慣性導航技術介紹及應用發展研究

段國棟++萬子平++彭歡

【摘 要】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。慣導系統穩定回路由方位、內橫滾、俯仰、外橫滾四個主回路及一個多余軸鎖定回路組成，而每個主回路又由角度傳感器（即旋轉變壓器）、撓性陀螺儀、陀螺前置放大器、伺服放大器、直流力矩電機、相關的傳感器激磁電源及放大器正常工作所需的直流電源組成。因四個通道的組成原理相同，結合故障現象，現以俯仰通道為例進行分析。

【關鍵詞】慣性導航 技術介紹 應用

慣性導航，利用慣性元件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。

1 慣性導航介紹

慣性導航系統是20世紀初發展起來的導航定位系統，其主要優點是能夠獨立自主地進行導航，在不依賴任何外界系統支持的情況下，也能連續地提供包括姿態角、速高比等在內的飛機運動信息，具有良好的短期精度和穩定性。基于上述優點，慣性導航定位不僅可用于空中、陸地的運動物體定位和導航，也可以用于水下和地下的運動載體的定位與導航。慣導系統是以陀螺儀和加速度計為敏感元件的導航參數解算系統，以陀螺儀的輸出數據為依據建立導航坐標系，根據加速度計的輸出計算運載體的速度、相對位置以及姿態等參數。陀螺儀是利用其陀螺效應，不依賴任何外界信息，測量載體相對慣性空間的角位移或角速度的一種儀表。對于無人偵察機而言，需要有高靈敏度、高精度的自身姿態測量數據才能保證準確的自主飛行，一般使用的是激光陀螺和光纖陀螺，其中光纖陀螺具有啟動快、抗震動和沖擊、沒有高壓、無閉鎖現象等優點，而且價格低廉，因此逐漸占據市場主導地位。加速度計是慣性姿態測量系統中另一個關鍵性元件，是用來測量運載體相對慣性坐標系運動的加速度在載體坐標系中分量，然后經過捷聯矩陣變換成沿地理坐標系的分量，最后經過一次積分就可以得到運載體的速度，而二次積分就可以得到其相應的位置。

單獨的慣性導航系統容易受到累積誤差的影響，隨著飛行時間和距離的增加，定位精度會逐漸下降，因此很多情況下都是采用組合導航定位。通過把兩種或以上的不同導航系統以適當方式綜合在一起，可以取長補短，實現性能互補，從而獲得更高的導航性能。目前比較成熟的組合導航定位方式主要有GPS/INS組合導航和地圖匹配導航定位。

2 慣性技術的應用

2.1 慣性技術在載人航天中的應用

撓性捷聯慣性測量單元用于國內載人飛船GNC分系統；測量飛船的轉動角速率、平移加速度。光纖捷聯慣性測量單元也已用于載人飛船手控交匯對接GNC分系統；測量飛船的轉動角速率、平移加速度，并完成手動交匯對接任務。光纖陀螺組合已用于目標飛行器GNC分系統，測量其轉動角速率，進行飛行器的姿態控制和穩定，并完成與飛船交會對接任務。目前，光纖慣性測量單元正用于空間站GNC分系統，提供艙體相對于慣性空間的轉動角速率以及視加速度。

2.2 慣性技術在衛星中的應用

慣性技術主要用于衛星的姿態穩定，包括用于測量姿態的陀螺儀和用于穩定的慣性執行機構。衛星用陀螺儀包括動力調諧陀螺儀、液浮陀螺儀和光纖陀螺儀。由于衛星應用要求長壽命和高可靠，而全固態的光纖陀螺在這一方面比液浮陀螺和動力調諧陀螺具有顯著優勢，因此國內衛星應用正逐漸用光纖陀螺替代傳統的轉子陀螺。目前，地面開展的研究工作表明光纖陀螺的長期穩定性已經滿足10年以上的衛星應用要求。慣性執行機構方面，基于轉子技術的飛輪和控制力矩陀螺在衛星上得到了普遍使用。由于轉子的壽命問題，磁懸浮軸承技術也已在開展試驗應用工作。

2.3 慣性技術在運載火箭中的應用

國內神舟三號之前運載火箭采用了氣浮平臺慣性測量系統，用于運載火箭的導航、指導與控制（GNC）系統；測量運載火箭的轉動角速率、平移加速度，同時供遙測系統測量使用。神舟三號后運載火箭采用了2套撓性捷聯慣性測量單元，互為主備份，主要用于運載火箭的GNC系統；測量運載火箭的轉動角速率、平移加速度，供遙測系統測量使用。目前激光慣性測量單元和光纖慣性測量單元互為主備份，用于運載火箭GNC系統，測量箭體轉動角速率、平移加速度。光纖速率陀螺和橫法向加速度計組合正用于火箭穩定系統和姿態控制系統，測量箭體的偏航、俯仰和滾動角速度，以及箭體線加速度和姿態信息。

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，靜電陀螺；按物理原理分為轉子式陀螺、半球諧振陀螺、環形激光陀螺和光纖陀螺等。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，可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。慣性導航系統的發展方向：①傳遞對準所利用的信息多樣化，除了主子慣導提供的信息外，GPS、雷達等設備提供的信息也可用于輔助傳遞對準。②隨著傳遞對準中新的模型、誤差補償技術和濾波器技術的發展，傳遞對準的性能將會不斷提高。③可觀測度的相關研究將會繼續深入，進而更好地指導傳遞對準濾波器的設計。④發展超穩定、且累積誤差小的慣性導航組件等，為長航時載體提供無須外部信息支持的定位、導航與授時服務。

與其他導航系統相比，慣導系統同時具有信息全面、完全自主、高度隱蔽、信息實時與連續，且不受時間、地域的限制和人為因素干擾等重要特性，可在各種環境中正常工作。在導彈、火箭、飛機等需要機動、高速運行的運載體的導航、制導與控制系統中，慣性系統因其測量頻帶寬且數據頻率高、測量延時短，易于實現數字化，成為GNC系統實現快速、精確制導與控制的核心信息源，其性能對制導精度起著關鍵作用。

參考文獻：

[1]張崇猛.船舶慣性導航技術應用與展望[J].艦船科學技術，2012.

[2]張瑛.用于室內定位慣性導航技術研究[D].南京郵電大學，2015.