惯性导航技术的发展及其应用

赵浩然+焦阳+王真亮

摘 要：我国的科学技术在不断的发展，在科学技术水平不断提升的今天，导航技术越来越受到人们的重视，惯性导航技术是十分重要的导航技术之一，这一技术自身有着一定的隐蔽性，相对于其他的导航技术来说，还有着信息获取完整性和导航自主性的特点。本文就是对惯性导航技术的发展及其应用进行分析，为相关的研究提供借鉴。

关键词：惯性导航技术；发展；应用

惯性导航技术主要就是指根据惯性原理，并且结合加速度计和陀螺仪等相关的硬件，利用计算机技术、数学、物理、光学和机电等相关的知识所形成的一种导航参数解算技术。目前，由于惯性导航系数自身有着独特的优势，已经在科研、军事和民用等相关的领域被应用。

1 惯性仪表

1.1 陀螺仪

陀螺仪组要是用在获取运动体角运动等相关的信息中，陀螺仪自身有着两大特点，一方面有着进动性，在这样的情况下，受到外力作用的时候，陀螺仪的陀螺转子就能够偏离原始的方向做相应的运动。另外一方面，陀螺仪有着定轴姓，如果没有外力的作用，那么整个陀螺转子的方向一直都是恒定的方向，这一行的方向就是初始的方向。根据上述的两大特性，陀螺仪在使用的过程中，能够利用陀螺仪来准确的测定相应的方向。陀螺仪已经被相关的科研人员所研究，这一研究已经进入到了第四个阶段，也就是说出现了静电陀螺、激光陀螺和振动陀螺，上述的这三大陀螺在诸多的领域被应用。由于陀螺仪自身的特性，在未来发展的过程当中，成本低廉、结构简单、高稳定性和高灵敏度的光纤陀螺是主要的研发方向，能够为相关的领域做出突出的贡献。

1.2 加速度计

相对于陀螺仪来说，加速度计主要是为了获取运动体自身的加速度信息所存在的，在这一过程中，如果假设整个加速度计都是处于一种垂直状态，那么在这一过程当中，由于受到重力的影响，那么根据相关的物理学知识可以得知，如果在测量的过程当中，想要获得运动体的加速度，就只需要对元件的质量进行测量，这样就能够知道原件所受的力，在此基础上就能够根据相关的公式，对运动体的加速度进行计算。

2 惯性导航系统的分类

惯性导航系统可以根据构建导航坐标系的方法的不同分为两种，一种是捷联式惯性导航系统，另外一种是平台式惯性导航系统，捷联式惯性导航系统主要就是利用加速度计和陀螺仪，将这两者全部安装到相关的运动体上，这样陀螺就能够对相关的坐标转换系数进行计算。平台式惯性导航系统主要就是利用加速度计，将整个加速度计全部安装的稳定平台上，而稳定平台自身是有陀螺仪进行相应的控制的，这样整个平台就能够始终保证稳定性，和导航坐标系能够适中保持一致，在此基础上就能够进行相关的导航。捷联式惯性导航系统主要是利用数学方法来进行坐标系的建立的，这一导航系统并不需要使用相关的物理平台，有着可靠性强、结构简单和体积小的特点，但是这一系统在使用的过程中会涉及到较大的计算量，这时就需要有着高效的微处理器，还有优秀的算法，否则捷联式惯性导航系统是无法使用的。而平台式惯性导航系统有着可靠性差、结构复杂和体积大的缺陷，相对于捷联式惯性导航系统来说，平台式惯性导航系统已经逐渐的被捷联式惯性导航系统所替代，这是因为平台式惯性导航系统的缺陷极为突出，对于导航的准确性会产生不良的影响。

3 惯性导航技术的应用

3.1 惯性导航技术在军事上的应用

惯性导航技术在军事上被普遍的应用，主要是利用陀螺积分加速度计的方式，结合两个双自由陀螺仪，就能够形成简单的惯性导航系统，在二战期间，这一惯性导航系统被首次的应用，主要是在导弹的制导上被使用。随着科学技术水平的不断提升，惯性器件的性能也在逐渐的增加，在这一过程当中，惯性导航系统也变得越来越成熟，主要是在战斗机导航、导弹制导、飞行器控制和激光武器瞄准等方面被广泛的应用，对军事领域的发展做出了巨大的贡献。

3.2 组合导航技术

组合导航技术主要是利用运动载体上的多个导航设备来提供相关的数据，这种数据具有多重性，在这样的情况下，就能够对相关的姿态、速度和位置进行求解，可以获得较多的导航信息，而且不同的导航设备之间还能够优势互补，这样就能够使相关的信息变得更加的准确，提高了信息获取的速度。目前，惯性导航系统与GPS结合是最为理想，惯性导航抗干扰能力强，速度快，故在山洞等GPS信号较弱的地方为运动体提供导航信息，而GPS测量值可以校正惯性器件的漂移值，从而实现快速、高精度定位。国外在90年代前后已经进行了基于深组合技术的组合导航系统的实验研究，并在1997年得到了应用。从21世纪初开始，美国绝大部分战斗机上已经采用EGI技术逐步替代单GPS接收机，并最终淘汰单GPS接收机。值得一提的是，我国正在建设和运行的北斗导航系统，也可与惯性导航系统采用深组合方式组成组合导航系统，从而更加充分地发挥我国自主研发北斗导航系统作用，有效提高定位精度和系统可靠性。

3.3 惯性導航系统在航海上应用

自1908年德国科学家安修茨设计的单转子摆式陀螺罗经首次在航海上应用，至今一百多年来，惯性导航系统在航海导航的应用取得了不断进步和成功。美国海军于1978年将Sperry Marine公司生产的MK16 MOD II 型陀螺稳定器装备于导弹驱逐舰上， 2005-2006年Sperry为加拿大海军的4艘潜艇装配了MK 49，环形激光陀螺捷联惯性导航系统AN/WSN27型则于2000年开始大规模生产并装备美国海军舰艇，代表了惯性技术发展的最新水平。

4 惯性导航技术发展趋势

上节列举了导航技术当前在各个领域的一些应用，未来，惯性导航技术将进一步发展，主要特点是满足用户需求，体现自身优势，具体体现在：（1）继续在GNSS信号盲区或复杂环境提供持续，可靠，连续的导航定位服务。（2）民用市场的巨大潜力将使惯性导航向小型化，低成本，多模式方向发展，例如车载惯性导航系统，移动端惯性导航系统。（3）组合导航系统的进一步发展，增加导航系统自身的集成度，能够与GNSS更好地协调组合，提供稳定，可靠，高精度导航服务，发挥各自优势。（4）采用新工艺，新材料的陀螺仪，加速度计将推动惯性导航系统性能进一步提高。

5 结论

作为唯一的全自主导航系统，惯性导航系统有着其他技术不可比拟的优势，使得对惯性导航技术的研究具有很高的价值。与此同时，惯性导航技术在军事，民用领域的利用也将越来越广泛，在未来以组合导航为基础的导航技术将使得惯性导航系统和GNSS的优势能够得到更加充分的发挥。

参考文献

[1]李荣冰，杭义军，孙永荣，等.高性能微型惯性姿态系统的设计、集成与试验研究[C].惯性技术发展动态发展方向研讨会，2011.

[2]孟璇璇.基于MEMS的捷联惯导系统误差分析与补偿研究[D].上海交通大学，2005.

[3]谭宗麟.惯性导航与组合导航[M].北京：航空工业出版社，2000.endprint