但凡出行，都離不開(kāi)導(dǎo)航，無(wú)人機(jī)飛行也一樣。導(dǎo)航的方法和手段有許多，最傳統(tǒng)的是航圖導(dǎo)航，最流行的是衛(wèi)星導(dǎo)航，最具獨(dú)立性的是慣性導(dǎo)航；無(wú)人機(jī)上用到的是衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航。說(shuō)到底，導(dǎo)航就是三個(gè)問(wèn)題：我在哪？我去哪？怎么走？關(guān)鍵就是兩個(gè)字：定位。定位的問(wèn)題解決了，我在哪、我去哪以及怎么走的問(wèn)題也都迎刃而解了。

一、衛(wèi)星導(dǎo)航

航圖導(dǎo)航（航圖，是航空地圖的簡(jiǎn)稱）的航路點(diǎn)是由飛行員依據(jù)航圖和地標(biāo)確定的，如果航路點(diǎn)可以由衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)給出，這就產(chǎn)生了衛(wèi)星導(dǎo)航。

美國(guó)GPS星座示意圖

以美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）為例，系統(tǒng)采用24顆衛(wèi)星，離地高度2萬(wàn)200千米，12小時(shí)環(huán)繞地球一圈，保證在任意時(shí)刻，在地面上的任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星。系統(tǒng)采用三星定位原理。任一時(shí)刻衛(wèi)星的位置都是已知的，任一顆衛(wèi)星到接收機(jī)的距離可以通過(guò)信號(hào)往返時(shí)間求得，由此便可以通過(guò)三星定位確定接收機(jī)的空間位置?？紤]到衛(wèi)星時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，引入第四顆衛(wèi)星用于消除誤差，從而求得任一時(shí)刻接收機(jī)的實(shí)時(shí)位置。已知接收機(jī)的位置（航路起點(diǎn)），如果再明確了航路終點(diǎn)，便可以依據(jù)數(shù)字地圖進(jìn)行航路規(guī)劃，確定航路轉(zhuǎn)彎點(diǎn)、檢查點(diǎn)等，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上，依據(jù)航跡、航線等完成衛(wèi)星導(dǎo)航。

二、慣性導(dǎo)航

衛(wèi)星導(dǎo)航依賴于衛(wèi)星信號(hào)，接收機(jī)容易受到外部干擾，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。在這一點(diǎn)上，具有自主導(dǎo)航能力的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)就顯示出了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

慣導(dǎo)系統(tǒng)基本組成

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要由陀螺穩(wěn)定平臺(tái)、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)和顯示控制裝置等組成。

陀螺穩(wěn)定平臺(tái)，包括三軸陀螺、加速度計(jì)、穩(wěn)定回路等

在無(wú)人機(jī)的慣導(dǎo)系統(tǒng)（INS=Inertial?Navigation System）中，通常會(huì)使用三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀作為IMU的主要傳感器。加速度計(jì)用于測(cè)量飛行器的加速度，并通過(guò)積分計(jì)算速度和位置。陀螺儀則用于測(cè)量飛行器的角速度，并通過(guò)積分計(jì)算姿態(tài)。 ? ?

三、慣性導(dǎo)航的基本原理和步驟

以下是慣性導(dǎo)航的基本原理和步驟：

初始化：在開(kāi)始飛行之前，需要對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。這包括校準(zhǔn)傳感器、獲取初始位置和姿態(tài)，并設(shè)置初始速度為零。

傳感器測(cè)量：在飛行過(guò)程中，加速度計(jì)和陀螺儀持續(xù)地測(cè)量飛行器的加速度和角速度。這些測(cè)量值通常以每個(gè)軸的三個(gè)分量表示。

加速度計(jì)數(shù)據(jù)處理：通過(guò)對(duì)加速度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行積分，可以計(jì)算出飛行器的速度和位置。積分過(guò)程中，可能會(huì)引入累積誤差，因此通常需要使用陀螺儀數(shù)據(jù)進(jìn)行校正或采用更復(fù)雜的誤差補(bǔ)償算法。

陀螺儀數(shù)據(jù)處理：陀螺儀測(cè)量的角速度用于計(jì)算飛行器的姿態(tài)。通過(guò)對(duì)角速度進(jìn)行積分，可以得到姿態(tài)隨時(shí)間的變化。同樣，由于積分誤差的累積，可能需要進(jìn)行誤差補(bǔ)償或校正。

姿態(tài)更新：使用陀螺儀數(shù)據(jù)得到的姿態(tài)信息可以與其他傳感器（如 GPS、羅盤）提供的姿態(tài)信息進(jìn)行融合，以優(yōu)化姿態(tài)估計(jì)的精度和穩(wěn)定性。常用的融合算法包括卡爾曼濾波器和互補(bǔ)濾波器。

導(dǎo)航解算：通過(guò)綜合加速度計(jì)、陀螺儀和其他傳感器提供的姿態(tài)、速度和位置信息，可以進(jìn)行導(dǎo)航解算，得到飛行器的當(dāng)前位置和速度。

慣導(dǎo)系統(tǒng)有兩大獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：一是可以不依賴于外界信息和地面輔助設(shè)備等獨(dú)立工作，自主性好，抗干擾性強(qiáng)；二是慣導(dǎo)系統(tǒng)可以和飛行控制系統(tǒng)、動(dòng)力控制系統(tǒng)和火力控制系統(tǒng)交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)飛/推/火一體控制，提高飛行控制效能和飛機(jī)綜合作戰(zhàn)效能。因此，慣導(dǎo)系統(tǒng)是軍機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的必備選擇。慣導(dǎo)系統(tǒng)的最大問(wèn)題在于陀螺儀存在漂移誤差，不適于獨(dú)立地長(zhǎng)時(shí)間用于遠(yuǎn)程導(dǎo)航，實(shí)際采用的大都是以慣性導(dǎo)航為主體的兩種或兩種以上導(dǎo)航手段的組合導(dǎo)航。 ? 早期的飛行器使用機(jī)械慣導(dǎo)系統(tǒng)，其中最重要的就是陀螺儀。現(xiàn)在的MEMS陀螺儀輸出的是角速度，而機(jī)械陀螺儀則可以直接給出角度信息。陀螺儀原理可以參考mit這節(jié)經(jīng)典力學(xué)課程： MEMS陀螺儀工作原理，可以參考ADI這個(gè)視頻：

不管是用哪種方式，最終是要得到3個(gè)角度：航向角、橫滾角、俯仰角。有了這3個(gè)角度，便知道了飛行姿態(tài)，進(jìn)而對(duì)姿態(tài)進(jìn)行控制和調(diào)整。 ? ?

審核編輯：黃飛