慣性導航技術的發展及其應用

趙浩然+焦陽+王真亮

摘 要：我國的科學技術在不斷的發展，在科學技術水平不斷提升的今天，導航技術越來越受到人們的重視，慣性導航技術是十分重要的導航技術之一，這一技術自身有著一定的隱蔽性，相對于其他的導航技術來說，還有著信息獲取完整性和導航自主性的特點。本文就是對慣性導航技術的發展及其應用進行分析，為相關的研究提供借鑒。

關鍵詞：慣性導航技術；發展；應用

慣性導航技術主要就是指根據慣性原理，并且結合加速度計和陀螺儀等相關的硬件，利用計算機技術、數學、物理、光學和機電等相關的知識所形成的一種導航參數解算技術。目前，由于慣性導航系數自身有著獨特的優勢，已經在科研、軍事和民用等相關的領域被應用。

1 慣性儀表

1.1 陀螺儀

陀螺儀組要是用在獲取運動體角運動等相關的信息中，陀螺儀自身有著兩大特點，一方面有著進動性，在這樣的情況下，受到外力作用的時候，陀螺儀的陀螺轉子就能夠偏離原始的方向做相應的運動。另外一方面，陀螺儀有著定軸姓，如果沒有外力的作用，那么整個陀螺轉子的方向一直都是恒定的方向，這一行的方向就是初始的方向。根據上述的兩大特性，陀螺儀在使用的過程中，能夠利用陀螺儀來準確的測定相應的方向。陀螺儀已經被相關的科研人員所研究，這一研究已經進入到了第四個階段，也就是說出現了靜電陀螺、激光陀螺和振動陀螺，上述的這三大陀螺在諸多的領域被應用。由于陀螺儀自身的特性，在未來發展的過程當中，成本低廉、結構簡單、高穩定性和高靈敏度的光纖陀螺是主要的研發方向，能夠為相關的領域做出突出的貢獻。

1.2 加速度計

相對于陀螺儀來說，加速度計主要是為了獲取運動體自身的加速度信息所存在的，在這一過程中，如果假設整個加速度計都是處于一種垂直狀態，那么在這一過程當中，由于受到重力的影響，那么根據相關的物理學知識可以得知，如果在測量的過程當中，想要獲得運動體的加速度，就只需要對元件的質量進行測量，這樣就能夠知道原件所受的力，在此基礎上就能夠根據相關的公式，對運動體的加速度進行計算。

2 慣性導航系統的分類

慣性導航系統可以根據構建導航坐標系的方法的不同分為兩種，一種是捷聯式慣性導航系統，另外一種是平臺式慣性導航系統，捷聯式慣性導航系統主要就是利用加速度計和陀螺儀，將這兩者全部安裝到相關的運動體上，這樣陀螺就能夠對相關的坐標轉換系數進行計算。平臺式慣性導航系統主要就是利用加速度計，將整個加速度計全部安裝的穩定平臺上，而穩定平臺自身是有陀螺儀進行相應的控制的，這樣整個平臺就能夠始終保證穩定性，和導航坐標系能夠適中保持一致，在此基礎上就能夠進行相關的導航。捷聯式慣性導航系統主要是利用數學方法來進行坐標系的建立的，這一導航系統并不需要使用相關的物理平臺，有著可靠性強、結構簡單和體積小的特點，但是這一系統在使用的過程中會涉及到較大的計算量，這時就需要有著高效的微處理器，還有優秀的算法，否則捷聯式慣性導航系統是無法使用的。而平臺式慣性導航系統有著可靠性差、結構復雜和體積大的缺陷，相對于捷聯式慣性導航系統來說，平臺式慣性導航系統已經逐漸的被捷聯式慣性導航系統所替代，這是因為平臺式慣性導航系統的缺陷極為突出，對于導航的準確性會產生不良的影響。

3 慣性導航技術的應用

3.1 慣性導航技術在軍事上的應用

慣性導航技術在軍事上被普遍的應用，主要是利用陀螺積分加速度計的方式，結合兩個雙自由陀螺儀，就能夠形成簡單的慣性導航系統，在二戰期間，這一慣性導航系統被首次的應用，主要是在導彈的制導上被使用。隨著科學技術水平的不斷提升，慣性器件的性能也在逐漸的增加，在這一過程當中，慣性導航系統也變得越來越成熟，主要是在戰斗機導航、導彈制導、飛行器控制和激光武器瞄準等方面被廣泛的應用，對軍事領域的發展做出了巨大的貢獻。

3.2 組合導航技術

組合導航技術主要是利用運動載體上的多個導航設備來提供相關的數據，這種數據具有多重性，在這樣的情況下，就能夠對相關的姿態、速度和位置進行求解，可以獲得較多的導航信息，而且不同的導航設備之間還能夠優勢互補，這樣就能夠使相關的信息變得更加的準確，提高了信息獲取的速度。目前，慣性導航系統與GPS結合是最為理想，慣性導航抗干擾能力強，速度快，故在山洞等GPS信號較弱的地方為運動體提供導航信息，而GPS測量值可以校正慣性器件的漂移值，從而實現快速、高精度定位。國外在90年代前后已經進行了基于深組合技術的組合導航系統的實驗研究，并在1997年得到了應用。從21世紀初開始，美國絕大部分戰斗機上已經采用EGI技術逐步替代單GPS接收機，并最終淘汰單GPS接收機。值得一提的是，我國正在建設和運行的北斗導航系統，也可與慣性導航系統采用深組合方式組成組合導航系統，從而更加充分地發揮我國自主研發北斗導航系統作用，有效提高定位精度和系統可靠性。

3.3 慣性導航系統在航海上應用

自1908年德國科學家安修茨設計的單轉子擺式陀螺羅經首次在航海上應用，至今一百多年來，慣性導航系統在航海導航的應用取得了不斷進步和成功。美國海軍于1978年將Sperry Marine公司生產的MK16 MOD II 型陀螺穩定器裝備于導彈驅逐艦上， 2005-2006年Sperry為加拿大海軍的4艘潛艇裝配了MK 49，環形激光陀螺捷聯慣性導航系統AN/WSN27型則于2000年開始大規模生產并裝備美國海軍艦艇，代表了慣性技術發展的最新水平。

4 慣性導航技術發展趨勢

上節列舉了導航技術當前在各個領域的一些應用，未來，慣性導航技術將進一步發展，主要特點是滿足用戶需求，體現自身優勢，具體體現在：（1）繼續在GNSS信號盲區或復雜環境提供持續，可靠，連續的導航定位服務。（2）民用市場的巨大潛力將使慣性導航向小型化，低成本，多模式方向發展，例如車載慣性導航系統，移動端慣性導航系統。（3）組合導航系統的進一步發展，增加導航系統自身的集成度，能夠與GNSS更好地協調組合，提供穩定，可靠，高精度導航服務，發揮各自優勢。（4）采用新工藝，新材料的陀螺儀，加速度計將推動慣性導航系統性能進一步提高。

5 結論

作為唯一的全自主導航系統，慣性導航系統有著其他技術不可比擬的優勢，使得對慣性導航技術的研究具有很高的價值。與此同時，慣性導航技術在軍事，民用領域的利用也將越來越廣泛，在未來以組合導航為基礎的導航技術將使得慣性導航系統和GNSS的優勢能夠得到更加充分的發揮。

參考文獻

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