浅析惯性导航技术的应用和发展

温泉

（山东航空股份有限公司，山东 烟台 264000）

导航可以引导或者定位运动载体，比如，在飞机、汽车、轮船等方面都有应用。在导航系统中，惯性导航是最重要的一种。惯性导航是利用载体上的加速度计、陀螺仪这两种惯性元件，检测运动信息。惯性导航技术多应用在航空、航天和航海等领域，应用于地面相对滞后，在现代地面战争需求下，才出现了满足地面战场的使用的导航技术。惯性导航技术设计多学科，是一种综合技术，可结合计算机技术、精密机械技术和材料工艺等。

1 惯性导航技术概述

惯性导航技术是完自主式的导航技术，通过惯性测量组件测量载体相对惯性空间的角速率和加速度信息，推算载体的瞬时速度和位置信息。惯性导航技术不需要依赖于外界信息，也不收外界因素的干扰，具有隐蔽性的特点。惯性导航技术能连续提供载体的全部定位和导航参数信息，如位置、线速度、角速度等。惯性导航技术可以分为平台式惯性导航和捷联式惯性导航。

（1）平台式惯性导航。平台式惯性导航是由加速度计输出的信息，输送到导航计算机中，再计算定位、角速度和线速度、导航信息、陀螺的施矩信息。陀螺在施矩信息作用下，稳定回路控制平台跟踪导航坐标系在惯性空间的角速度。平台式惯性导航和捷联式惯性导航区别就是，平台式惯性导航需要陀螺稳定平台，在加速器固定后，其敏感轴与平台轴平行。这种导航坐标系结构复杂、成本高、体积大，使用范围较窄。

（2）捷联式惯性导航。捷联式惯导航没有稳定平台，加速度计和陀螺仪是安装在载体上。其惯性导航敏感元件不仅有加速度计和陀螺仪这一种组合，还有加速度计和不可控陀螺仪的组合。陀螺在施矩信息实时传送，在计算机中也是实时计算，捷联惯导的关键算法有欧拉角法、方向余弦法和四元数法等。捷联式惯导航要计算载体坐标系和导航坐标系之间的关系，再把相关载体的加速度计信息转换为导航坐标系下的信息。捷联式惯导航成本低、体积小、精度高，是惯性导航系统的主流种类。

（3）惯性导航组成系统。惯性导航系统包括加速度计、陀螺稳定平台、导航计算器和控制显示器这四个部分组成。加速度计是用于测量载体的加速度，陀螺稳定平台则是为加速度计提供一个坐标基准，让加速度计能沿轴测量。导航计算器用来计算积分，同时，为陀螺施矩提供信号。控制显示器可以进行控制操作，也能显示全部定位和导航参数。

（4）惯性导航工作原理。惯性导航系统是在假设物体做匀速运动的时候，用物力方法实现导航定位。惯性导航技术用陀螺稳定平台模拟地面，建立了一个空间直角坐标系，包含三个坐标轴，在坐标轴上安装加速度计来测量各个方向的加速度。最后，计算机计算三个方向上加速度的积分和初始速度。

2 惯性导航技术的发展

（1）全球惯性导航技术发展。武器制造和军事领域的需求，促使了惯性导航技术的出现，早在20 世纪50 年代，德国人就将这一技术用于火箭制导中，当时还广泛应用于航天、航海、航空等军事领域。20 世纪60 年代，出现了飘逸陀螺仪和激光陀螺仪，由此捷联式惯性导航有了重大的突破。惯性导航技术在发展中一直以高精度、数字化和低成本为目标，期望能取代GPS 导航系统，但是惯性导航技术的误差原因还不能脱离GPS 导航技术。因此，在后期人们将惯性导航技术作为GPS 技术的一种补充。惯性导航技术以成本低、功耗低、隐蔽性好的特点著称，能提高激光和光纤陀螺的精度，利用单晶硅材料做出特性优良和精确度高的硅微惯性测量装置。采用微电子技术新工艺后，惯性导航技术和现代控制理论相融合，迅速发展。现今，惯性导航技术正向微小化、捷联化、组合化等方向发展。

（2）中国惯性导航技术的发展。我国早已将惯性导航技术纳入长期发展的战略目标中。经过多年的建设，惯性导航技术已经形成了一定的规模，有了现代化的实验室和一支惯性导航技术研究队伍。我国已经研究出自主知识产权的惯性导航技术产品和系统。惯性导航技术在我国航空航天领域也有涉及，比如，运载火箭、飞机等都用到了该技术。虽然我国惯性导航技术和国际上先进军事大国有一定的差距，但是，目前的激光陀螺惯性导航和捷联式惯性导航中成稳定增长趋势。激光陀螺惯性系统将在未来占主导地位，也会出现越来越多的实用性产品。

（3）惯性导航技术发展方向。惯性导航技术在导航定位系统中有着重要的作用，未来将会出现多系统融合，自动故障检测和智能导航，这将是未来导航系统的特点，是现代的一种高精尖产业方向。平台式导航惯性系统将逐渐被捷联式惯性系统替代，虽然目前的惯性导航技术还不能脱离GPS定位系统独立存在，但是相信在未来不受外界干扰，不依赖与外界信息的惯性导航技术一定会出现。

3 惯性导航技术的应用

（1）惯性导航技术在军事领域的应用。惯性导航技术在军事领域有广泛应用，对导航、制导、测量有着现实意义。在军事测地准备阶段，惯性导航技术就可以全天候自主性工作。在测量中还并不受外界影响，也不需要外界提供条件。惯性导航技术在火炮瞄准阶段也能通过惯性吸引初始对准，找到射角和侧倾角。像类似于火炮、坦克这类的军事武器，其射程也是一个重要的影响因素。射程和环境、载药量都有关系，而射程增加必然命中误差也会增加。惯性制导可以解决射程和精度的问题。惯性制导不用依赖于GPS 系统，并且其具有轻、成本低、精度高的有点。

（2）惯性导航在通讯设备中的应用。iPhone 手机在GPS 定位系统失去信号时，能够利用自带加速度和陀螺仪进行自带导航。我们有时候进入隧道，让就可以利用惯性导航技术导航。不仅仅在手机上，惯性导航技术还应用于托运物流和宠物追踪。因为惯性导航技术不受外界因素的影响，其中省略了一部分外部参考系，利用磁空间和陀螺仪进行追踪和导航，但是对外界使用环境有限。无线鼠标和游戏手柄中也是基于惯性导航技术衍生的产品，惯性导航技术通过坐标系将运动位置反应到电脑上，再经过计算机的处理。

（3）惯性导航技术在产业中的应用。各个产业对惯性导航技术的需求和侧重点不同，但目的和方法大致相同。在航海、航天领域侧重于其精度，而卫星空间站则对寿命有更高的要求，因为在发射或升空后是无法维修的。在军事领域，则要求惯性导航技术满足备战需求和可靠性。惯性导航技术是不受外界干扰的导航系统，能满足很多导航方面的需求，虽然一开始仅仅用于军事领域，但是随着商业需要的增长，惯性导航技术使用的范围越来越广。惯性导航技术已经拓展到机器人、摄像机和玩具中。

（4）惯性导航和其他导航方式组合应用。单一惯性导航系统存在一定的误差，这样会让导航精度削弱。惯性导航不能长期工作，必须定期进行校正。随着现代计算机计算和微电子、信息融合等发展，惯性导航系统可以和其他导航方式组合应用。组合导航是应用了信息融合技术，采用最优估计的方法把导航系统进行组合，充分发挥各种优势。常见的组合导航方式有GPS 和惯性导航。GPS 系统成本低、可靠性高，不存在积累误差，可以作为输出导航信息进行观测。新型惯性导航技术的应用将向以惯性导航为基础的组合导航靠拢。

4 结语

惯性导航技术在科学领域长时间是受关注的焦点，其惯性器件体积小、成本低、精度高。随着现代计算机技术的发展，将会有越来越多的技术与之相融合。惯性导航技术可以结合纳米工艺，提高传感器精度，降低成本和功耗，这样才能从军事领域向商业领域拓展。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更多偏向于组合导航形式，进行组合优化。