惯性导航技术介绍及应用发展研究

2016-05-25谭鹏辉

科技视界 2016年12期

谭鹏辉

【摘要】本文阐述了惯性导航技术的基本原理和分类，介绍了惯性导航的核心部件陀螺仪的发展状况，并列举出代表当前最高技术水平的新型惯性器件。同时，概括了惯性技术的应用领域，并针对其优缺点介绍了一种组合导航的方式。最后指出，随着市场及实际应用的需求，未来导航系统的主要发展方向将向以惯性导航为基础的组合导航靠拢。

【关键词】惯性导航；陀螺仪；组合导航

【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

惯性导航（Inertial Navigation），利用惯性元件（加速度计）来测量运载体本身的加速度，经过积分和运算得到速度和位置，从而达到对运载体导航定位的目的。组成惯性导航系统的设备都安装在运载体内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。

惯性导航系统属于推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运动体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中，并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。

1 惯性导航介绍

惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪。

由于陀螺仪是惯性导航的核心部件，因此，按各种类型陀螺出现的先后、理论的建立和新型传感器制造技术的出现，将惯性技术的发展划分为四代：

第一代惯性技术指1930年以前的惯性技术，以牛顿力学定律为理论基础。

第二代惯性技术开始于20世纪40年代火箭发展的初期，其研究内容从惯性仪表技术发展扩大到惯性导航系统的应用。

70年代初期，第三代惯性技术发展阶段出现了一些新型陀螺、加速度计和相应的惯性导航系统（INS）。

当前，惯性技术正处于第四代发展阶段，其目标是实现高精度、高可靠性、低成本、小型化、数字化、应用领域更加广泛的导航系统。

按照惯性导航组合的安装方式，可分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统。

平台式：根据建立的坐标系不同，分为空间稳定和本地水平两种工作方式。前者台体相对惯性空间稳定，用以建立惯性坐标系。后者的特点是两个加速度计输入轴所构成的基准平面能够始终跟踪飞行器所在点的水平面。

捷联式：根据所用陀螺仪的不同，分为速率型和位置型。前者用速率陀螺仪，输出瞬时平均角速度矢量信号；后者用自由陀螺仪，输出角位移信号。

2 惯性导航技术的应用

随着在军用和商业等领域导航需求的增长，惯性导航技术不断拓展新的应用领域。其范围已由原来的舰船、航空飞行器等，扩展到星际探测、地球测量、铁路、隧道等各个方面。

INS可以提供完备、连续及高数据更新率的导航信息。但其主要缺点是定位误差随时间增大，难以长时间独立工作。解决这一问题主要有2条途径：一是，提高INS本身的精度，即通过采用新材料、新工艺和新技术，提高惯性器件的精度；二是，将其他外部传感器与INS组成组合导航系统，定期或不定期地对INS进行综合校正，对惯性器件的漂移进行补偿。前者需要花费很大的人力和财力，且精度提高有限；后者主要由软件卫星定位导航，利用在轨卫星发射的无线电信号进行定时测距。它具有覆盖范围广、全天候、高精度和近乎连续等特点，用户设备的体积小、质量轻、功率小，并易于操作，是惯性组合导航理想的辅助导航设备。惯性导航/卫星定位组合后，可克服各自的缺点，取长补短，使系统在精度、可靠性和容错性等方面获得优于2个子系统单独工作的性能。

惯性导航/卫星定位组合（如INS/GPS组合）是精确制导武器系统普遍采用的一项关键技术。目前，全球范围许多卫星定位导航系统中以GPS最为成熟，应用也最为广泛。然而，GPS系统由美国军事部门研制和控制，主要为美国及其盟国服务。许多国家正在发展自主控制的全球卫星导航系统。目前，我国的北斗卫星定位系统正在建设中，整个系统已部分投入运行。所以惯性导航/北斗卫星组合导航系统在我国具有良好的应用前景，进行惯性导航/北斗导航组合技术及其应用的研究，对我国国防建设和国家安全具有重要的战略意义和现实意义。

3 惯性导航技术的发展

惯性传感器包含加速度计和陀螺仪，陀螺仪种类多种多样，按陀螺转子主轴所具有的进动自由度数目可分为二自由度陀螺仪和单自由度陀螺仪；按支承系统可分为滚珠轴承支承陀螺，液浮、气浮与磁浮陀螺，挠性陀螺，静电陀螺；按物理原理分为转子式陀螺、半球谐振陀螺、微机械陀螺、环形激光陀螺和光纤陀螺等。

环形激光陀螺（RLG）利用光程差的原理来测量角速度。两束光波沿着同一个圆周路径反向而行，当光源与圆周均发生旋转时，两束光的行进路程不同，产生了相位差，通过测量该相位差可以测出激光陀螺的角速度。近十几年来，激光陀螺已经发展十分成熟，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进展。

光纤陀螺（FOG）使用与环形激光陀螺相同的基本原理，但其使用光纤作为激光回路，可看作是第二代激光陀螺。光纤陀螺的主要优点在于高可靠性、长寿命、快速启动、耐冲击和振动、大动态范围等，这些优点是传统机械式陀螺所无法比拟的。在高精度应用领域，光纤陀螺正在逐步取代静电陀螺。

美国国防部在重新修改制定的《发展中的科学技术清单》对惯性导航与制导技术进行阐述时，提到了一些新型的惯性传感器，如纳机电线性加速度计、超流体量子陀螺仪、原子干涉惯性传感器等，这些新型传感器被认为是下一代惯性技术的发展方向。

就全球发展现状而言，惯性导航系统发展和技术进步呈现以下特点：

1）在无法接收GNSS信号或需要高度导航可靠性的应用场合，高性能的自主INS仍具有不可替代的作用。

2）GNSS技术的快速发展和进步，将取代部分传统的INS应用领域。

3）INS与其他多种导航手段组合，尤其是GNSS/INS组合导航系统，受到普遍关注。

4）地面车辆导航等民用市场发展迅速，价格低廉的一体化、小型化、多模式组合导航设备成为市场发展的三个重要方向。

5）从性能和可靠性方面考虑，须不断提高惯性导航系统自身的集成度，使其具备与其他导航手段协同工作的组合导航模式。

4 总结

总之，在惯性器件研究方面，体积小且价格低廉、高精度和高性能的惯性传感器在未来仍将是受关注的焦点。受现代计算机技术快速发展的影响，平台式导航系统将被捷联式惯性导航系统所替代。

惯性导航是唯一的完全自主的导航方式，不依赖于任何外界信息的纯惯性导航系统依然是一个独立而有意义的研究方向。随着对高性能自主导航系统的应用需求不断增强和多模GNSS技术的广泛应用，组合导航系统将逐步替代纯粹的INS成为未来的主要导航手段。

【参考文献】