慣性導航技術介紹及應用發展研究

譚鵬輝

【摘 要】本文闡述了慣性導航技術的基本原理和分類，介紹了慣性導航的核心部件陀螺儀的發展狀況，并列舉出代表當前最高技術水平的新型慣性器件。同時，概括了慣性技術的應用領域，并針對其優缺點介紹了一種組合導航的方式。最后指出，隨著市場及實際應用的需求，未來導航系統的主要發展方向將向以慣性導航為基礎的組合導航靠攏。

【關鍵詞】慣性導航；陀螺儀；組合導航

【Abstract】This paper describes the basic principles and classification of inertial navigation technology， it introduces the development of the core components of inertial navigation gyroscopes， and outlines the current representative of the highest technical level of new inertial device. It summarizes the applications of inertial technology， and introduces a combination of navigation mode for their advantages and disadvantages. Finally， with the market demand and the practical application， the main direction of the future development of the navigation system will be based on the combine navigation.

【Key words】Inertial navigation； Gyroscope； Combine navigation

0 前言

慣性導航（Inertial Navigation），利用慣性元件（加速度計）來測量運載體本身的加速度，經過積分和運算得到速度和位置，從而達到對運載體導航定位的目的。組成慣性導航系統的設備都安裝在運載體內，工作時不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導航系統。

慣性導航系統屬于推算導航方式，即從一已知點的位置根據連續測得的運動體航向角和速度推算出其下一點的位置，因而可連續測出運動體的當前位置。慣性導航系統中的陀螺儀用來形成一個導航坐標系，使加速度計的測量軸穩定在該坐標系中，并給出航向和姿態角；加速度計用來測量運動體的加速度，經過對時間的一次積分得到速度，速度再經過對時間的一次積分即可得到距離。

1 慣性導航介紹

慣性導航系統通常由慣性測量裝置、計算機、控制顯示器等組成。慣性測量裝置包括加速度計和陀螺儀。

由于陀螺儀是慣性導航的核心部件，因此，按各種類型陀螺出現的先后、理論的建立和新型傳感器制造技術的出現，將慣性技術的發展劃分為四代：

第一代慣性技術指1930年以前的慣性技術，以牛頓力學定律為理論基礎。

第二代慣性技術開始于20世紀40年代火箭發展的初期，其研究內容從慣性儀表技術發展擴大到慣性導航系統的應用。

70年代初期，第三代慣性技術發展階段出現了一些新型陀螺、加速度計和相應的慣性導航系統（INS）。

當前，慣性技術正處于第四代發展階段，其目標是實現高精度、高可靠性、低成本、小型化、數字化、應用領域更加廣泛的導航系統。

按照慣性導航組合的安裝方式，可分為平臺式慣性導航系統和捷聯式慣性導航系統。

平臺式：根據建立的坐標系不同，分為空間穩定和本地水平兩種工作方式。前者臺體相對慣性空間穩定，用以建立慣性坐標系。后者的特點是兩個加速度計輸入軸所構成的基準平面能夠始終跟蹤飛行器所在點的水平面。

捷聯式：根據所用陀螺儀的不同，分為速率型和位置型。前者用速率陀螺儀，輸出瞬時平均角速度矢量信號；后者用自由陀螺儀，輸出角位移信號。

2 慣性導航技術的應用

隨著在軍用和商業等領域導航需求的增長，慣性導航技術不斷拓展新的應用領域。其范圍已由原來的艦船、航空飛行器等，擴展到星際探測、地球測量、鐵路、隧道等各個方面。

INS可以提供完備、連續及高數據更新率的導航信息。但其主要缺點是定位誤差隨時間增大，難以長時間獨立工作。解決這一問題主要有2條途徑：一是，提高INS本身的精度，即通過采用新材料、新工藝和新技術，提高慣性器件的精度；二是，將其他外部傳感器與INS組成組合導航系統，定期或不定期地對INS進行綜合校正，對慣性器件的漂移進行補償。前者需要花費很大的人力和財力，且精度提高有限；后者主要由軟件衛星定位導航，利用在軌衛星發射的無線電信號進行定時測距。它具有覆蓋范圍廣、全天候、高精度和近乎連續等特點，用戶設備的體積小、質量輕、功率小，并易于操作，是慣性組合導航理想的輔助導航設備。慣性導航/衛星定位組合后，可克服各自的缺點，取長補短，使系統在精度、可靠性和容錯性等方面獲得優于2個子系統單獨工作的性能。

慣性導航/衛星定位組合（如INS/GPS組合）是精確制導武器系統普遍采用的一項關鍵技術。目前，全球范圍許多衛星定位導航系統中以GPS最為成熟，應用也最為廣泛。然而，GPS系統由美國軍事部門研制和控制，主要為美國及其盟國服務。許多國家正在發展自主控制的全球衛星導航系統。目前，我國的北斗衛星定位系統正在建設中，整個系統已部分投入運行。所以慣性導航/北斗衛星組合導航系統在我國具有良好的應用前景，進行慣性導航/北斗導航組合技術及其應用的研究，對我國國防建設和國家安全具有重要的戰略意義和現實意義。

3 慣性導航技術的發展

慣性傳感器包含加速度計和陀螺儀，陀螺儀種類多種多樣，按陀螺轉子主軸所具有的進動自由度數目可分為二自由度陀螺儀和單自由度陀螺儀；按支承系統可分為滾珠軸承支承陀螺，液浮、氣浮與磁浮陀螺，撓性陀螺，靜電陀螺；按物理原理分為轉子式陀螺、半球諧振陀螺、微機械陀螺、環形激光陀螺和光纖陀螺等。

環形激光陀螺（RLG）利用光程差的原理來測量角速度。兩束光波沿著同一個圓周路徑反向而行，當光源與圓周均發生旋轉時，兩束光的行進路程不同，產生了相位差，通過測量該相位差可以測出激光陀螺的角速度。近十幾年來，激光陀螺已經發展十分成熟，新型激光陀螺研究的主要成果是在激光陀螺的小型化、工程化和新型化等方面取得的進展。

光纖陀螺（FOG）使用與環形激光陀螺相同的基本原理，但其使用光纖作為激光回路，可看作是第二代激光陀螺。光纖陀螺的主要優點在于高可靠性、長壽命、快速啟動、耐沖擊和振動、大動態范圍等，這些優點是傳統機械式陀螺所無法比擬的。在高精度應用領域，光纖陀螺正在逐步取代靜電陀螺。

美國國防部在重新修改制定的《發展中的科學技術清單》對慣性導航與制導技術進行闡述時，提到了一些新型的慣性傳感器，如納機電線性加速度計、超流體量子陀螺儀、原子干涉慣性傳感器等，這些新型傳感器被認為是下一代慣性技術的發展方向。

就全球發展現狀而言，慣性導航系統發展和技術進步呈現以下特點：

1）在無法接收GNSS信號或需要高度導航可靠性的應用場合，高性能的自主INS仍具有不可替代的作用。

2）GNSS技術的快速發展和進步，將取代部分傳統的INS應用領域。

3）INS與其他多種導航手段組合，尤其是GNSS/INS組合導航系統，受到普遍關注。

4）地面車輛導航等民用市場發展迅速，價格低廉的一體化、小型化、多模式組合導航設備成為市場發展的三個重要方向。

5）從性能和可靠性方面考慮，須不斷提高慣性導航系統自身的集成度，使其具備與其他導航手段協同工作的組合導航模式。

4 總結

總之，在慣性器件研究方面，體積小且價格低廉、高精度和高性能的慣性傳感器在未來仍將是受關注的焦點。受現代計算機技術快速發展的影響，平臺式導航系統將被捷聯式慣性導航系統所替代。

慣性導航是唯一的完全自主的導航方式，不依賴于任何外界信息的純慣性導航系統依然是一個獨立而有意義的研究方向。隨著對高性能自主導航系統的應用需求不斷增強和多模GNSS技術的廣泛應用，組合導航系統將逐步替代純粹的INS成為未來的主要導航手段。

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[責任編輯：湯靜]