慣性導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　慣性導(dǎo)航（Inertial Navigation）是20 世紀(jì)中期發(fā)展起來的完自主式的導(dǎo)航技術(shù)。通過慣性測(cè)量組件（IMU）測(cè)量載體相對(duì)慣性空間的角速率和加速度信息，利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律自動(dòng)推算載體的瞬時(shí)速度和位置信息，具有不依賴外界信息、不向外界輻射能量、不受干擾、隱蔽性好的特點(diǎn)，且慣導(dǎo)系統(tǒng)能連續(xù)地提供載體的全部導(dǎo)航、制導(dǎo)參數(shù)（位置、線速度、角速度、姿態(tài)角）。

　　慣性導(dǎo)航技術(shù)，包括平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)。平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將陀螺通過平臺(tái)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。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)利用相對(duì)導(dǎo)航坐標(biāo)系角速度計(jì)算姿態(tài)矩陣，把雷體坐標(biāo)系軸向加速度信息轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系軸向并進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算。

　　慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常由慣性測(cè)量裝置、計(jì)算機(jī)、控制顯示器等組成。慣性測(cè)量裝置包括加速度計(jì)和陀螺儀，又稱慣性導(dǎo)航組合。3個(gè)自由度陀螺儀用來測(cè)量飛行器的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)；3個(gè)加速度計(jì)用來測(cè)量飛行器的3個(gè)平移運(yùn)動(dòng)的加速度。計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)得的加速度信號(hào)計(jì)算出飛行器的速度和位置數(shù)據(jù)。控制顯示器顯示各種導(dǎo)航參數(shù)。

　　慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的元件

　　1、陀螺儀

　　陀螺儀是慣性系統(tǒng)的主要元件。陀螺儀通常是指安裝在萬向支架中高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子同時(shí)可繞垂直于自轉(zhuǎn)軸的一根軸或兩根軸進(jìn)動(dòng)，前者稱單自由度陀螺儀，后者稱二自由度陀螺儀。陀螺儀具有定軸性和進(jìn)動(dòng)性，利用這些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角偏差的位置陀螺。由于光學(xué)、MEMS 等技術(shù)被引入于陀螺儀的研制，現(xiàn)在習(xí)慣上把能夠完成陀螺功能的裝置統(tǒng)稱為陀螺。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（動(dòng)力調(diào)諧式撓性陀螺儀），靜電陀螺；按物理原理分為利用高速旋轉(zhuǎn)體物理特性工作的轉(zhuǎn)子式陀螺，和利用其他物理原理工作的半球諧振陀螺、微機(jī)械陀螺、環(huán)形激光陀螺和光纖陀螺等。

　　單自由度陀螺儀敏感角速度，二自由度陀螺儀敏感角位移。為了將角速度和角位移轉(zhuǎn)換成慣性系統(tǒng)中可用的信號(hào)，陀螺儀需安裝信號(hào)傳感器。為了能控制陀螺儀按一定的規(guī)律進(jìn)動(dòng)，需安裝力矩器。

　　2、 加速度計(jì)

　　加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心元件之一。依靠它對(duì)比力的測(cè)量，完成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)確定載體的位置、速度以及產(chǎn)生跟蹤信號(hào)的任務(wù)。載體加速度的測(cè)量必須十分準(zhǔn)確地進(jìn)行，而且是在由陀螺穩(wěn)定的參考坐標(biāo)系中進(jìn)行。在不需要進(jìn)行高度控制的慣導(dǎo)系統(tǒng)中，只要兩個(gè)加速度計(jì)就可以完成以上任務(wù)，否則是應(yīng)該有三個(gè)加速度計(jì)。

　　加速度計(jì)的分類：按照輸入與輸出的關(guān)系可分為普通型、積分性和二次積分型；按物理原理可分為擺式和非擺式，擺式加速度計(jì)包括擺式積分加速度計(jì)、液浮擺式加速度計(jì)和撓性擺式加速度計(jì)，非擺式加速度計(jì)包括振梁加速度計(jì)和靜電加速度計(jì)；按測(cè)量的自由度可分為單軸、雙軸、三軸；按測(cè)量精度可分為高精度（優(yōu)于10?4m/s2）、中精度（10-2 m/s2–10-3 m/s2）和低精度（低于0.1m/s2 ）。

　　慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的原理

　　慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS，Inertial Navigation System）也稱作慣性參考系統(tǒng)，是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量（如無線電導(dǎo)航那樣）的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。其工作環(huán)境不僅包括空中、地面，還可以在水下。慣性導(dǎo)航的基本工作原理是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過測(cè)量載體在慣性參考系的加速度，將它對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，就能夠得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息。

　　慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的分類

　　1、平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

　　根據(jù)建立的坐標(biāo)系不同，又分為空間穩(wěn)定和本地水平兩種工作方式?？臻g穩(wěn)定平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的臺(tái)體相對(duì)慣性空間穩(wěn)定，用以建立慣性坐標(biāo)系。地球自轉(zhuǎn)、重力加速度等影響由計(jì)算機(jī)加以補(bǔ)償。這種系統(tǒng)多用于運(yùn)載火箭的主動(dòng)段和一些航天器上。本地水平平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)是臺(tái)體上的兩個(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（利用加速度計(jì)與陀螺儀組成舒拉回路來保證），因此加速度計(jì)不受重力加速度的影響。這種系統(tǒng)多用于沿地球表面作等速運(yùn)動(dòng)的飛行器（如飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈等）。在平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，框架能隔離飛行器的角振動(dòng)，儀表工作條件較好。平臺(tái)能直接建立導(dǎo)航坐標(biāo)系，計(jì)算量小，容易補(bǔ)償和修正儀表的輸出，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸大。

　　2、捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

　　根據(jù)所用陀螺儀的不同，分為速率型捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和位置型捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。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)。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)省去了平臺(tái)，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、維護(hù)方便，但陀螺儀和加速度計(jì)直接裝在飛行器上，工作條件不佳，會(huì)降低儀表的精度。這種系統(tǒng)的加速度計(jì)輸出的是機(jī)體坐標(biāo)系的加速度分量，需要經(jīng)計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換成導(dǎo)航坐標(biāo)系的加速度分量，計(jì)算量較大。

　　為了得到飛行器的位置數(shù)據(jù)，須對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)每個(gè)測(cè)量通道的輸出積分。陀螺儀的漂移將使測(cè)角誤差隨時(shí)間成正比地增大，而加速度計(jì)的常值誤差又將引起與時(shí)間平方成正比的位置誤差。這是一種發(fā)散的誤差（隨時(shí)間不斷增大），可通過組成舒拉回路、陀螺羅盤回路和傅科回路 3個(gè)負(fù)反饋回路的方法來修正這種誤差以獲得準(zhǔn)確的位置數(shù)據(jù)。

　　舒拉回路、陀螺羅盤回路和傅科回路都具有無阻尼周期振蕩的特性。所以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)常與無線電、多普勒和天文等導(dǎo)航系統(tǒng)組合，構(gòu)成高精度的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，使系統(tǒng)既有阻尼又能修正誤差。

　　慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度與地球參數(shù)的精度密切相關(guān)。高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)須用參考橢球來提供地球形狀和重力的參數(shù)。由于地殼密度不均勻、地形變化等因素，地球各點(diǎn)的參數(shù)實(shí)際值與參考橢球求得的計(jì)算值之間往往有差異，并且這種差異還帶有隨機(jī)性，這種現(xiàn)象稱為重力異常。正在研制的重力梯度儀能夠?qū)χ亓?chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，提供地球參數(shù)，解決重力異常問題。

　　慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展

　　世紀(jì)，牛頓研究了高速旋轉(zhuǎn)剛體的力學(xué)問題。牛頓力學(xué)定律是慣性導(dǎo)航的理論基礎(chǔ)。

　　1852年J.傅科稱這種剛體為陀螺，后來制成供姿態(tài)測(cè)量用的陀螺儀。

　　1906年H.安休茲制成陀螺方向儀，其自轉(zhuǎn)軸能指向固定的方向。

　　1907年他又在方向儀上增加擺性制成陀螺羅盤。這些成果成為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的先導(dǎo)。

　　1923年M.舒拉發(fā)表“舒拉擺”理論，解決了在運(yùn)動(dòng)載體上建立垂線的問題，使加速度計(jì)的誤差不致引起慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差的發(fā)散，為工程上實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航提供了理論依據(jù)。

　　1942年德國(guó)在V-2火箭上首先應(yīng)用了慣性導(dǎo)航原理。1954年慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在飛機(jī)上試飛成功。

　　1958年，“舡魚”號(hào)潛艇依靠慣性導(dǎo)航穿過北極在冰下航行21天。中國(guó)從1956年開始研制慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，自1970年以來，在多次發(fā)射的人造地球衛(wèi)星和火箭上，以及各種飛機(jī)上，都采用了本國(guó)研制的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。