淺析慣性導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

溫泉

（山東航空股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

導(dǎo)航可以引導(dǎo)或者定位運(yùn)動(dòng)載體，比如，在飛機(jī)、汽車、輪船等方面都有應(yīng)用。在導(dǎo)航系統(tǒng)中，慣性導(dǎo)航是最重要的一種。慣性導(dǎo)航是利用載體上的加速度計(jì)、陀螺儀這兩種慣性元件，檢測(cè)運(yùn)動(dòng)信息。慣性導(dǎo)航技術(shù)多應(yīng)用在航空、航天和航海等領(lǐng)域，應(yīng)用于地面相對(duì)滯后，在現(xiàn)代地面戰(zhàn)爭(zhēng)需求下，才出現(xiàn)了滿足地面戰(zhàn)場(chǎng)的使用的導(dǎo)航技術(shù)。慣性導(dǎo)航技術(shù)設(shè)計(jì)多學(xué)科，是一種綜合技術(shù)，可結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)和材料工藝等。

1 慣性導(dǎo)航技術(shù)概述

慣性導(dǎo)航技術(shù)是完自主式的導(dǎo)航技術(shù)，通過(guò)慣性測(cè)量組件測(cè)量載體相對(duì)慣性空間的角速率和加速度信息，推算載體的瞬時(shí)速度和位置信息。慣性導(dǎo)航技術(shù)不需要依賴于外界信息，也不收外界因素的干擾，具有隱蔽性的特點(diǎn)。慣性導(dǎo)航技術(shù)能連續(xù)提供載體的全部定位和導(dǎo)航參數(shù)信息，如位置、線速度、角速度等。慣性導(dǎo)航技術(shù)可以分為平臺(tái)式慣性導(dǎo)航和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航。

（1）平臺(tái)式慣性導(dǎo)航。平臺(tái)式慣性導(dǎo)航是由加速度計(jì)輸出的信息，輸送到導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中，再計(jì)算定位、角速度和線速度、導(dǎo)航信息、陀螺的施矩信息。陀螺在施矩信息作用下，穩(wěn)定回路控制平臺(tái)跟蹤導(dǎo)航坐標(biāo)系在慣性空間的角速度。平臺(tái)式慣性導(dǎo)航和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航區(qū)別就是，平臺(tái)式慣性導(dǎo)航需要陀螺穩(wěn)定平臺(tái)，在加速器固定后，其敏感軸與平臺(tái)軸平行。這種導(dǎo)航坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、體積大，使用范圍較窄。

（2）捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航。捷聯(lián)式慣導(dǎo)航?jīng)]有穩(wěn)定平臺(tái)，加速度計(jì)和陀螺儀是安裝在載體上。其慣性導(dǎo)航敏感元件不僅有加速度計(jì)和陀螺儀這一種組合，還有加速度計(jì)和不可控陀螺儀的組合。陀螺在施矩信息實(shí)時(shí)傳送，在計(jì)算機(jī)中也是實(shí)時(shí)計(jì)算，捷聯(lián)慣導(dǎo)的關(guān)鍵算法有歐拉角法、方向余弦法和四元數(shù)法等。捷聯(lián)式慣導(dǎo)航要計(jì)算載體坐標(biāo)系和導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的關(guān)系，再把相關(guān)載體的加速度計(jì)信息轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航坐標(biāo)系下的信息。捷聯(lián)式慣導(dǎo)航成本低、體積小、精度高，是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主流種類。

（3）慣性導(dǎo)航組成系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)包括加速度計(jì)、陀螺穩(wěn)定平臺(tái)、導(dǎo)航計(jì)算器和控制顯示器這四個(gè)部分組成。加速度計(jì)是用于測(cè)量載體的加速度，陀螺穩(wěn)定平臺(tái)則是為加速度計(jì)提供一個(gè)坐標(biāo)基準(zhǔn)，讓加速度計(jì)能沿軸測(cè)量。導(dǎo)航計(jì)算器用來(lái)計(jì)算積分，同時(shí)，為陀螺施矩提供信號(hào)。控制顯示器可以進(jìn)行控制操作，也能顯示全部定位和導(dǎo)航參數(shù)。

（4）慣性導(dǎo)航工作原理。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是在假設(shè)物體做勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，用物力方法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位。慣性導(dǎo)航技術(shù)用陀螺穩(wěn)定平臺(tái)模擬地面，建立了一個(gè)空間直角坐標(biāo)系，包含三個(gè)坐標(biāo)軸，在坐標(biāo)軸上安裝加速度計(jì)來(lái)測(cè)量各個(gè)方向的加速度。最后，計(jì)算機(jī)計(jì)算三個(gè)方向上加速度的積分和初始速度。

2 慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展

（1）全球慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展。武器制造和軍事領(lǐng)域的需求，促使了慣性導(dǎo)航技術(shù)的出現(xiàn)，早在20 世紀(jì)50 年代，德國(guó)人就將這一技術(shù)用于火箭制導(dǎo)中，當(dāng)時(shí)還廣泛應(yīng)用于航天、航海、航空等軍事領(lǐng)域。20 世紀(jì)60 年代，出現(xiàn)了飄逸陀螺儀和激光陀螺儀，由此捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航有了重大的突破。慣性導(dǎo)航技術(shù)在發(fā)展中一直以高精度、數(shù)字化和低成本為目標(biāo)，期望能取代GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)，但是慣性導(dǎo)航技術(shù)的誤差原因還不能脫離GPS 導(dǎo)航技術(shù)。因此，在后期人們將慣性導(dǎo)航技術(shù)作為GPS 技術(shù)的一種補(bǔ)充。慣性導(dǎo)航技術(shù)以成本低、功耗低、隱蔽性好的特點(diǎn)著稱，能提高激光和光纖陀螺的精度，利用單晶硅材料做出特性優(yōu)良和精確度高的硅微慣性測(cè)量裝置。采用微電子技術(shù)新工藝后，慣性導(dǎo)航技術(shù)和現(xiàn)代控制理論相融合，迅速發(fā)展。現(xiàn)今，慣性導(dǎo)航技術(shù)正向微小化、捷聯(lián)化、組合化等方向發(fā)展。

（2）中國(guó)慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。我國(guó)早已將慣性導(dǎo)航技術(shù)納入長(zhǎng)期發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)中。經(jīng)過(guò)多年的建設(shè)，慣性導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)形成了一定的規(guī)模，有了現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)室和一支慣性導(dǎo)航技術(shù)研究隊(duì)伍。我國(guó)已經(jīng)研究出自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的慣性導(dǎo)航技術(shù)產(chǎn)品和系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航技術(shù)在我國(guó)航空航天領(lǐng)域也有涉及，比如，運(yùn)載火箭、飛機(jī)等都用到了該技術(shù)。雖然我國(guó)慣性導(dǎo)航技術(shù)和國(guó)際上先進(jìn)軍事大國(guó)有一定的差距，但是，目前的激光陀螺慣性導(dǎo)航和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航中成穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)。激光陀螺慣性系統(tǒng)將在未來(lái)占主導(dǎo)地位，也會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多的實(shí)用性產(chǎn)品。

（3）慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展方向。慣性導(dǎo)航技術(shù)在導(dǎo)航定位系統(tǒng)中有著重要的作用，未來(lái)將會(huì)出現(xiàn)多系統(tǒng)融合，自動(dòng)故障檢測(cè)和智能導(dǎo)航，這將是未來(lái)導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)，是現(xiàn)代的一種高精尖產(chǎn)業(yè)方向。平臺(tái)式導(dǎo)航慣性系統(tǒng)將逐漸被捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)替代，雖然目前的慣性導(dǎo)航技術(shù)還不能脫離GPS定位系統(tǒng)獨(dú)立存在，但是相信在未來(lái)不受外界干擾，不依賴與外界信息的慣性導(dǎo)航技術(shù)一定會(huì)出現(xiàn)。

3 慣性導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用

（1）慣性導(dǎo)航技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。慣性導(dǎo)航技術(shù)在軍事領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，對(duì)導(dǎo)航、制導(dǎo)、測(cè)量有著現(xiàn)實(shí)意義。在軍事測(cè)地準(zhǔn)備階段，慣性導(dǎo)航技術(shù)就可以全天候自主性工作。在測(cè)量中還并不受外界影響，也不需要外界提供條件。慣性導(dǎo)航技術(shù)在火炮瞄準(zhǔn)階段也能通過(guò)慣性吸引初始對(duì)準(zhǔn)，找到射角和側(cè)傾角。像類似于火炮、坦克這類的軍事武器，其射程也是一個(gè)重要的影響因素。射程和環(huán)境、載藥量都有關(guān)系，而射程增加必然命中誤差也會(huì)增加。慣性制導(dǎo)可以解決射程和精度的問(wèn)題。慣性制導(dǎo)不用依賴于GPS 系統(tǒng)，并且其具有輕、成本低、精度高的有點(diǎn)。

（2）慣性導(dǎo)航在通訊設(shè)備中的應(yīng)用。iPhone 手機(jī)在GPS 定位系統(tǒng)失去信號(hào)時(shí)，能夠利用自帶加速度和陀螺儀進(jìn)行自帶導(dǎo)航。我們有時(shí)候進(jìn)入隧道，讓就可以利用慣性導(dǎo)航技術(shù)導(dǎo)航。不僅僅在手機(jī)上，慣性導(dǎo)航技術(shù)還應(yīng)用于托運(yùn)物流和寵物追蹤。因?yàn)閼T性導(dǎo)航技術(shù)不受外界因素的影響，其中省略了一部分外部參考系，利用磁空間和陀螺儀進(jìn)行追蹤和導(dǎo)航，但是對(duì)外界使用環(huán)境有限。無(wú)線鼠標(biāo)和游戲手柄中也是基于慣性導(dǎo)航技術(shù)衍生的產(chǎn)品，慣性導(dǎo)航技術(shù)通過(guò)坐標(biāo)系將運(yùn)動(dòng)位置反應(yīng)到電腦上，再經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的處理。

（3）慣性導(dǎo)航技術(shù)在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用。各個(gè)產(chǎn)業(yè)對(duì)慣性導(dǎo)航技術(shù)的需求和側(cè)重點(diǎn)不同，但目的和方法大致相同。在航海、航天領(lǐng)域側(cè)重于其精度，而衛(wèi)星空間站則對(duì)壽命有更高的要求，因?yàn)樵诎l(fā)射或升空后是無(wú)法維修的。在軍事領(lǐng)域，則要求慣性導(dǎo)航技術(shù)滿足備戰(zhàn)需求和可靠性。慣性導(dǎo)航技術(shù)是不受外界干擾的導(dǎo)航系統(tǒng)，能滿足很多導(dǎo)航方面的需求，雖然一開(kāi)始僅僅用于軍事領(lǐng)域，但是隨著商業(yè)需要的增長(zhǎng)，慣性導(dǎo)航技術(shù)使用的范圍越來(lái)越廣。慣性導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)拓展到機(jī)器人、攝像機(jī)和玩具中。

（4）慣性導(dǎo)航和其他導(dǎo)航方式組合應(yīng)用。單一慣性導(dǎo)航系統(tǒng)存在一定的誤差，這樣會(huì)讓導(dǎo)航精度削弱。慣性導(dǎo)航不能長(zhǎng)期工作，必須定期進(jìn)行校正。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)計(jì)算和微電子、信息融合等發(fā)展，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以和其他導(dǎo)航方式組合應(yīng)用。組合導(dǎo)航是應(yīng)用了信息融合技術(shù)，采用最優(yōu)估計(jì)的方法把導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行組合，充分發(fā)揮各種優(yōu)勢(shì)。常見(jiàn)的組合導(dǎo)航方式有GPS 和慣性導(dǎo)航。GPS 系統(tǒng)成本低、可靠性高，不存在積累誤差，可以作為輸出導(dǎo)航信息進(jìn)行觀測(cè)。新型慣性導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用將向以慣性導(dǎo)航為基礎(chǔ)的組合導(dǎo)航靠攏。

4 結(jié)語(yǔ)

慣性導(dǎo)航技術(shù)在科學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)時(shí)間是受關(guān)注的焦點(diǎn)，其慣性器件體積小、成本低、精度高。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)有越來(lái)越多的技術(shù)與之相融合。慣性導(dǎo)航技術(shù)可以結(jié)合納米工藝，提高傳感器精度，降低成本和功耗，這樣才能從軍事領(lǐng)域向商業(yè)領(lǐng)域拓展。隨著市場(chǎng)及實(shí)際應(yīng)用的需求，未來(lái)導(dǎo)航系統(tǒng)的主要發(fā)展方向?qū)⑾蚋嗥蛴诮M合導(dǎo)航形式，進(jìn)行組合優(yōu)化。