慣性導航技術及應用實踐

肖春芳　馬軼男　陳為

慣性技術具有自主性優良、抗干擾性突出、隱蔽等特性，并引起了世界各國的高度關注，特別是在航空以及航海等軍事活動中得到了大面積應用。近幾年，現代慣性元件高度發展，光纖陀螺和微機電陀螺等憑借體積小、優良穩定、抗沖擊能力突出等特點在社會生產活動中得到了高度重視。本文筆者將依照自身的工作經驗，重點剖析慣性導航技術。

導航系統在飛機、車輛和導彈等常規運載體上發揮著重要作用，其根本任務是依據預定計劃于航線，按照規定的精度，把載體引入目的地。它主要包含陀螺儀、加速度計等部件，為落實載體位置，掌握慣性導航系統經由規范測量運動角速以及加速度，利用數字計算機借助數學積分得到導航數據。形成于慣性原理條件之上的系統不涉及外來信息，且不對外輻射信息，只借助慣導系統便可在任何情況下實施三維定位與定向，其在軍事范疇中得到了高度應用。

慣性導航簡析

慣性導航是經由飛行器加速度檢測，輔以自主積分運算得到飛行器自身的瞬時速度與位置數據的一種技術。其構成設備均裝設于運載體中，在工作過程不依靠外界信息，同時，還不會對外輻射能量，一般不會受到干擾，這是一種自主性較強的導航系統。慣性測量裝置、計算機和控制顯示器等多個部分一起構成了慣性導航系統，慣性測量裝置涵蓋加速度計與陀螺儀，也被稱作慣性測量單元，其中加速度計用來檢測平移運動對應的加速度，而陀螺儀用來檢測轉動運動。計算機依照獲取的加速度信號來求解運載體自身的速度與位置數據，在控制顯示器中呈現各種導航參數。慣性導航系統具有諸多優點：不依靠外部信息，免受外界干擾，隱蔽性優良；能夠全時段運轉在空中、地球表面和水下；能夠得到位置、速度以及航向等數據，所形成的導航信息不僅連續，而且噪聲極低；數據更新及時、精準，可靠。但也存在一定的缺點，設備價格偏高，無法提供時間信息。

應用實踐

近些年，軍用及商業等面向導航提出了較大的需求，慣性導航技術逐步完善和提升，所涉及的范圍也從最初的艦船和航空飛行器蔓延至國際探測與地球測量等不同方面。

INS能夠提供健全、連續與實時的導航信息。然而，其最大缺點便是定位誤差可能會因時間推移不斷增大，無法獨立工作。為解決上述問題，可從以下兩個途徑著手：一方面，增加INS的精準性，具體是利用新材料與新工藝來提升慣性器件的可靠性；另一方面，把別的外部傳感器和INS一起構建成組合系統，有計劃或不定期面向INS實施綜合校正，填補慣性器件漂移空白。前者一般需要投入較多的物質資源，且精準性也不是十分理想。后者主要通過軟件衛星完成定位導航工作，經由在軌衛星傳送的無線電信號實施定時測距。這一方式具有覆蓋面寬泛、精準度優良與全天候等諸多特點，另外，設備體積不大、便于操作，這是組合導航的有效導航設備。而慣性導航和衛星定位組合能夠填補各自的缺陷，實現優勢互補，讓系統能夠在精準性、穩定性與容錯性都遠遠優于獨立工作。

慣性導航與衛星定位組合在精準制導武器系統中較為常見。現階段，在全世界范圍，定位導航系統應用和發展最為成熟的便是GPS，但GPS源于美國軍事部門，一般服務于美國和相關盟國。大部分國家正在試圖探究能夠自主控制、獨立的導航系統。在我國，當下北斗定位系統正處于建設過程，整個系統其中的一部分開始投入運行。由此可知，慣性導航和北斗衛星組合非常可觀，其發展前景一片光明，我們應加大相關研究，并推動國防建設，提升國家安全。

慣性導航技術的未來發展

慣性傳感器涉及加速度計、陀螺儀，且陀螺儀種類十分多樣，依據陀螺轉子主軸內部的自由度數目能夠劃分成單自由度以及二自由度這兩種類型；依據支承系統能夠劃分成滾珠軸承、靜電和撓性陀螺等多個類型；依據物理原理還能夠劃分成微機械陀螺以及光纖陀螺等。

美國國防部通過科學技術清單圍繞慣性導航和制導技術展開了全面的闡述，談到現代慣性傳感器，這在某種程度上為下一代慣性技術指明了發展方向。

從全球發展現狀來說，慣性導航系統在發展與技術層面主要表現出下述特性：在不能接收GNSS信號等條件下，性能優良的INS具有顯著的優越性；GNSS技術的高度發展與大力進步，會逐步取締INS的某些應用領域；INS和別的導航手段之間的融合，特別是GNSS和INS組合將引起高度關注；民用市場高度發展，價格經濟的一體化、綜合性、小體積的組合的設備將成為主要研究方向。

質量管理手段

質量管理是指落實質量方針、目標和職責，且經由質量體系內的質量策劃、控制、保證與改進來達成全部活動。從性能與穩定性層面而言，一定要不斷增加慣性導航系統整體的集成度，讓它擁有和別的導航手段一起工作的組合協調模式。近幾年，慣性導航技術的實際應用范圍不斷拓展，從最初的艦艇和船舶等，延伸至航天飛機與制導武器等不同方面。另外，還對器件性能、精準性和可靠性提出了更高的要求，這要求我們應對此進行的全面的質量管理，從系統的觀點出發探究質量問題，將各部門在探究質量、保證質量與改善質量方面所進行的活動構成統一整體，以此來控制經濟支出、有效迎合導航需求。

在未來，慣性傳感器研究會把焦點放在高性能、低成本與高精度上。基于計算機技術的蓬勃發展，捷聯慣性導航會逐步取締平臺導航系統。慣性導航屬于自主導航，其對外界依賴較小。另外，隨著相關需求的逐步提升與多模GNSS的大面積應用，新型組合導航系統會越來越受歡迎。