浅谈惯导发展及其分类

摘 要：主要介绍了惯性导航的四个发展阶段的特点，以及惯性导航系统的分类即平台惯导和捷联惯导。简要说明了两种惯导类型的结构，将两种分类进行了对比，阐述了其工作原理，指出了不同惯导类型的优缺点。

关键词：惯性导航；发展历程；分类；优缺点

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.254

1 引言

惯性导航简称“惯导”，是一门较为综合的前沿学科。其涉及了机电、光学、数学、力学、控制及计算机等领域[1]。惯导系统是以牛顿定律为理论支撑，用加速度计测量出载体相对于选定的坐标的加速度，在进行二次积分，得到相应的位移；用陀螺仪感知转动角速度，经过一次积分得到转动角度，将上述过程经过多次迭代推算出实时位置。

因为与载体外界没有信号交流，惯性导航系统拥有完全自主性。惯导系统适应性比较强，对工作环境没有要求，在没有任何外界信息摄入的情况下，系统可以实现全球范围内的导航与定位[2]。正是由于这一系列特点，使其在航天、航空、航海等领域中有着非常广泛的应用。

2 惯导技术发展历程

按照硬件技术的发展可将惯性导航技术划分四个发展阶段，但各阶段之间并无明显界限[3]。

上世纪三十年代以前是惯性技术发展的第一个阶段。在这一阶段，具体实物上的研究进展主要有1852年法国人傅科根据地球自转原理制造出了第一台真正意义上的陀螺仪，以及1908年的摆式陀罗经问世。理论研究方面，1687年牛顿提出了牛顿三大定律，对惯性技术的发展具有划时代的意义；1923舒勒摆理论被提出。

上世纪40年代火箭的研究推动了惯性导航技术的发展，使其进入第二个发展阶段，这一阶段的发展的主要特点是不仅仅局限在硬件技术的研究上，而是更加注重惯性导航系统的具体应用[3]，其中最具代表性的是机械浮子式陀螺和摆式加速度计[4]。二战期间，德国的V-2火箭第一次应用了惯导技术；随后在50年代中期，B29飛机上又应用了麻省理工学院研制的单自由度液浮陀螺；60年代后期，研制出了漂移仅为0.005°/h的G6B4型动压陀螺。在此阶段，相关理论也蓬勃发展：激光技术的发展为以后其在陀螺领域的应用奠定了基础；捷联惯导理论发展也日渐完善。

70年代初期进入第三发展阶段，在此阶段出现了一些新的惯性元件和相应的惯导系统。这一阶段主要陀螺包括：静电陀螺（ESG）、动力调谐陀螺（DTG）[5]、环形激光陀螺（RLG）[6]、干涉式光纤陀螺（IFOG）[7，8]等。

当前时代是惯性技术发展的第四阶段，本阶段的研究重点主要集中在精确度、可靠性、成本、体积、应用领域等方面。随着陀螺精度和漂移量的不断优化和数字计算机的进步，捷联惯导的优势不断凸显，平台式系统逐渐被捷联式惯导所取代。

3 惯性导航系统的分类

3.1 平台惯性导航

具有物理稳定平台的惯性导航系统叫做平台惯性导航系统，稳定平台是平台惯性导航系统的核心部分。测量载体加速度所用到的加速度计安装在惯性平台上，系统利用了陀螺仪的进动性，对其施以力矩控制，抵消了陀螺仪为了与惯性空间保持相对稳定而产生的转动角度，使其始终跟踪指定的导航坐标系，避免了载体运动对加速度测量产生影响，为整个系统提供了测量基准[1]。

平台惯导的平台可以避免载体运动对惯性元件产生影响，并且框架上的角度传感器可以直接测量出用于导航推算的姿态角。目前平台惯导系统已经发展到了很高的水平，但是其成本高，后期维护费用昂贵，并且采用了伺服系统，可靠性得不到保障。

3.2 捷联惯性导航

捷联，即把陀螺仪和加速度计直接安装在载体上。其中陀螺仪和加速度计分别用来感知载体的角速度和线加速度信息。在安装时，这两种惯性元件在三维坐标系的每个方向上各安装一个，并且保证同类型元件的输入轴两两正交。姿态矩阵由陀螺仪采集到的角速度计算得到，起到“数学平台”的作用，并且在姿态矩阵中能提取出载体的航向和姿态等信息，加速计在载体坐标中的输出左乘转移矩阵即得到相应的导航坐标系中的加速度信息，然后再对转移后的加速度进行解算。

捷联惯导系统省去了惯性平台，大大减小了整个系统的质量、体积与成本，其敏感元件更容易安装、维修或更换。但是把惯性元件直接固连在载体上，载体震动会对惯性元件产生冲击，系统精度受到影响，因此需要制定相应的误差补偿方案或者采用性能更好的元件。

4 展望

惯性导航系统应用领域比较广泛，无论地面、海上还是空中均适用。这种导航系统成本低，自主性强，尤其是捷连惯导系统拥有结构简单、体积小、重量轻等特点。随着科技的发展，纳米元件也开始应用在惯性导航领域，惯性导航精度不断提高，体积和重量不断减小，费用和耗能越来越低，惯性导航技术的发展将会进入一个新的时期。

参考文献：

[1]刘建业，曾庆化，赵伟，熊智等.导航系统理论与应用[M].西安：西北工业大学出版社，2010.

[2]秦永元.惯性导航[M].北京：科学出版社，2006.

[3]张炎华，王立瑞，战兴群，翟传润.惯性导航技术的新进展及发展趋势[J].中国造船，2008，49（183）：134-144.

[4]宋海凌，马溢清.惯性技术发展及应用需求分析[J].现代防御技术，2012，40（02）：55-59.

[5]GAIE.The century of inertial navigation technology[C].

[6]SMITH SG RingLaserGyros[J].Phys.Techno1，1987，18（04）.

[7]张炎华，吕葵，程加斌.光纤陀螺的研究现状及发展趋势[J].上海交通大学学报，1998，32（08）：126，129.

[8]张睿，张炎华，汪绳武.干涉型全光纤退偏陀螺中偏振过程的研究[J].上海交通大学学报，2003，37（01）：145-148.

作者简介：孙泽鹏（1994-），男，山东聊城人，硕士研究生在读，研究方向：惯性导航、组合导航。