慣性導航技術的新進展及其發展趨勢

任賜杰

摘 ? 要：慣性導航技術自20世紀30年代被提出以來得到迅速發展，慣性導航系統和相關傳感器元器件技術不斷完善。人們希望進一步提高系統的可靠性，從而降低成本、提升導航性能。慣性導航系統向著小型化、功能化的方向發展，文章主要針對慣性導航技術進行分析，在解析慣性導航技術發展歷程的基礎上，分析慣性導航技術設計與應用的影響因素，提出慣性導航技術未來的應用領域和發展趨勢。

關鍵詞：慣性導航技術;應用領域;發展趨勢

慣性導航技術作為一項綜合性技術，不僅涉及精密機械、微電子等學科，還涉及計算機技術、自動控制技術以及光學、材料等領域。近年來對慣性導航技術的需求急劇增長，計算機技術、傳感技術、自動化控制技術的發展也為慣性導航技術發展提供了基礎，推動慣性導航技術不斷發展。

1 ? ?慣性導航技術發展歷程

慣性導航技術發展分為4個階段，具體歷程如圖1所示。

1.1 ?第一代慣性導航技術

20世紀30年代之前的慣性導航技術屬于第一代慣性導航技術范疇。1687年，慣性導航技術在牛頓三大定律的基礎上發展起來，1852年，人們第一次提出陀螺的概念，分析了其原理并對其應用進行了展望。1908年，安修茨（Hermann Anschütz-Kaempfe）研制出擺式陀螺，這也是第一臺該種類型儀器。1910年，舒勒（Max Schuler）進一步發展慣性導航技術，提出調諧原理。第一代慣性導航技術的發展為整個慣性導航系統建設奠定了基礎。

1.2 ?第二代慣性導航技術

20世紀40年代第二代慣性導航技術是和火箭發展同步興起的，其不再局限于單純的慣性導航技術，隨之，慣性導航系統出現。慣性導航技術最早應用于德國V-II火箭，這也是慣性導航技術的首次應用。20世紀50年代中期，0.5 n mile/h的單自由度液浮陀螺平臺慣導系統被提出并研制成功。經過20年建設，0.005 ?/h的G6B4型動壓陀螺于1968年提出并研制成功。在技術理論研究方面也取得了重大突破，典型代表是支承懸浮技術和激光技術（1960年）、捷聯慣性導航（Strapdown Inertial Navigation System，SINS）理論，這些技術和理論基礎的發展均為慣性技術發展奠定了基礎。

1.3 ?第三代慣性導航技術

20世紀70年代，新型加速度計、陀螺儀的出現推動了新型慣性導航系統（Inertial Navigation System，INS）的興起，正式進入第三代導航技術，新型慣性導航設備和技術不斷發展要求進一步提高INS性能。這一期間各種類型的陀螺發展理論提出，不同陀螺具有不同特征，靜電陀螺（Electrostatic Gyroscope，ESG）漂移達10～4 ?/h，動力調諧陀螺（Dynamic Tuned Gyroscope，DTG）具有體積小、結構簡單的特征，漂移量級可達0.01 ?/h，環形激光陀螺（Ring Laser Gyro，RLG）和干涉式光纖陀螺（Interferometric fiber optic gyroscope，IFOG）主要應用于民航領域。另外，以粒子陀螺、超導體陀螺以及固態陀螺為代表的新興陀螺儀表也開始出現并逐漸得到應用。在20世紀80年代半導體技術發展的背景下，微機電系統（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）開始興起。

1.4 ?第四代慣性技術

新型慣性技術（21世紀）作為第四代慣性技術發展階段，具有高可靠性、高精度、小型化、數字化、低成本的特征，新型慣性技術的發展推動了導航系統的進一步發展。陀螺儀精度不斷提高，新型固態陀螺儀也不斷成熟，具有代表性的RLG，FOG，MEMS等新型固態陀螺儀的偏移量可達10～6 ?/h;數字計算機技術的發展進一步推動了SINS的發展，短期中精度、低成本特征顯著，呈現出取代平臺式系統的趨勢。在整個慣性技術發展過程中，大量的科研機構以及實驗室作出了極大貢獻。

2 ? ?慣性導航系統發展及設計的主要影響因素

2.1 ?成本性能及導航性能滿足需求

慣性導航技術具有顯著特征，最顯著的特征和特性指標是導航性能以及成本價格。對慣性導航系統而言，價格成本不僅局限于系統本身的成本，還涉及慣性系統相關設備的維護保養成本等。導航性能的最主要指標是精確性，另外還包括慣性導航系統的易操作性以及連續完整性。因此，在慣性導航系統設計應用過程中，需要結合實際需求，明確系統導航性能需求，保證其性能優越性。同時還應該充分考慮慣性導航系統的成本和價格，使價格合理。

2.2 ?應用環境適應性

慣性導航系統在實際應用過程中會因為應用領域的不同而導致應用環境的巨大差異，在設計應用過程中必須充分考慮應用環境的實際情況，將應用環境和慣性導航系統設計相結合，包括系統可靠性、能耗性以及可用性等，保證設計的慣性導航系統在應用環境中適應性良好。

2.3 ?系統通用性

上文提出慣性導航系統環境適用性問題，主要是由于慣性導航系統應用領域廣泛，因此，在慣性導航系統設計應用中，還必須要充分考慮其通用性問題，能夠應用于不同領域和不同環境中。

3 ? ?慣性導航系統應用領域概述

慣性導航系統和傳統導航系統相比，具有極強的抗干擾能力，以用戶實際導航需求為基礎進行設計與應用，目前在眾多領域中開始引用發展這一技術。最開始慣性導航系統主要應用于軍用領域，近年來，慣性導航技術開始進一步發展，應用領域進一步擴展。由原來的船舶、航空、飛行器、艦艇等領域擴展到星球探測、海洋勘探以及隧道、鐵路和大地測量等領域，在兒童玩具、智能機器人等領域中也開始應用慣性導航技術。雖然不同領域中對慣性導航系統的具體應用存在差異，對設備性能需求也有所不同，但最終目的和方法具有一致性。就海洋和航天領域而言，對慣性導航系統應用精度要求較高，一般該系統連續工作時間較長;以空間站、衛星為代表的航天器對慣性導航系統壽命要求較高;軍事領域、航空航天領域對慣性導航系統的可靠性和精度要求較高。

4 ? ?慣性導航系統發展趨勢

4.1 ?總體發展趨勢

（1）對導航精度要求較高的領域和場所，慣性導航系統具有不可替代的作用，對于無法接收全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）信號的場所，高可靠性慣性導航系統也具有很好的適用性。

（2）GNSS技術快速發展，代替了部分INS的應用領域。我國在關于GNSS的研究中，還不斷引入新技術，提高該系統應用的可靠性與精度。

（3）要想實現系統功能，往往將INS系統和其他導航技術相結合，目前技術成熟的組合導航系統代表是GNSS/INS，自該系統被提出以來得到了廣泛應用。

（4）在民用市場快速發展背景下，對慣性導航系統的需求進一步提高，成本低、一體化、小型化的組合導航設備成為慣性導航系統發展的重要趨勢，慣性導航系統面對這一發展機遇，也面臨極大挑戰。

4.2 ?工藝和材料

在分析中提出慣性導航系統導航性能是重要因素，而導致性能指標差異的關鍵因素是工藝和材料。當前在慣性導航系統設計中引入自動化生產技術，采用批量處理技術發展該系統。另外，在慣性導航系統生產材料選擇中，不局限于傳統石英和硅片，應該結合光電材料發展建設新型高精度傳感器。

4.3 ?生產成本

在慣性導航系統設計與應用中必須考慮成本因素，不僅要降低生產成本，包括傳感器等組成設備的成本也要盡可能降低，還應盡可能選擇質量好、精度高的元器件，以減少慣性導航系統的操作、維護、保養費用。

4.4 ?體積

慣性導航系統中的測量傳感器向著重量輕、體積小的方向發展，未來一些慣性傳感器甚至無法用肉眼識別，例如奈姆斯機電系統（Nano-Electromechanical System，NEMS）和光學NEMS等。

5 ? ?結語

在未來慣性導航系統的發展中，小體積、低成本、高性能是必然發展趨勢。在系統發展的同時應不斷提高傳感器的精度和性能，尤其在新世紀，計算機技術和高科技的發展、普及使得慣性導航系統不斷發展，能實現導航方式完全自主化的系統具有廣泛的應用前景。

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