慣性導航系統(tǒng)慣性導航系統(tǒng)（InertialNavigationSystem，INS）1、基本概念慣性導航系統(tǒng)（INS）是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導航系統(tǒng)。其工作環(huán)境不僅包括空中、地面，還可以在水下。慣性導航系統(tǒng)目前已經(jīng)發(fā)展出撓性慣導、光纖慣導、激光慣導、微固態(tài)慣性儀表等多種方式。陀螺儀由傳統(tǒng)的繞線陀螺發(fā)展到靜電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺、微機械陀螺等。激光陀螺測量動態(tài)范圍寬，線性度好，性能穩(wěn)定，具有良好的溫度穩(wěn)定性和重復性，在高精度的應用領域中一直占據(jù)著主導位置。由于科技進步，成本較低的光纖陀螺（FOG）和微機械陀螺（MEMS）精度越來越高，是未來陀螺技術發(fā)展的方向。我國的慣導技術近年來已經(jīng)取得了長足進步，液浮陀螺平臺慣性導航系統(tǒng)、動力調諧陀螺四軸平臺系統(tǒng)已相繼應用于長征系列運載火箭。其他各類小型化捷聯(lián)慣導、光纖陀螺慣導、激光陀螺慣導以及匹配GPS修正的慣導裝置等也已經(jīng)大量應用于戰(zhàn)術制導武器、飛機、艦艇、運載火箭、宇宙飛船等。如漂移率0.01°-0.02°/h的新型激光陀螺捷聯(lián)系統(tǒng)在新型戰(zhàn)機上試飛，漂移率0.05°/h以下的光纖陀螺、捷聯(lián)慣導在艦艇、潛艇上的應用，以及小型化撓性捷聯(lián)慣導在各類導彈制導武器上的應用，都極大的改善了我軍裝備的性能。慣性導航系統(tǒng)有如下主要優(yōu)點：（1）由于它是不依賴于任何外部信息，也不向外部輻射能量的自主式系統(tǒng)，故隱蔽性好，也不受外界電磁干擾的影響；（2）可全天流全球、全時間地工作于空中、地球表面乃至水下；（3）能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，所產生的導航信息連續(xù)性好而且噪聲低；（4）數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好。其缺點是：（1）由于導航信息經(jīng)過積分而產生，定位誤差隨時間而增大，長期精度差；（2）每次使用之前需要較長的初始對準時間；（3）設備的價格較昂貴；（4）不能給出時間信息。但慣導有固定的漂移率，這樣會造成物體運動的誤差，因此射程遠的武器通常會采用指令、GPS等對慣導進行定時修正，以獲取持續(xù)準確的位置參數(shù)。2、慣性導航原理目前，慣性導航分為兩大類：平臺式慣導和捷聯(lián)式慣導。它們的主要區(qū)別在于，前者有實體的物理平臺，陀螺和加速度計置于由陀螺定的平臺上，該平臺跟蹤導航坐標系，以實現(xiàn)速度和位置解算，姿態(tài)數(shù)據(jù)直接取自于平臺的環(huán)架；在捷聯(lián)式慣導中，陀螺和加速度計直接固連在載體上。慣性平臺的功能由計算機完成，故有時也稱作“數(shù)學平臺”，它的姿態(tài)數(shù)據(jù)時通過計算得到的。慣導有固定的漂移率，這樣會造成物體運動的誤差，因此長射程的武器通常會采用指令、GPS等對慣導進行定時修正，以獲取持續(xù)準確的位置參數(shù)。比如中距空空導彈中段采用捷聯(lián)式慣導+指令修正，以獲取持續(xù)準確的位置參數(shù)。慣性導航的基本工作原理是以牛頓力學定律為基礎，通過測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時間進行積分，且把它變換到導航坐標系中，就能夠得到在導航坐標系中的速度、偏航角和位置等信息。慣性導航系統(tǒng)屬于一種推算導航方式．即從一已知點的位置根據(jù)連續(xù)測得的運載體航向角和速度推算出其下一點的位置．因而可連續(xù)測出運動體的當前位置。慣性導航系統(tǒng)中的陀螺儀用來形成一個導航坐標系使加速度計的測量軸穩(wěn)定在該坐標系中并給出航向和姿態(tài)角；加速度計用來測量運動體的加速度經(jīng)過對時間的一次和分得到速度，速度再經(jīng)過對時間的一次積分即可得到距離。慣性導航的發(fā)展概況由于陀螺儀是慣性導航的核心部件，因此，可以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的出現(xiàn)，將慣性技術的發(fā)展劃分為四代，但是慣性技術發(fā)展的各階段之間并無明顯界線。第一代慣性技術指1930年以前的慣性技術。自1687年牛頓三大定律的建立，并成為慣性導航的理論基礎；到l852年，傅科(LeonFoucault)提出陀螺的定義、原理及應用設想；再到1908年由安修茨(HermannAnschütz—Kaempfe)研制出世界上第一臺擺式陀螺羅經(jīng)，以及1910年的舒勒(MaxSchuler)調諧原理；第一代慣性技術奠定了整個慣性導航發(fā)展的基礎。第二代慣性技術開始于上世紀40年代火箭發(fā)展的初期，其研究內容從慣性儀表技術發(fā)展擴大到慣性導航系統(tǒng)的應用。首先是慣性技術在德國V-II火箭上的第一次成功應用。到50年代中后期，0．5nmile／h的單自由度液浮陀螺平臺慣導系統(tǒng)研制并應用成功。1968年，漂移約為0．005°／h的G6B4型動壓陀螺研制成功。這一時期，還出現(xiàn)了另一種慣性傳感器-加速度計。在技術理論研究方面，為減少陀螺儀表支承的摩擦與干擾，撓性、液浮、氣浮、磁懸浮和靜電等支承懸浮技術被逐步采用；1960年激光技術的出現(xiàn)為今后激光陀螺(RLG)的發(fā)展提供了理論支持；捷聯(lián)慣性導航(SINS)理論研究趨于完善。70年代初期，第三代慣性技術發(fā)展階段出現(xiàn)了一些新型陀螺、加速度計和相應的慣性導航系統(tǒng)(INS)，其研究目標是進一步提高INS的性能，并通過多種技術途徑來推廣和應用慣性技術。這一階段的主要陀螺包括：靜電陀螺(ESG)、動力調諧陀螺(DTG)、環(huán)形激光陀螺(RLG)、干涉式光纖陀螺IFOG等。ESG的漂移可達10-4°／h；DTG的體積小、結構簡單，隨機漂移可達0．01°／h量級；基于Sagnac干涉效應的RLG和捷聯(lián)式激光陀螺慣導系統(tǒng)(SINS)在民航方面得到應用，導航精度可達0．1nmile／h。除此之外，超導體陀螺、粒子陀螺、音叉振動陀螺、流體轉子陀螺及固態(tài)陀螺等基于不同物體原理的陀螺儀表相繼設計成功。80年代，伴隨著半導體工藝的成熟和完善，采用微機械結構和控制電路工藝制造的微機電系統(tǒng)(MEMS)開始出現(xiàn)。圖l中ε為陀螺誤差。第三、四階段折線下方到虛線上方為應用新技術制造的新型慣性傳感器。當前，慣性技術正處于第四代發(fā)展階段，其目標是實現(xiàn)高精度、高可靠性、差，第三類，也似最主要的原因，由于平臺漂移項引起的，也就是陀螺漂移誤差項。方程式中，為變量，是待求的誤差項，其它各項為已知的。2）、速度誤差方程式：從方程中可以看出，速度誤差的大小是受三類因素制約的。第一類是由于導航參數(shù)有誤差而引起的，第二類是由于平臺偏離當?shù)厮矫嬉肓薵分量，第三類則是加速度計零偏引起的。3）、位置誤差方程式它們分別由北向速度誤差和東向速度誤差及緯度誤差引起的。從平臺誤差角方程式和速度誤差方程式以及方程式可以看出，變量均為沒有做為變量形式出現(xiàn)，只要大小已知，的狀況也就確定了，因此可認為經(jīng)度誤差方程式是開環(huán)運算的。在討論慣導系統(tǒng)的誤差動態(tài)特性時，可以不考慮經(jīng)度誤差方程。為了分析慣性導航系統(tǒng)的基本特征，假定載體處于地面靜止狀態(tài)，即有于是慣性導航系統(tǒng)誤差方程可以簡化為：五、慣性導航技術的應用與發(fā)展前景1、應用概述INS是一種自主的、不對外輻射信號、不受外界干擾的導航系統(tǒng)，它以適宜的方式滿足用戶的導航需求。隨著在軍用和商業(yè)等領域導航需求的增長，慣性導航技術不斷拓展新的應用領域。其范圍已由原來的艦艇、船舶、航空飛行器、陸地車輛等，擴展到航天飛機、星際探測、制導武器、大地測量、資源勘測、地球物理測量、海洋探測、鐵路、隧道等方面，甚至在機器人、攝像機、兒童玩具中也被廣泛應用。不同領域使用慣性傳感器的目的、方法大致相同，但對器件性能要求的側重各不相同。從精度方面來看，航天與航海領域對精度要求高，其連續(xù)工作時間也長；從系統(tǒng)壽命來看，衛(wèi)星、空間站等航天器要求最高，因其發(fā)射升空后不可更換或維修；制導武器對系統(tǒng)壽命要求最短，但可能須要滿足長時間戰(zhàn)備的要求。涉及到軍事應用等領域，對可靠性要求較高。慣性傳感器的精度指標是決定價格成本的根本因素，根據(jù)應用要求須首先選擇精度指標。2、發(fā)展前景1）、慣性傳感器的發(fā)展前景就全球發(fā)展現(xiàn)狀而言，現(xiàn)有的慣性傳感器已經(jīng)可以滿足當前各種不同導航任務的精度指標要求。未來的主要目標是降低器件的成本、體積/重量和功耗等，具體包括以下幾個方面:①材料和工藝：生產廠商采用低勞動密集型生產模式和批量處理技術，選用硅片、石英、或結合光電材料(如鈮酸鋰)等新型材料，制造慣性傳感器。②成本：包括產品自身成本和操作維護費用。由于大規(guī)模的批量生產，慣性傳感器成本在大幅下降。③體積：慣性測量傳感器在不斷向輕量化、小型化、微型化方向發(fā)展；未來一些新型的慣性傳感器將無法用肉眼識別，如：NEMS(Nano—Electro—MechanicalSystem)和光學NEMS。④研究熱點：一方面集中在小型化MEMS慣性器件的性能提高和有效封裝上，另一方面集中在光學傳感器上，尤其是對采用集成光學的FOG的研究。⑤期望：在各個精度級別上，均能獲得尺寸小且價格低廉的慣性傳感器。慣性傳感器的發(fā)展情況直接決定了慣性導航系統(tǒng)的開發(fā)和應用，慣性傳感器自身的成本、體積和功耗影響了慣性導航系統(tǒng)的相應參數(shù)指標。因此，慣性測量傳感器的發(fā)展須要權衡以下幾個因素：精確性、連續(xù)性、可靠性、成本、體積/重量、功耗。2）、慣性導航技術的發(fā)展方向慣性導航系統(tǒng)的設計和發(fā)展須要考慮權衡的主要因素有：①必須針對并滿足應用的需求，其中導航性能(尤其是精度)和價格成本是首要的兩個特性指標。價格成本包含系統(tǒng)自身成本、維護成本和使用壽命。因此對于很多導航應用，合理的價格仍然被置于應用要求的最前面。導航性能包括：導航的精確性、連續(xù)性、完整性、易用性，易用性是指系統(tǒng)易于使用和維護、系統(tǒng)的自主性等。②實際的應用環(huán)境是最大的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)的體積、功耗、可靠性和可用性會關系到慣性導航系統(tǒng)能否在具體的應用環(huán)境中被采用。③提高慣性導航系統(tǒng)的通用性，拓展應用領域。慣性導航系統(tǒng)發(fā)展和技術進步呈現(xiàn)以下特點：(1)在無法接收GNSS信號或需要高度導航可靠性的應用場合，高性能的自主INS仍具有不可替代的作用。(2)GNSS技術的快速發(fā)展和進步，將取代部分傳統(tǒng)的INS應用領域。例如：RaytheonAnschütz采用GPS和固態(tài)速率傳感器研制的GPS羅經(jīng)，可以實現(xiàn)0．5°(RMS)的航向精度。上海交通大學導航、制導與控制研究所研制GPS姿態(tài)測量儀，在1m基線的情況下可獲得優(yōu)于0．2°的2-D(3)INS與其他多種導航手段組合，尤其是GNSS／INS組合導航系統(tǒng)，受到普遍關注。(4)地面車輛導航等民用市場發(fā)展迅速，價格低廉的一體化、小型化、多模式組合導航設備成為市場發(fā)展的三個重要方向，這既是慣性導航系統(tǒng)發(fā)展的機遇，也是挑戰(zhàn)。(5)針對艦船導航系統(tǒng)的設計和發(fā)展：①首先從系統(tǒng)的性能和可靠性方面考慮，須要不斷提高慣性導航系統(tǒng)自身的集成度；使其具備與其他導航手段協(xié)同工作的組合導航模式，并且提供與艦船的其他操作控制或導航設備靈活接口。②其次從降低系統(tǒng)成本角度考慮，很多學者嘗試采用中低精度的慣性測量傳感器或MEMS器件，通過改進導航系統(tǒng)配置、與其他導航手段相結合來獲得令人滿意的精度指標H矧。③須要指出的是：INS首先與GNSS組合，然后再結合聲納、圖像等其他導航手段組成艦船一體化組合導航系統(tǒng)，是最受關注的研究熱點和發(fā)展方向?？傊?，在慣性器件研究方面，體積