刚开始的一段短时间内，以后它就靠惯性自由运动。然而，在飞机或者船里面，你必须经常调整系统，就像普通的定向陀螺仪，要保证它始终指向同一方向。这可以通过观察星座或太阳，但是在潜水艇里你怎样校正它呢？
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好吧，如果我们有一张海底地图，如果我们驶过一个山顶或者某种东西，我们可以看到这些都在我们下面经过。但假设我们没有地图——还是有办法来核实！其思路是：地球是球形，如果我们已经确定我们沿某个方向已经走了，譬如说100英里，这时地球引力不再是在以前的同一方向上。如果我们没有使平台保持垂直于地球引力，加速度测量器件的输出就全部错了。因此我们要做下面的事：我们从平台是水平的情况开始，利用加速度测量器件算出我们的位置，根据这个位置，我们推算行驶中我们应当 将平台怎样转动使它始终保持水平，于是我们把它转过所预期的差率使它保持水平。这是十分方便的事——而它也是 节省时间的方法！
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考虑一下如果有误差会发生什么情况。假设机器静止地放在一间房间里，经过一段时间，由于它建造不完善，平台不再保持水平的而微微转过一点，如图4-22（a）所示。这样，加速度计中的重物就会移动，相当于有个加速度，机器计算出来的位置指示向右运动了，向着（b）。要保持平台水平的机制使它慢慢转动。当平台重新成为水平时，机器不再认为它在加速运动。然而由于表观加速度，机器还以为它在同样的方向上具有速度，所以力图保持平台水平的机制要使它非常慢地继续转动，直到它不再水平，如图4-22（c）所示。事实上，它要经过加速度为零的位置，然后它会以为加速度向相反的方向。因此，我们就有了非常小的振荡，误差只会在一次振荡中累积。如果你将所有的角度、转折以及其他各种因素都综合起来，这种振荡一次需要84分钟。因此，只需要把器件做得足够好，在84分钟内有合适的准确度，因为在这个时间里它会校正自己。这十分像在飞机里的情况，在飞机上隔一定时间要用磁罗盘来校正回旋罗盘，但在现在这种情况下，机器相对于地球引力作校正，就像在人工地平仪的情况中一样。
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图4-22 利用地球引力校正，使稳定的平台保持水平
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以大体上相同的方式，潜水艇中的方位角器件（它告诉你哪个方向是北极）隔一定时间就要按照回旋罗盘校正。回旋罗盘在长时间周期内平均，所以船的运动不会产生任何偏差。就这样，你可以用回旋罗盘校正方位角，你可以依照地球引力校正加速度计，所以误差不会一直积累下去，只有大约一个半小时的积累。
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在鹦鹉螺号核潜艇中有3个这种类型的极其巨大的平台，每一平台各在一个巨大的球体中，并排地从领航员房间的天花板悬挂下来，各个互相完全独立，如有其中一个损坏的情况下——或者，它们互相不一致，领航员就要从三台中选出最好的两台（这肯定会使他感到相当不安！）这些平台在制造的时候都有些差异，因为你不可能做到每件事都完美无瑕。细微的不精确引起的漂移都必须对每一台仪器进行测定，这些仪器都必须校准以进行补偿。
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在喷射推进实验室里有一个实验室，在这里测试一些新的仪器。这是一个令人感兴趣的实验室，你可以考虑一下你要怎样校对这种仪器：你用不着乘船去航行，不需要。在这个实验室里，他们利用地球自转来校对仪器！如果仪器是灵敏的，由于地球的自转它会转向，并且还要漂移。通过测量漂移可以在非常短的时间内确定如何校正。这个实验室或许是世界上唯一的一个实验室，它的基本的特色——使它能发挥作用的原理——就是地球在转动这个事实。假如地球不转动，它就不能用来校正仪器了。
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4-9 地球的自转效应
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我要讲的下一个题目是地球的自转效应（除了惯性导航器件的定标）。
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地球自转的最明显的效应是风的大尺度运动。有一个有名的故事，你们听过一遍又一遍了，假如你有一只浴缸，你拔掉塞子，如果你在北半球，水就沿着某一个方向旋转；如果你在南半球，水就沿相反方向旋转——但你如果去试一试，这并不正确。其中假设 沿着一定的方向旋转的道理是在以下的情况中：假设在海洋底部，在北极下面，有一个排水口用塞子塞住。然后我们拔掉塞子，水就开始通过排水口流出去（见图4-23）。