慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展歷程

導(dǎo)讀：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS，Inertial Navigation System）是一種利用慣性敏感器件、基準方向及最初的位置信息來確定運載體在慣性空間中的位置、方向和速度的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，也簡稱為慣導(dǎo)。

慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展歷程

第一代慣性導(dǎo)航技術(shù)指 1930 年以前的慣性技術(shù)，奠定了整個慣性導(dǎo)航發(fā)展的基礎(chǔ)。牛頓三大定律成為慣性導(dǎo)航的理論。第二代慣性技術(shù)開始于上世紀 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、加速度計和相應(yīng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其研究目標是進一步提高INS 的性能，并通過多種技術(shù)途徑來推廣和應(yīng)用慣性技術(shù)。當(dāng)前，慣性技術(shù)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、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)。比如隨著量子傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，在慣性導(dǎo)航技術(shù)中，利用原子磁共振特性構(gòu)造的微小型核磁共振陀螺慣性測量裝置具有高精度、小體積、純固態(tài)、對加速度不敏感等優(yōu)勢，成為新一代陀螺儀的研究熱點方向之一。

慣性導(dǎo)航的組成

慣性導(dǎo)航包括慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，簡稱IMU）和計算單元兩大部分。通過IMU感知物體方向、姿態(tài)等變化信息，再經(jīng)過各種轉(zhuǎn)換、補償計算得到更準確的信息。比如檢測物體的初始位置、初始朝向、初始姿態(tài)以及接下來每一刻朝向、角度的改變，然后把這些信息加一起不停地推，推算出物體現(xiàn)在的朝向和位置。

IMU主要由加速度計和陀螺儀組成，可實時檢測物體的重心方向、俯仰角、偏航角等信息，如果還加上電子羅盤和氣壓計等傳感器，那IMU的測量信息量與精度也相應(yīng)地能得到一定的提高。而計算單元則主要由姿態(tài)解算單元，積分單元和誤差補償單元這三部分組成。

慣性導(dǎo)航的工作原理

慣性導(dǎo)航的目的是實現(xiàn)自主式導(dǎo)航，即不依賴外界信息，包括衛(wèi)星信號、北極指引等。那么慣性是如何實現(xiàn)的呢？慣性導(dǎo)航工作的核心原理是：它從過去自身的運動軌跡推算出自己目前的方位。其工作技術(shù)原理不外乎就是以下三條基本公式：距離=速度×?xí)r間，速度=加速度×?xí)r間，角度=角速度×?xí)r間。首先，檢測（或設(shè)定好）初始信息，包括初始位置、初始朝向、初始姿態(tài)等。然后，用IMU時刻檢測物體運動的變化信息。其中，加速度計測量加速度，利用原理 a=F/M，測量物體的線加速度，然后乘以時間得到速度，再乘以時間就得到位移，從而確定物體的位置；而陀螺儀則測量物體的角速率，以物體的初始方位作為初始條件，對角速率進行積分，進而時刻得到物體當(dāng)前方向；還有電子羅盤，能在水平位置確認物體朝向。這3個傳感器可相互校正，得到較為準確的姿態(tài)參數(shù)。最后，通過計算單元實現(xiàn)姿態(tài)解、加速度積分、位置計算以及誤差補償，最終得到準確的導(dǎo)航信息。另外重點講講慣性導(dǎo)航是如何通過坐標系模型實現(xiàn)定位的？日常生活中，我們都通過坐標來定位，二維定位是x軸和y軸，三維定位則加上z軸。通過x軸、y軸和z軸的坐標系模型，傳感器能夠測量各軸方向的線性運動，以及圍繞各軸的旋轉(zhuǎn)運動。但在實際應(yīng)用慣性導(dǎo)航中，慣性測量器件是直接安裝在運動載體上的，因此慣性器件測得的角速度和加速度的數(shù)值都是在載體運動坐標系下的量，即傳感器得到的是以物體的固連坐標系為參照的數(shù)據(jù)（也叫地理坐標系），但我們?nèi)粘６ㄎ挥玫氖堑厍蜃鴺讼?，因此如何把測得的固連坐標系數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成地球坐標系數(shù)據(jù)，是慣性導(dǎo)航重要的第一步。此時，需要引入一個第三者才能實現(xiàn)坐標系轉(zhuǎn)換，即相對靜止的慣性坐標系——地心慣性系。地心慣性系：以地球的地心為原點，以地心指向春分點和秋分點的連線為X軸、Y軸，以地球自轉(zhuǎn)軸指向北極為Z軸組成的右手坐標系。因為春分點和秋分點不是地球表面上和地球固定的兩個點，而是地球所屬宇宙空間中兩個固定的點（因為赤道面和黃道面是固定的面）。所以，春分點和秋分點不會因為地球的自轉(zhuǎn)而移動，故地心慣性系是相對靜止的，不會隨地球自轉(zhuǎn)而移動。

地球坐標系：同樣以地球的地心為原點，x 軸穿過本初子午線（0度經(jīng)線）和赤道的交點，z 軸沿著自轉(zhuǎn)軸指向北極點，xyz 軸成右手系。明顯，x 軸是隨地球自轉(zhuǎn)而移動，故地球坐標系是相對運動的，會隨地球自轉(zhuǎn)而移動。

地理坐標系：以運載體（如下圖的P）的中心為坐標原點，x 軸指向正東方向，y 軸指向正北方向，z 軸垂直指向天上。地理坐標系會隨運載體的移動而移動。

當(dāng)運載體運行到地球的 P 點位置時，對應(yīng)的地球坐標是什么呢？地理坐標系需要怎樣旋轉(zhuǎn)才能和地球坐標系重合呢？即兩者如何實現(xiàn)變換？其實就是通過一系列復(fù)雜的數(shù)字運算，簡單而言，便是通過對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣實現(xiàn)兩個坐標系之間的旋轉(zhuǎn)變換。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要的優(yōu)點

1、完全依靠運動載體自主地完成導(dǎo)航任務(wù)，不依賴于任何外部輸入信息，也不向外輸出信息的自主式系統(tǒng)，所以具備極高的抗干擾性和隱蔽性；2、不受氣象條件限制，可全天候、全天時、全地理的工作。慣導(dǎo)系統(tǒng)不需要特定的時間或者地理因素，隨時隨地都可以運行；3、提供的參數(shù)多，比如GPS衛(wèi)星導(dǎo)航，只能給出位置，方向，速度信息，但是慣導(dǎo)同時還能提供姿態(tài)和航向信息；4、導(dǎo)航信息更新速率高，短期精度和穩(wěn)定性好。目前常見的GPS更新速率為每秒1次，但是慣導(dǎo)可以達到每秒幾百次更新甚至更高。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要的缺點

1、導(dǎo)航誤差隨時間發(fā)散，由于導(dǎo)航信息經(jīng)過積分運算產(chǎn)生，定位誤差會隨時間推移而增大，長期積累會導(dǎo)致精度差；2、每次使用之前需較長的初始對準時間。慣性導(dǎo)航需要初始對準，且對準復(fù)雜、對準時間較長；3、不能給出時間信息；4、精準的慣導(dǎo)系統(tǒng)價格昂貴，通常造價在幾十到幾百萬之間。

慣性導(dǎo)航的分類

從結(jié)構(gòu)上分，慣導(dǎo)可分兩大類：平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)。平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)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(dǎo)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。由于平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)框架能隔離運動載體的角振動，儀表工作條件較好，原始測量值采集精確，并且平臺能直接建立導(dǎo)航坐標系，計算量小，容易補償和修正儀表的輸出，但是其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積大，成本高且可靠性差。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)沒有實體的物理平臺，把陀螺和加速度計直接固定安裝在運動載體上，實質(zhì)上是通過陀螺儀計算出一個虛擬的慣性平臺，然后把加速度計測量結(jié)果旋轉(zhuǎn)到這個虛擬平臺上，再解算導(dǎo)航參數(shù)。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、維護方便，但陀螺儀和加速度計工作條件不佳，采集到的元器件原始測量值精度低。同時，捷聯(lián)慣導(dǎo)的加速度計輸出的是載體坐標系的加速度分量，需要經(jīng)計算機轉(zhuǎn)換成導(dǎo)航坐標系的加速度分量，計算量較大，且容易產(chǎn)生導(dǎo)航解算的校正、起始及排列轉(zhuǎn)換的額外誤差?？傮w來說，捷聯(lián)慣導(dǎo)精度較平臺慣導(dǎo)低，但可靠性好、更易實現(xiàn)、成本低，是目前民用慣導(dǎo)的主流技術(shù)。

慣性導(dǎo)航主要的應(yīng)用

慣性導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)最早起步于軍用，如航天、航空、制導(dǎo)武器、艦船、戰(zhàn)機等領(lǐng)域，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)價值的挖掘，慣性導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用擴展到車輛導(dǎo)航、軌道交通、隧道、消防定位、室內(nèi)定位等民用領(lǐng)域，甚至在無人機、自動駕駛、便攜式定位終端（如智能手機、兒童/老人定位追蹤器等）中也被廣泛應(yīng)用。

慣導(dǎo)系統(tǒng)為運動載體提供位置、速度、姿態(tài)（航向角、俯仰角、橫滾角）等信息，不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)T性元器件性能和慣導(dǎo)精度的要求各不相同。從精度方面來看，航空航天、軌道交通領(lǐng)域?qū)磿r定位精度要求高，且要求連續(xù)工作時間長；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；涉及到軍事應(yīng)用等領(lǐng)域，對可靠性要求較高；對于民用領(lǐng)域，如車輛導(dǎo)航、室內(nèi)定位、無人機、自動駕駛等應(yīng)用，對慣導(dǎo)系統(tǒng)的性價比要求高?？傮w來說，由于慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差累積性和對初始校準的前提要求，一般不能單獨使用，只能作為其他主定位導(dǎo)航技術(shù)（如GNSS定位、UWB定位、WLAN定位、地磁定位等）的輔助，比如車輛在GPS導(dǎo)航過程中，在失去GPS信號的情況下能夠利用自帶的加速度和陀螺儀進行慣性導(dǎo)航。因此需要結(jié)合具體行業(yè)應(yīng)用需求，有針對性的對慣導(dǎo)元器件和導(dǎo)航算法進行選型。