淺談慣導發展及其分類

摘 要：主要介紹了慣性導航的四個發展階段的特點，以及慣性導航系統的分類即平臺慣導和捷聯慣導。簡要說明了兩種慣導類型的結構，將兩種分類進行了對比，闡述了其工作原理，指出了不同慣導類型的優缺點。

關鍵詞：慣性導航；發展歷程；分類；優缺點

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

1 引言

慣性導航簡稱“慣導”，是一門較為綜合的前沿學科。其涉及了機電、光學、數學、力學、控制及計算機等領域[1]。慣導系統是以牛頓定律為理論支撐，用加速度計測量出載體相對于選定的坐標的加速度，在進行二次積分，得到相應的位移；用陀螺儀感知轉動角速度，經過一次積分得到轉動角度，將上述過程經過多次迭代推算出實時位置。

因為與載體外界沒有信號交流，慣性導航系統擁有完全自主性。慣導系統適應性比較強，對工作環境沒有要求，在沒有任何外界信息攝入的情況下，系統可以實現全球范圍內的導航與定位[2]。正是由于這一系列特點，使其在航天、航空、航海等領域中有著非常廣泛的應用。

2 慣導技術發展歷程

按照硬件技術的發展可將慣性導航技術劃分四個發展階段，但各階段之間并無明顯界限[3]。

上世紀三十年代以前是慣性技術發展的第一個階段。在這一階段，具體實物上的研究進展主要有1852年法國人傅科根據地球自轉原理制造出了第一臺真正意義上的陀螺儀，以及1908年的擺式陀羅經問世。理論研究方面，1687年牛頓提出了牛頓三大定律，對慣性技術的發展具有劃時代的意義；1923舒勒擺理論被提出。

上世紀40年代火箭的研究推動了慣性導航技術的發展，使其進入第二個發展階段，這一階段的發展的主要特點是不僅僅局限在硬件技術的研究上，而是更加注重慣性導航系統的具體應用[3]，其中最具代表性的是機械浮子式陀螺和擺式加速度計[4]。二戰期間，德國的V-2火箭第一次應用了慣導技術；隨后在50年代中期，B29飛機上又應用了麻省理工學院研制的單自由度液浮陀螺；60年代后期，研制出了漂移僅為0.005°/h的G6B4型動壓陀螺。在此階段，相關理論也蓬勃發展：激光技術的發展為以后其在陀螺領域的應用奠定了基礎；捷聯慣導理論發展也日漸完善。

70年代初期進入第三發展階段，在此階段出現了一些新的慣性元件和相應的慣導系統。這一階段主要陀螺包括：靜電陀螺（ESG）、動力調諧陀螺（DTG）[5]、環形激光陀螺（RLG）[6]、干涉式光纖陀螺（IFOG）[7，8]等。

當前時代是慣性技術發展的第四階段，本階段的研究重點主要集中在精確度、可靠性、成本、體積、應用領域等方面。隨著陀螺精度和漂移量的不斷優化和數字計算機的進步，捷聯慣導的優勢不斷凸顯，平臺式系統逐漸被捷聯式慣導所取代。

3 慣性導航系統的分類

3.1 平臺慣性導航

具有物理穩定平臺的慣性導航系統叫做平臺慣性導航系統，穩定平臺是平臺慣性導航系統的核心部分。測量載體加速度所用到的加速度計安裝在慣性平臺上，系統利用了陀螺儀的進動性，對其施以力矩控制，抵消了陀螺儀為了與慣性空間保持相對穩定而產生的轉動角度，使其始終跟蹤指定的導航坐標系，避免了載體運動對加速度測量產生影響，為整個系統提供了測量基準[1]。

平臺慣導的平臺可以避免載體運動對慣性元件產生影響，并且框架上的角度傳感器可以直接測量出用于導航推算的姿態角。目前平臺慣導系統已經發展到了很高的水平，但是其成本高，后期維護費用昂貴，并且采用了伺服系統，可靠性得不到保障。

3.2 捷聯慣性導航

捷聯，即把陀螺儀和加速度計直接安裝在載體上。其中陀螺儀和加速度計分別用來感知載體的角速度和線加速度信息。在安裝時，這兩種慣性元件在三維坐標系的每個方向上各安裝一個，并且保證同類型元件的輸入軸兩兩正交。姿態矩陣由陀螺儀采集到的角速度計算得到，起到“數學平臺”的作用，并且在姿態矩陣中能提取出載體的航向和姿態等信息，加速計在載體坐標中的輸出左乘轉移矩陣即得到相應的導航坐標系中的加速度信息，然后再對轉移后的加速度進行解算。

捷聯慣導系統省去了慣性平臺，大大減小了整個系統的質量、體積與成本，其敏感元件更容易安裝、維修或更換。但是把慣性元件直接固連在載體上，載體震動會對慣性元件產生沖擊，系統精度受到影響，因此需要制定相應的誤差補償方案或者采用性能更好的元件。

4 展望

慣性導航系統應用領域比較廣泛，無論地面、海上還是空中均適用。這種導航系統成本低，自主性強，尤其是捷連慣導系統擁有結構簡單、體積小、重量輕等特點。隨著科技的發展，納米元件也開始應用在慣性導航領域，慣性導航精度不斷提高，體積和重量不斷減小，費用和耗能越來越低，慣性導航技術的發展將會進入一個新的時期。

參考文獻：

[1]劉建業，曾慶化，趙偉，熊智等.導航系統理論與應用[M].西安：西北工業大學出版社，2010.

[2]秦永元.慣性導航[M].北京：科學出版社，2006.

[3]張炎華，王立瑞，戰興群，翟傳潤.慣性導航技術的新進展及發展趨勢[J].中國造船，2008，49（183）：134-144.

[4]宋海凌，馬溢清.慣性技術發展及應用需求分析[J].現代防御技術，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]張炎華，呂葵，程加斌.光纖陀螺的研究現狀及發展趨勢[J].上海交通大學學報，1998，32（08）：126，129.

[8]張睿，張炎華，汪繩武.干涉型全光纖退偏陀螺中偏振過程的研究[J].上海交通大學學報，2003，37（01）：145-148.

作者簡介：孫澤鵬（1994-），男，山東聊城人，碩士研究生在讀，研究方向：慣性導航、組合導航。