慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用

趙浩然+焦陽+王真亮

摘 要：我國的科學(xué)技術(shù)在不斷的發(fā)展，在科學(xué)技術(shù)水平不斷提升的今天，導(dǎo)航技術(shù)越來越受到人們的重視，慣性導(dǎo)航技術(shù)是十分重要的導(dǎo)航技術(shù)之一，這一技術(shù)自身有著一定的隱蔽性，相對于其他的導(dǎo)航技術(shù)來說，還有著信息獲取完整性和導(dǎo)航自主性的特點(diǎn)。本文就是對慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用進(jìn)行分析，為相關(guān)的研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：慣性導(dǎo)航技術(shù)；發(fā)展；應(yīng)用

慣性導(dǎo)航技術(shù)主要就是指根據(jù)慣性原理，并且結(jié)合加速度計(jì)和陀螺儀等相關(guān)的硬件，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)學(xué)、物理、光學(xué)和機(jī)電等相關(guān)的知識(shí)所形成的一種導(dǎo)航參數(shù)解算技術(shù)。目前，由于慣性導(dǎo)航系數(shù)自身有著獨(dú)特的優(yōu)勢，已經(jīng)在科研、軍事和民用等相關(guān)的領(lǐng)域被應(yīng)用。

1 慣性儀表

1.1 陀螺儀

陀螺儀組要是用在獲取運(yùn)動(dòng)體角運(yùn)動(dòng)等相關(guān)的信息中，陀螺儀自身有著兩大特點(diǎn)，一方面有著進(jìn)動(dòng)性，在這樣的情況下，受到外力作用的時(shí)候，陀螺儀的陀螺轉(zhuǎn)子就能夠偏離原始的方向做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。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(gè)陀螺轉(zhuǎn)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(jù)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(zhǔn)確的測定相應(yīng)的方向。陀螺儀已經(jīng)被相關(guān)的科研人員所研究，這一研究已經(jīng)進(jìn)入到了第四個(gè)階段，也就是說出現(xiàn)了靜電陀螺、激光陀螺和振動(dòng)陀螺，上述的這三大陀螺在諸多的領(lǐng)域被應(yīng)用。由于陀螺儀自身的特性，在未來發(fā)展的過程當(dāng)中，成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、高穩(wěn)定性和高靈敏度的光纖陀螺是主要的研發(fā)方向，能夠?yàn)橄嚓P(guān)的領(lǐng)域做出突出的貢獻(xiàn)。

1.2 加速度計(jì)

相對于陀螺儀來說，加速度計(jì)主要是為了獲取運(yùn)動(dòng)體自身的加速度信息所存在的，在這一過程中，如果假設(shè)整個(gè)加速度計(jì)都是處于一種垂直狀態(tài)，那么在這一過程當(dāng)中，由于受到重力的影響，那么根據(jù)相關(guān)的物理學(xué)知識(shí)可以得知，如果在測量的過程當(dāng)中，想要獲得運(yùn)動(dòng)體的加速度，就只需要對元件的質(zhì)量進(jìn)行測量，這樣就能夠知道原件所受的力，在此基礎(chǔ)上就能夠根據(jù)相關(guān)的公式，對運(yùn)動(dòng)體的加速度進(jìn)行計(jì)算。

2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的分類

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以根據(jù)構(gòu)建導(dǎo)航坐標(biāo)系的方法的不同分為兩種，一種是捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，另外一種是平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要就是利用加速度計(jì)和陀螺儀，將這兩者全部安裝到相關(guān)的運(yùn)動(dòng)體上，這樣陀螺就能夠?qū)ο嚓P(guān)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要就是利用加速度計(jì)，將整個(gè)加速度計(jì)全部安裝的穩(wěn)定平臺(tái)上，而穩(wěn)定平臺(tái)自身是有陀螺儀進(jìn)行相應(yīng)的控制的，這樣整個(gè)平臺(tái)就能夠始終保證穩(wěn)定性，和導(dǎo)航坐標(biāo)系能夠適中保持一致，在此基礎(chǔ)上就能夠進(jìn)行相關(guān)的導(dǎo)航。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要是利用數(shù)學(xué)方法來進(jìn)行坐標(biāo)系的建立的，這一導(dǎo)航系統(tǒng)并不需要使用相關(guān)的物理平臺(tái)，有著可靠性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單和體積小的特點(diǎn)，但是這一系統(tǒng)在使用的過程中會(huì)涉及到較大的計(jì)算量，這時(shí)就需要有著高效的微處理器，還有優(yōu)秀的算法，否則捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是無法使用的。而平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有著可靠性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和體積大的缺陷，相對于捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來說，平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)逐漸的被捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所替代，這是因?yàn)槠脚_(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的缺陷極為突出，對于導(dǎo)航的準(zhǔn)確性會(huì)產(chǎn)生不良的影響。

3 慣性導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用

3.1 慣性導(dǎo)航技術(shù)在軍事上的應(yīng)用

慣性導(dǎo)航技術(shù)在軍事上被普遍的應(yīng)用，主要是利用陀螺積分加速度計(jì)的方式，結(jié)合兩個(gè)雙自由陀螺儀，就能夠形成簡單的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，在二戰(zhàn)期間，這一慣性導(dǎo)航系統(tǒng)被首次的應(yīng)用，主要是在導(dǎo)彈的制導(dǎo)上被使用。隨著科學(xué)技術(shù)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(dāng)中，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)也變得越來越成熟，主要是在戰(zhàn)斗機(jī)導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)、飛行器控制和激光武器瞄準(zhǔn)等方面被廣泛的應(yīng)用，對軍事領(lǐng)域的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

3.2 組合導(dǎo)航技術(shù)

組合導(dǎo)航技術(shù)主要是利用運(yùn)動(dòng)載體上的多個(gè)導(dǎo)航設(shè)備來提供相關(guān)的數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)具有多重性，在這樣的情況下，就能夠?qū)ο嚓P(guān)的姿態(tài)、速度和位置進(jìn)行求解，可以獲得較多的導(dǎo)航信息，而且不同的導(dǎo)航設(shè)備之間還能夠優(yōu)勢互補(bǔ)，這樣就能夠使相關(guān)的信息變得更加的準(zhǔn)確，提高了信息獲取的速度。目前，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS結(jié)合是最為理想，慣性導(dǎo)航抗干擾能力強(qiáng)，速度快，故在山洞等GPS信號(hào)較弱的地方為運(yùn)動(dòng)體提供導(dǎo)航信息，而GPS測量值可以校正慣性器件的漂移值，從而實(shí)現(xiàn)快速、高精度定位。國外在90年代前后已經(jīng)進(jìn)行了基于深組合技術(shù)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，并在1997年得到了應(yīng)用。從21世紀(jì)初開始，美國絕大部分戰(zhàn)斗機(jī)上已經(jīng)采用EGI技術(shù)逐步替代單GPS接收機(jī)，并最終淘汰單GPS接收機(jī)。值得一提的是，我國正在建設(shè)和運(yùn)行的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，也可與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采用深組合方式組成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，從而更加充分地發(fā)揮我國自主研發(fā)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)作用，有效提高定位精度和系統(tǒng)可靠性。

3.3 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在航海上應(yīng)用

自1908年德國科學(xué)家安修茨設(shè)計(jì)的單轉(zhuǎn)子擺式陀螺羅經(jīng)首次在航海上應(yīng)用，至今一百多年來，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在航海導(dǎo)航的應(yīng)用取得了不斷進(jìn)步和成功。美國海軍于1978年將Sperry Marine公司生產(chǎn)的MK16 MOD II 型陀螺穩(wěn)定器裝備于導(dǎo)彈驅(qū)逐艦上， 2005-2006年Sperry為加拿大海軍的4艘潛艇裝配了MK 49，環(huán)形激光陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)AN/WSN27型則于2000年開始大規(guī)模生產(chǎn)并裝備美國海軍艦艇，代表了慣性技術(shù)發(fā)展的最新水平。

4 慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展趨勢

上節(jié)列舉了導(dǎo)航技術(shù)當(dāng)前在各個(gè)領(lǐng)域的一些應(yīng)用，未來，慣性導(dǎo)航技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展，主要特點(diǎn)是滿足用戶需求，體現(xiàn)自身優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在：（1）繼續(xù)在GNSS信號(hào)盲區(qū)或復(fù)雜環(huán)境提供持續(xù)，可靠，連續(xù)的導(dǎo)航定位服務(wù)。（2）民用市場的巨大潛力將使慣性導(dǎo)航向小型化，低成本，多模式方向發(fā)展，例如車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，移動(dòng)端慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。（3）組合導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，增加導(dǎo)航系統(tǒng)自身的集成度，能夠與GNSS更好地協(xié)調(diào)組合，提供穩(wěn)定，可靠，高精度導(dǎo)航服務(wù)，發(fā)揮各自優(yōu)勢。（4）采用新工藝，新材料的陀螺儀，加速度計(jì)將推動(dòng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)性能進(jìn)一步提高。

5 結(jié)論

作為唯一的全自主導(dǎo)航系統(tǒng)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有著其他技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢，使得對慣性導(dǎo)航技術(shù)的研究具有很高的價(jià)值。與此同時(shí)，慣性導(dǎo)航技術(shù)在軍事，民用領(lǐng)域的利用也將越來越廣泛，在未來以組合導(dǎo)航為基礎(chǔ)的導(dǎo)航技術(shù)將使得慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和GNSS的優(yōu)勢能夠得到更加充分的發(fā)揮。

參考文獻(xiàn)

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