導(dǎo)航系統(tǒng)中的慣性技術(shù)

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我們駕駛汽車，按著GPS或北斗導(dǎo)航的指示行駛在陌生道路上，當(dāng)穿越隧道時導(dǎo)航系統(tǒng)依然可以為我們提供方向、速度、里程、時間等行駛數(shù)據(jù)，我們驚嘆于脫離了衛(wèi)星系統(tǒng)的信號接收，導(dǎo)航系統(tǒng)如何運行？這就是慣性技術(shù)為我們續(xù)航。

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慣性技術(shù)

慣性技術(shù)是用來實現(xiàn)運動物體姿態(tài)和運動軌跡控制的一門技術(shù)，它是慣性儀表、慣性穩(wěn)定、慣性系統(tǒng)、慣性制導(dǎo)和慣性測量等相關(guān)技術(shù)的總稱。慣性技術(shù)涉及物理、數(shù)學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、材料學(xué)、機(jī)密機(jī)械學(xué)、電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、測量技術(shù)、仿真技術(shù)、加工制造及工藝技術(shù)等，是一門多學(xué)科交叉的技術(shù)，主要研究慣性儀表和慣性系統(tǒng)的理論、設(shè)計、制造、試驗、應(yīng)用、維護(hù)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、陸地導(dǎo)航和大地測量、鉆井開隧道、地質(zhì)勘探、機(jī)器人、車輛、醫(yī)療設(shè)備等，以及照相機(jī)、手機(jī)、玩具等領(lǐng)域，總之，敏感物體的運動姿態(tài)和軌跡、定位和定向都少不了它。

慣性技術(shù)是現(xiàn)代精確導(dǎo)航、 制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的核心信息源.。在構(gòu)建陸?？仗祀?磁)五維一體信息化體系中，在實現(xiàn)軍事裝備機(jī)械化與信息化復(fù)合式發(fā)展的進(jìn)程中, 慣性技術(shù)具有不可替代的關(guān)鍵支撐作用。

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慣性技術(shù)原理

慣性導(dǎo)航技術(shù)是慣性技術(shù)的核心和發(fā)展標(biāo)志，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertia navigation system，INS)利用陀螺儀和加速度計(統(tǒng)稱為慣性儀表)同時測量載體運動的角速度和線加速度，并通過計算機(jī)實時計算出載體的三維姿態(tài)、 速度、 位置等導(dǎo)航信息。

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陀螺儀就是慣性制導(dǎo)的基礎(chǔ)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有平臺式和捷聯(lián)式兩類實現(xiàn)方案：前者有跟蹤導(dǎo)航坐標(biāo)系的物理平臺, 慣性儀表安裝在平臺上, 對加速度計信號進(jìn)行積分可得到速度及位置信息, 姿態(tài)信息由平臺環(huán)架上的姿態(tài)角傳感器提供；慣導(dǎo)平臺可隔離載體角運動, 因而能降低動態(tài)誤差, 但存在體積大、 可靠性低、 成本高、 維護(hù)不便等不足。

捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)沒有物理平臺, 慣性儀表與載體直接固連, 慣性平臺功能由計算機(jī)軟件實現(xiàn), 姿態(tài)角通過計算得到, 也稱為 “數(shù)學(xué)平臺”。

慣導(dǎo)系統(tǒng)的基本方程(比力方程)如式(1)所示：

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式中，

?為載體的地速矢量，

?是加速度計測量值(比力)，

?為地球轉(zhuǎn)速，

?為平臺相對地球的轉(zhuǎn)速，

?為重力加速度，

?為哥氏加速度項，

?為離心加速度項。

由于捷聯(lián)系統(tǒng)中慣性儀表要承受載體角運動的影響, 故要求其動態(tài)范圍大、 頻帶寬、 環(huán)境適應(yīng)性好等, 對導(dǎo)航計算機(jī)的速度與容量要求較高. 捷聯(lián)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、 可靠性高、 質(zhì)量輕、 體積小、 功耗低、維護(hù)方便、 成本低等優(yōu)點, 也便于與其他導(dǎo)航系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行集成化、 一體化設(shè)計, 已成為現(xiàn)代慣性系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主流方案。

慣性導(dǎo)航技術(shù)的特點

與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比, 慣導(dǎo)系統(tǒng)同時具有信息全面、 完全自主、 高度隱蔽、 信息實時與連續(xù), 且不受時間、 地域的限制和人為因素干擾等重要特性(見表 1), 可在空中、 水中、 地下等各種環(huán)境中正常工作。

在導(dǎo)彈、 火箭、 飛機(jī)等需要機(jī)動、 高速運行的運載體的導(dǎo)航、 制導(dǎo)與控制(Guidance navigation and control, GNC)系統(tǒng)中, 慣性系統(tǒng)因其測量頻帶寬且數(shù)據(jù)頻率高(可達(dá)數(shù)百赫茲以上)、 測量延時短(可小于 1 ms), 易于實現(xiàn)數(shù)字化, 成為 GNC 系統(tǒng)實現(xiàn)快速、精確制導(dǎo)與控制的核心信息源, 其性能對制導(dǎo)精度起著關(guān)鍵作用, 例如, 純慣性制導(dǎo)地地導(dǎo)彈命中精度的 70 %以上取決于慣性系統(tǒng)的精度。

同時, 慣性技術(shù)還促進(jìn)了最優(yōu)濾波技術(shù)等先進(jìn)控制理論在工程中實際應(yīng)用. 作為發(fā)達(dá)國家嚴(yán)加封鎖的國防關(guān)鍵技術(shù), 慣性技術(shù)是現(xiàn)代各類運載體 GNC 系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎(chǔ), 是制導(dǎo)武器或武器平臺的支撐性關(guān)鍵技術(shù)。

除軍用以外, 目前慣性技術(shù)在民用領(lǐng)域也有大量應(yīng)用, 如大地測量、 石油鉆井、 隧道工程、 地質(zhì)勘探、 機(jī)器人、 智能交通、 醫(yī)療設(shè)備、 照相機(jī)、 手機(jī)、玩具等。因此凡是需要實時敏感或測量物體運動信息的場合, 慣性技術(shù)均可發(fā)揮重要作用。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主要不足是導(dǎo)航誤差會隨時間積累, 且成本相對較高. 隨著其他導(dǎo)航技術(shù)尤其是衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù), 如 GPS 技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用, 研究人員曾擔(dān)心慣導(dǎo)技術(shù)未來的前景。

但是幾次高技術(shù)局部戰(zhàn)爭中, 電子戰(zhàn)、 導(dǎo)航戰(zhàn)、 體系化作戰(zhàn)模式的出現(xiàn)證明了幾乎僅有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)都能在強(qiáng)電磁干擾的極端惡劣環(huán)境下持續(xù)、 穩(wěn)定地工作, 這進(jìn)一步強(qiáng)化了慣性系統(tǒng)在武器裝備中不可替代的地位。

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慣性技術(shù)的發(fā)展歷程

慣性技術(shù)已經(jīng)歷百余歷史，其發(fā)展歷程如圖1所示。圖中，折線下方為該階段主要技術(shù)理論，上方為出現(xiàn)的慣性器件及其精度。且各技術(shù)發(fā)展階段間并無完整界限。由圖可見，按各類陀螺儀、理論和新型傳感器先后，慣性技術(shù)發(fā)展通常分為四代。

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第一代，基于牛頓經(jīng)典力學(xué)原理。自1687年牛頓三大定律的建立，到1910年的舒勒調(diào)諧原理，第一代慣性技術(shù)奠定了整個慣性導(dǎo)航發(fā)展的基礎(chǔ)。典型代表為三浮陀螺、靜電陀螺以及動力調(diào)諧陀螺。特點是種類多、精度高、體積質(zhì)量大、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能受機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜和極限精度制約，產(chǎn)品制造維護(hù)成本昂貴，典型產(chǎn)品有美國MX洲際導(dǎo)彈用三浮儀表平臺系統(tǒng)。

第二代，基于薩格奈克（Sagnac）效應(yīng)。典型代表是激光和光纖陀螺。其特點是反應(yīng)時間短、動態(tài)范圍大、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、易維護(hù)、壽命長。典型產(chǎn)品是美國諾格斯佩里公司研制成功的Mk39系列和Mk49型激光陀螺捷聯(lián)式艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、美國霍尼韋爾公司的激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)。光學(xué)陀螺的出現(xiàn)有力推動了捷聯(lián)慣性系統(tǒng)發(fā)展。

第三代，基于哥氏振動效應(yīng)和微米/納米技術(shù)。典型代表是MEMS陀螺、MEMS加速度計及相應(yīng)系統(tǒng)。其特點是體積小、成本低、中低精度、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、易于大批量生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化。典型產(chǎn)品為美國霍尼韋爾公司HG1900、HG1930系列。MEMS慣性儀表的出現(xiàn)，使得慣性系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域大為擴(kuò)展，慣性技術(shù)已不僅僅用于軍用裝備，更是廣泛用于各類民用應(yīng)用中。

第四代，基于現(xiàn)代量子力學(xué)技術(shù)。典型代表為核磁共振陀螺、原子干涉陀螺。其目標(biāo)是實現(xiàn)高精度、高可靠、小型化和更廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的導(dǎo)航系統(tǒng)。其特點是高精度、高可靠性、微小型、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。目前，DARPA研制的核磁共振陀螺精度能達(dá)到0.01(°/h) (1σ)的水平，斯坦福大學(xué)開發(fā)的原子陀螺精度可達(dá)6×10-5 (°/h)(1σ)水平。

慣性技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

西方發(fā)達(dá)國家代表了慣性儀表技術(shù)的國際先進(jìn)水平，以陀螺技術(shù)為例，其傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺技術(shù)在經(jīng)歷了包括滾珠軸承支承、液浮支承、氣浮支承、磁浮支承、撓性支承、靜電支承在內(nèi)的多種支承技術(shù)之后，已經(jīng)達(dá)到非常成熟的地步；光學(xué)陀螺技術(shù)經(jīng)過40余年的發(fā)展也已經(jīng)達(dá)到了鼎盛時期；微機(jī)電陀螺技術(shù)以其產(chǎn)品在成本、尺寸和重量等方面的潛在優(yōu)勢正在經(jīng)歷高速發(fā)展期；新型陀螺技術(shù)也已得到重點關(guān)注和大力發(fā)展。我國在慣性技術(shù)領(lǐng)域與上述國際先進(jìn)水平相比還存在一定的差距，主要原因在于理論研究的深度和廣度不足，基礎(chǔ)工業(yè)條件上的薄弱以及對慣性技術(shù)發(fā)展規(guī)律認(rèn)識上欠缺。具體到技術(shù)上，體現(xiàn)在以下幾個方面。

1、慣性儀表技術(shù)

我國的傳統(tǒng)機(jī)械陀螺與國際先進(jìn)水平之間的差距主要體現(xiàn)在儀表材料技術(shù)、超精密制造技術(shù)等基礎(chǔ)工業(yè)方面，在技術(shù)的成熟度方面還有較大的發(fā)展空間。光學(xué)陀螺技術(shù)方面，國內(nèi)在儀表精度、電子技術(shù)、儀表環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)、市場占有率等方面相對落后。國外的微機(jī)電慣性儀表技術(shù)進(jìn)展迅速，批量生產(chǎn)的產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入戰(zhàn)術(shù)級應(yīng)用領(lǐng)域，國內(nèi)在這一精度領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)仍以動力調(diào)諧陀螺和光學(xué)陀螺為主，微機(jī)電慣性儀表在設(shè)計理論、制造工藝、集成電路技術(shù)、工程化技術(shù)等方面與國外相比還有相當(dāng)大的差距；我國的微機(jī)電加速度計尚未開始廣泛應(yīng)用，機(jī)械加速度計在精度與穩(wěn)定性方面也相對落后。慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)方面，國內(nèi)在磁懸浮變速控制力矩陀螺技術(shù)、陀螺/飛輪一體化技術(shù)等方面與國外先進(jìn)水平相比有一定差距。我國的半球諧振陀螺技術(shù)在儀表精度與穩(wěn)定性、工藝技術(shù)等方面還落后于國際先進(jìn)水平。在新型慣性儀表技術(shù)的基礎(chǔ)研究上與國外相比也有差距。

2、慣性系統(tǒng)技術(shù)

我國的平臺式慣性系統(tǒng)技術(shù)在制造工藝水平、元器件穩(wěn)定性、材料技術(shù)等方面與國際先進(jìn)水平相比有一定差距，在系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性方面也有待提高。捷聯(lián)慣性系統(tǒng)技術(shù)方面，我國需要在慣性儀表精度、捷聯(lián)算法的實際性能、系統(tǒng)成本與體積、功能及可靠性等方面進(jìn)一步提高。在陀螺監(jiān)控技術(shù)方面，國內(nèi)的相關(guān)研究起步較晚，在一些重點技術(shù)環(huán)節(jié)上與國際先進(jìn)水平相比還有差距，應(yīng)用領(lǐng)域也有待拓展。

3、慣性基組合技術(shù)

我國慣性基組合技術(shù)與國際先進(jìn)水平的差距主要體現(xiàn)在研究的原創(chuàng)性及工程應(yīng)用方面，在各種輔助信息的測量獲得、匹配理論、匹配算法等方面也落后于國際先進(jìn)水平。目前，國內(nèi)的慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航技術(shù)在系統(tǒng)的成熟度、新技術(shù)研究的驗證和應(yīng)用方面有待提高；在地磁導(dǎo)航的數(shù)據(jù)圖精度、抗干擾補(bǔ)償技術(shù)方面，在星光導(dǎo)航的星敏感器敏感芯片技術(shù)方面，在地形導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航的應(yīng)用技術(shù)方面，與國際先進(jìn)水平相比均有一定的差距。

4、慣性領(lǐng)域測試技術(shù)與設(shè)備

慣性測試技術(shù)領(lǐng)域，我國在慣性儀表尤其是新型慣性儀表的測試方法和技術(shù)、誤差來源與補(bǔ)償?shù)确矫娴难芯可吓c國外先進(jìn)水平相比還有差距；在慣性測量裝置（IMU）與系統(tǒng)級的測試技術(shù)上，國內(nèi)目前還主要集中在對分立標(biāo)定方法的研究上，與國外的全參數(shù)一體化標(biāo)定方法相比也有待提高。測試設(shè)備領(lǐng)域，我國在設(shè)備的角位置分辨率與測角精度、極限轉(zhuǎn)速、大載荷高動態(tài)條件下的跟蹤精度與結(jié)構(gòu)剛性等方面落后于國際先進(jìn)水平。

5、慣性應(yīng)用技術(shù)

我國在慣性技術(shù)的應(yīng)用方面與國際先進(jìn)水平相比仍存在差距。在航天、航海、航空領(lǐng)域里，這種差距主要體現(xiàn)在慣性技術(shù)的應(yīng)用范圍、慣性儀表與系統(tǒng)的精度及可靠性、系統(tǒng)的體積與成本等方面；在陸用領(lǐng)域，國內(nèi)在陸用慣性系統(tǒng)晃動及運動基座情況下的初始對準(zhǔn)技術(shù)實用化方面，在系統(tǒng)的容錯和故障診斷技術(shù)方面與國外相比有差距；在石油地質(zhì)領(lǐng)域的高端慣性儀表技術(shù)方面有待提高；在機(jī)器人領(lǐng)域慣性系統(tǒng)的體積、長時間工作能力、精度和智能化等方面相對落后。

慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(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(dāng)前各種不同導(dǎo)航任務(wù)的精度指標(biāo)要求。未來的主要目標(biāo)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(chǎn)廠商采用低勞動密集型生產(chǎn)模式和批量處理技術(shù)，選用硅片、石英、或結(jié)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(chǎn)品自身成本和操作維護(hù)費用。由于大規(guī)模的批量生產(chǎn)，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—Mechanical System)和光學(xué)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(xué)傳感器上，尤其是對采用集成光學(xué)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(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，慣性傳感器自身的成本、體積和功耗影響了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的相應(yīng)參數(shù)指標(biāo)。因此，慣性測量傳感器的發(fā)展須要權(quán)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(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展方向

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計和發(fā)展須要考慮權(quán)衡的主要因素有：①必須針對并滿足應(yīng)用的需求，其中導(dǎo)航性能(尤其是精度)和價格成本是首要的兩個特性指標(biāo)。價格成本包含系統(tǒng)自身成本、維護(hù)成本和使用壽命。因此對于很多導(dǎo)航應(yīng)用，合理的價格仍然被置于應(yīng)用要求的最前面。導(dǎo)航性能包括：導(dǎo)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(hù)、系統(tǒng)的自主性等。②實際的應(yīng)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(guān)系到慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能否在具體的應(yīng)用環(huán)境中被采用。③提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的通用性，拓展應(yīng)用領(lǐng)域。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步呈現(xiàn)以下特點：

(1)在無法接收GNSS信號或需要高度導(dǎo)航可靠性的應(yīng)用場合，高性能的自主INS仍具有不可替代的作用。

(2)GNSS技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步，將取代部分傳統(tǒng)的INS應(yīng)用領(lǐng)域。例如：Raytheon Anschütz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(xué)導(dǎo)航、制導(dǎo)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姿態(tài)測量精度。

(3)INS與其他多種導(dǎo)航手段組合，尤其是GNSS／INS組合導(dǎo)航系統(tǒng) ，受到普遍關(guān)注。

(4)地面車輛導(dǎo)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(dǎo)航設(shè)備成為市場發(fā)展的三個重要方向，這既是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。

(5)針對艦船導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)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(dǎo)航系統(tǒng)自身的集成度；使其具備與其他導(dǎo)航手段協(xié)同工作的組合導(dǎo)航模式，并且提供與艦船的其他操作控制或?qū)Ш皆O(shè)備靈活接口。② 其次從降低系統(tǒng)成本角度考慮，很多學(xué)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(jìn)導(dǎo)航系統(tǒng)配置、與其他導(dǎo)航手段相結(jié)合來獲得令人滿意的精度指標(biāo)H 矧。③ 須要指出的是：INS首先與GNSS組合，然后再結(jié)合聲納、圖像等其他導(dǎo)航手段組成艦船一體化組合導(dǎo)航系統(tǒng)，是最受關(guān)注的研究熱點和發(fā)展方向。

總之，在慣性器件研究方面，體積小且價格低廉的MEMS慣性傳感器，和高精度、高性能FOG在未來一段時間仍將是受關(guān)注的焦點。受現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的影響，平臺式導(dǎo)航系統(tǒng)將被捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所替代。

當(dāng)前，慣性技術(shù)已經(jīng)成為一國技術(shù)水平先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一，其先進(jìn)程度和應(yīng)用水平關(guān)系到國家多個行業(yè)的信息化水平和自動化控制水平。目前慣性技術(shù)正朝著小型化、數(shù)字化、智能化、低成本、高可靠性、多領(lǐng)域應(yīng)用的方向發(fā)展，新的應(yīng)用與產(chǎn)品正加速涌現(xiàn)。隨著國民經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平的進(jìn)一步發(fā)展，未來慣性技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也將持續(xù)擴(kuò)展。

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