慣性導(dǎo)航技術(shù)介紹及應(yīng)用發(fā)展研究

譚鵬輝

【摘 要】本文闡述了慣性導(dǎo)航技術(shù)的基本原理和分類，介紹了慣性導(dǎo)航的核心部件陀螺儀的發(fā)展?fàn)顩r，并列舉出代表當(dāng)前最高技術(shù)水平的新型慣性器件。同時(shí)，概括了慣性技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，并針對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)介紹了一種組合導(dǎo)航的方式。最后指出，隨著市場及實(shí)際應(yīng)用的需求，未來導(dǎo)航系統(tǒng)的主要發(fā)展方向?qū)⑾蛞詰T性導(dǎo)航為基礎(chǔ)的組合導(dǎo)航靠攏。

【關(guān)鍵詞】慣性導(dǎo)航；陀螺儀；組合導(dǎo)航

【Abstract】This paper describes the basic principles and classification of inertial navigation technology， it introduces the development of the core components of inertial navigation gyroscopes， and outlines the current representative of the highest technical level of new inertial device. It summarizes the applications of inertial technology， and introduces a combination of navigation mode for their advantages and disadvantages. Finally， with the market demand and the practical application， the main direction of the future development of the navigation system will be based on the combine navigation.

【Key words】Inertial navigation； Gyroscope； Combine navigation

0 前言

慣性導(dǎo)航（Inertial Navigation），利用慣性元件（加速度計(jì)）來測量運(yùn)載體本身的加速度，經(jīng)過積分和運(yùn)算得到速度和位置，從而達(dá)到對(duì)運(yùn)載體導(dǎo)航定位的目的。組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)備都安裝在運(yùn)載體內(nèi)，工作時(shí)不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)屬于推算導(dǎo)航方式，即從一已知點(diǎn)的位置根據(jù)連續(xù)測得的運(yùn)動(dòng)體航向角和速度推算出其下一點(diǎn)的位置，因而可連續(xù)測出運(yùn)動(dòng)體的當(dāng)前位置。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的陀螺儀用來形成一個(gè)導(dǎo)航坐標(biāo)系，使加速度計(jì)的測量軸穩(wěn)定在該坐標(biāo)系中，并給出航向和姿態(tài)角；加速度計(jì)用來測量運(yùn)動(dòng)體的加速度，經(jīng)過對(duì)時(shí)間的一次積分得到速度，速度再經(jīng)過對(duì)時(shí)間的一次積分即可得到距離。

1 慣性導(dǎo)航介紹

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常由慣性測量裝置、計(jì)算機(jī)、控制顯示器等組成。慣性測量裝置包括加速度計(jì)和陀螺儀。

由于陀螺儀是慣性導(dǎo)航的核心部件，因此，按各種類型陀螺出現(xiàn)的先后、理論的建立和新型傳感器制造技術(shù)的出現(xiàn)，將慣性技術(shù)的發(fā)展劃分為四代：

第一代慣性技術(shù)指1930年以前的慣性技術(shù)，以牛頓力學(xué)定律為理論基礎(chǔ)。

第二代慣性技術(shù)開始于20世紀(jì)40年代火箭發(fā)展的初期，其研究內(nèi)容從慣性儀表技術(shù)發(fā)展擴(kuò)大到慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用。

70年代初期，第三代慣性技術(shù)發(fā)展階段出現(xiàn)了一些新型陀螺、加速度計(jì)和相應(yīng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）。

當(dāng)前，慣性技術(shù)正處于第四代發(fā)展階段，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性、低成本、小型化、數(shù)字化、應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛的導(dǎo)航系統(tǒng)。

按照慣性導(dǎo)航組合的安裝方式，可分為平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

平臺(tái)式：根據(jù)建立的坐標(biāo)系不同，分為空間穩(wěn)定和本地水平兩種工作方式。前者臺(tái)體相對(duì)慣性空間穩(wěn)定，用以建立慣性坐標(biāo)系。后者的特點(diǎn)是兩個(gè)加速度計(jì)輸入軸所構(gòu)成的基準(zhǔn)平面能夠始終跟蹤飛行器所在點(diǎn)的水平面。

捷聯(lián)式：根據(jù)所用陀螺儀的不同，分為速率型和位置型。前者用速率陀螺儀，輸出瞬時(shí)平均角速度矢量信號(hào)；后者用自由陀螺儀，輸出角位移信號(hào)。

2 慣性導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用

隨著在軍用和商業(yè)等領(lǐng)域?qū)Ш叫枨蟮脑鲩L，慣性導(dǎo)航技術(shù)不斷拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域。其范圍已由原來的艦船、航空飛行器等，擴(kuò)展到星際探測、地球測量、鐵路、隧道等各個(gè)方面。

INS可以提供完備、連續(xù)及高數(shù)據(jù)更新率的導(dǎo)航信息。但其主要缺點(diǎn)是定位誤差隨時(shí)間增大，難以長時(shí)間獨(dú)立工作。解決這一問題主要有2條途徑：一是，提高INS本身的精度，即通過采用新材料、新工藝和新技術(shù)，提高慣性器件的精度；二是，將其他外部傳感器與INS組成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，定期或不定期地對(duì)INS進(jìn)行綜合校正，對(duì)慣性器件的漂移進(jìn)行補(bǔ)償。前者需要花費(fèi)很大的人力和財(cái)力，且精度提高有限；后者主要由軟件衛(wèi)星定位導(dǎo)航，利用在軌衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號(hào)進(jìn)行定時(shí)測距。它具有覆蓋范圍廣、全天候、高精度和近乎連續(xù)等特點(diǎn)，用戶設(shè)備的體積小、質(zhì)量輕、功率小，并易于操作，是慣性組合導(dǎo)航理想的輔助導(dǎo)航設(shè)備。慣性導(dǎo)航/衛(wèi)星定位組合后，可克服各自的缺點(diǎn)，取長補(bǔ)短，使系統(tǒng)在精度、可靠性和容錯(cuò)性等方面獲得優(yōu)于2個(gè)子系統(tǒng)單獨(dú)工作的性能。

慣性導(dǎo)航/衛(wèi)星定位組合（如INS/GPS組合）是精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)普遍采用的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前，全球范圍許多衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)中以GPS最為成熟，應(yīng)用也最為廣泛。然而，GPS系統(tǒng)由美國軍事部門研制和控制，主要為美國及其盟國服務(wù)。許多國家正在發(fā)展自主控制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前，我國的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)正在建設(shè)中，整個(gè)系統(tǒng)已部分投入運(yùn)行。所以慣性導(dǎo)航/北斗衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)在我國具有良好的應(yīng)用前景，進(jìn)行慣性導(dǎo)航/北斗導(dǎo)航組合技術(shù)及其應(yīng)用的研究，對(duì)我國國防建設(shè)和國家安全具有重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實(shí)意義。

3 慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展

慣性傳感器包含加速度計(jì)和陀螺儀，陀螺儀種類多種多樣，按陀螺轉(zhuǎn)子主軸所具有的進(jìn)動(dòng)自由度數(shù)目可分為二自由度陀螺儀和單自由度陀螺儀；按支承系統(tǒng)可分為滾珠軸承支承陀螺，液浮、氣浮與磁浮陀螺，撓性陀螺，靜電陀螺；按物理原理分為轉(zhuǎn)子式陀螺、半球諧振陀螺、微機(jī)械陀螺、環(huán)形激光陀螺和光纖陀螺等。

環(huán)形激光陀螺（RLG）利用光程差的原理來測量角速度。兩束光波沿著同一個(gè)圓周路徑反向而行，當(dāng)光源與圓周均發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩束光的行進(jìn)路程不同，產(chǎn)生了相位差，通過測量該相位差可以測出激光陀螺的角速度。近十幾年來，激光陀螺已經(jīng)發(fā)展十分成熟，新型激光陀螺研究的主要成果是在激光陀螺的小型化、工程化和新型化等方面取得的進(jìn)展。

光纖陀螺（FOG）使用與環(huán)形激光陀螺相同的基本原理，但其使用光纖作為激光回路，可看作是第二代激光陀螺。光纖陀螺的主要優(yōu)點(diǎn)在于高可靠性、長壽命、快速啟動(dòng)、耐沖擊和振動(dòng)、大動(dòng)態(tài)范圍等，這些優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)機(jī)械式陀螺所無法比擬的。在高精度應(yīng)用領(lǐng)域，光纖陀螺正在逐步取代靜電陀螺。

美國國防部在重新修改制定的《發(fā)展中的科學(xué)技術(shù)清單》對(duì)慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行闡述時(shí)，提到了一些新型的慣性傳感器，如納機(jī)電線性加速度計(jì)、超流體量子陀螺儀、原子干涉慣性傳感器等，這些新型傳感器被認(rèn)為是下一代慣性技術(shù)的發(fā)展方向。

就全球發(fā)展現(xiàn)狀而言，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

1）在無法接收GNSS信號(hào)或需要高度導(dǎo)航可靠性的應(yīng)用場合，高性能的自主INS仍具有不可替代的作用。

2）GNSS技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步，將取代部分傳統(tǒng)的INS應(yīng)用領(lǐng)域。

3）INS與其他多種導(dǎo)航手段組合，尤其是GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，受到普遍關(guān)注。

4）地面車輛導(dǎo)航等民用市場發(fā)展迅速，價(jià)格低廉的一體化、小型化、多模式組合導(dǎo)航設(shè)備成為市場發(fā)展的三個(gè)重要方向。

5）從性能和可靠性方面考慮，須不斷提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)自身的集成度，使其具備與其他導(dǎo)航手段協(xié)同工作的組合導(dǎo)航模式。

4 總結(jié)

總之，在慣性器件研究方面，體積小且價(jià)格低廉、高精度和高性能的慣性傳感器在未來仍將是受關(guān)注的焦點(diǎn)。受現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的影響，平臺(tái)式導(dǎo)航系統(tǒng)將被捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所替代。

慣性導(dǎo)航是唯一的完全自主的導(dǎo)航方式，不依賴于任何外界信息的純慣性導(dǎo)航系統(tǒng)依然是一個(gè)獨(dú)立而有意義的研究方向。隨著對(duì)高性能自主導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用需求不斷增強(qiáng)和多模GNSS技術(shù)的廣泛應(yīng)用，組合導(dǎo)航系統(tǒng)將逐步替代純粹的INS成為未來的主要導(dǎo)航手段。

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[責(zé)任編輯：湯靜]