淺析慣性導航技術的應用和發展

溫泉

（山東航空股份有限公司，山東 煙臺 264000）

導航可以引導或者定位運動載體，比如，在飛機、汽車、輪船等方面都有應用。在導航系統中，慣性導航是最重要的一種。慣性導航是利用載體上的加速度計、陀螺儀這兩種慣性元件，檢測運動信息。慣性導航技術多應用在航空、航天和航海等領域，應用于地面相對滯后，在現代地面戰爭需求下，才出現了滿足地面戰場的使用的導航技術。慣性導航技術設計多學科，是一種綜合技術，可結合計算機技術、精密機械技術和材料工藝等。

1 慣性導航技術概述

慣性導航技術是完自主式的導航技術，通過慣性測量組件測量載體相對慣性空間的角速率和加速度信息，推算載體的瞬時速度和位置信息。慣性導航技術不需要依賴于外界信息，也不收外界因素的干擾，具有隱蔽性的特點。慣性導航技術能連續提供載體的全部定位和導航參數信息，如位置、線速度、角速度等。慣性導航技術可以分為平臺式慣性導航和捷聯式慣性導航。

（1）平臺式慣性導航。平臺式慣性導航是由加速度計輸出的信息，輸送到導航計算機中，再計算定位、角速度和線速度、導航信息、陀螺的施矩信息。陀螺在施矩信息作用下，穩定回路控制平臺跟蹤導航坐標系在慣性空間的角速度。平臺式慣性導航和捷聯式慣性導航區別就是，平臺式慣性導航需要陀螺穩定平臺，在加速器固定后，其敏感軸與平臺軸平行。這種導航坐標系結構復雜、成本高、體積大，使用范圍較窄。

（2）捷聯式慣性導航。捷聯式慣導航沒有穩定平臺，加速度計和陀螺儀是安裝在載體上。其慣性導航敏感元件不僅有加速度計和陀螺儀這一種組合，還有加速度計和不可控陀螺儀的組合。陀螺在施矩信息實時傳送，在計算機中也是實時計算，捷聯慣導的關鍵算法有歐拉角法、方向余弦法和四元數法等。捷聯式慣導航要計算載體坐標系和導航坐標系之間的關系，再把相關載體的加速度計信息轉換為導航坐標系下的信息。捷聯式慣導航成本低、體積小、精度高，是慣性導航系統的主流種類。

（3）慣性導航組成系統。慣性導航系統包括加速度計、陀螺穩定平臺、導航計算器和控制顯示器這四個部分組成。加速度計是用于測量載體的加速度，陀螺穩定平臺則是為加速度計提供一個坐標基準，讓加速度計能沿軸測量。導航計算器用來計算積分，同時，為陀螺施矩提供信號。控制顯示器可以進行控制操作，也能顯示全部定位和導航參數。

（4）慣性導航工作原理。慣性導航系統是在假設物體做勻速運動的時候，用物力方法實現導航定位。慣性導航技術用陀螺穩定平臺模擬地面，建立了一個空間直角坐標系，包含三個坐標軸，在坐標軸上安裝加速度計來測量各個方向的加速度。最后，計算機計算三個方向上加速度的積分和初始速度。

2 慣性導航技術的發展

（1）全球慣性導航技術發展。武器制造和軍事領域的需求，促使了慣性導航技術的出現，早在20 世紀50 年代，德國人就將這一技術用于火箭制導中，當時還廣泛應用于航天、航海、航空等軍事領域。20 世紀60 年代，出現了飄逸陀螺儀和激光陀螺儀，由此捷聯式慣性導航有了重大的突破。慣性導航技術在發展中一直以高精度、數字化和低成本為目標，期望能取代GPS 導航系統，但是慣性導航技術的誤差原因還不能脫離GPS 導航技術。因此，在后期人們將慣性導航技術作為GPS 技術的一種補充。慣性導航技術以成本低、功耗低、隱蔽性好的特點著稱，能提高激光和光纖陀螺的精度，利用單晶硅材料做出特性優良和精確度高的硅微慣性測量裝置。采用微電子技術新工藝后，慣性導航技術和現代控制理論相融合，迅速發展。現今，慣性導航技術正向微小化、捷聯化、組合化等方向發展。

（2）中國慣性導航技術的發展。我國早已將慣性導航技術納入長期發展的戰略目標中。經過多年的建設，慣性導航技術已經形成了一定的規模，有了現代化的實驗室和一支慣性導航技術研究隊伍。我國已經研究出自主知識產權的慣性導航技術產品和系統。慣性導航技術在我國航空航天領域也有涉及，比如，運載火箭、飛機等都用到了該技術。雖然我國慣性導航技術和國際上先進軍事大國有一定的差距，但是，目前的激光陀螺慣性導航和捷聯式慣性導航中成穩定增長趨勢。激光陀螺慣性系統將在未來占主導地位，也會出現越來越多的實用性產品。

（3）慣性導航技術發展方向。慣性導航技術在導航定位系統中有著重要的作用，未來將會出現多系統融合，自動故障檢測和智能導航，這將是未來導航系統的特點，是現代的一種高精尖產業方向。平臺式導航慣性系統將逐漸被捷聯式慣性系統替代，雖然目前的慣性導航技術還不能脫離GPS定位系統獨立存在，但是相信在未來不受外界干擾，不依賴與外界信息的慣性導航技術一定會出現。

3 慣性導航技術的應用

（1）慣性導航技術在軍事領域的應用。慣性導航技術在軍事領域有廣泛應用，對導航、制導、測量有著現實意義。在軍事測地準備階段，慣性導航技術就可以全天候自主性工作。在測量中還并不受外界影響，也不需要外界提供條件。慣性導航技術在火炮瞄準階段也能通過慣性吸引初始對準，找到射角和側傾角。像類似于火炮、坦克這類的軍事武器，其射程也是一個重要的影響因素。射程和環境、載藥量都有關系，而射程增加必然命中誤差也會增加。慣性制導可以解決射程和精度的問題。慣性制導不用依賴于GPS 系統，并且其具有輕、成本低、精度高的有點。

（2）慣性導航在通訊設備中的應用。iPhone 手機在GPS 定位系統失去信號時，能夠利用自帶加速度和陀螺儀進行自帶導航。我們有時候進入隧道，讓就可以利用慣性導航技術導航。不僅僅在手機上，慣性導航技術還應用于托運物流和寵物追蹤。因為慣性導航技術不受外界因素的影響，其中省略了一部分外部參考系，利用磁空間和陀螺儀進行追蹤和導航，但是對外界使用環境有限。無線鼠標和游戲手柄中也是基于慣性導航技術衍生的產品，慣性導航技術通過坐標系將運動位置反應到電腦上，再經過計算機的處理。

（3）慣性導航技術在產業中的應用。各個產業對慣性導航技術的需求和側重點不同，但目的和方法大致相同。在航海、航天領域側重于其精度，而衛星空間站則對壽命有更高的要求，因為在發射或升空后是無法維修的。在軍事領域，則要求慣性導航技術滿足備戰需求和可靠性。慣性導航技術是不受外界干擾的導航系統，能滿足很多導航方面的需求，雖然一開始僅僅用于軍事領域，但是隨著商業需要的增長，慣性導航技術使用的范圍越來越廣。慣性導航技術已經拓展到機器人、攝像機和玩具中。

（4）慣性導航和其他導航方式組合應用。單一慣性導航系統存在一定的誤差，這樣會讓導航精度削弱。慣性導航不能長期工作，必須定期進行校正。隨著現代計算機計算和微電子、信息融合等發展，慣性導航系統可以和其他導航方式組合應用。組合導航是應用了信息融合技術，采用最優估計的方法把導航系統進行組合，充分發揮各種優勢。常見的組合導航方式有GPS 和慣性導航。GPS 系統成本低、可靠性高，不存在積累誤差，可以作為輸出導航信息進行觀測。新型慣性導航技術的應用將向以慣性導航為基礎的組合導航靠攏。

4 結語

慣性導航技術在科學領域長時間是受關注的焦點，其慣性器件體積小、成本低、精度高。隨著現代計算機技術的發展，將會有越來越多的技術與之相融合。慣性導航技術可以結合納米工藝，提高傳感器精度，降低成本和功耗，這樣才能從軍事領域向商業領域拓展。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更多偏向于組合導航形式，進行組合優化。