[科普中国]-惯性导航系统

定义

惯性导航系统（ 英语：INS ）惯性导航系统是以陀螺和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统，该系统根据陀螺的输出建立导航坐标系，根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置。

简介惯性导航系统（INS，Inertial Navigation System）也称作惯性参考系统，是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量（如无线电导航那样）的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

惯性导航系统属于推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运动体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中，并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到位移。

现代比较常见的几种导航技术，包括天文导航、惯性导航、卫星导航、无线电导航等等，其中，只有惯性导航是自主的，既不向外界辐射东西，也不用看天空中的恒星或接收外部的信号，它的隐蔽性是最好的。

惯性导航，并不像大家所认为的那样“不靠谱”，像国家的很多战略、战术武器，再如洲际飞行的民航飞机等，都必须依赖惯性导航系统或者惯导系统和其他类型的导航系统的组合。它的造价也比较昂贵，像一台导航级（即1小时误差1海里）的惯导系统，至少要几十万，而这种精度的导航系统已足够配备在波音747这样的飞机上了。现在，随着mems（微电子机械系统）惯性器件技术的进步，商业级、消费品级的惯性导航才逐渐走进寻常百姓家1。

优点惯性导航系统有如下优点：1、由于它是不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，故隐蔽性好，也不受外界电磁干扰的影响；2、可全天候、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下；3、能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低；4、数据更新率高、短期精度和稳定性好。

缺点其缺点是：1、由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；2、每次使用之前需要较长的初始对准时间；3、设备的价格较昂贵；4、不能给出时间信息。2

但惯导有固定的漂移率，这样会造成物体运动的误差，因此射程远的武器通常会采用指令、GPS等对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位置参数。惯导系统目前已经发展出挠性惯导、光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表等多种方式。陀螺仪由传统的绕线陀螺发展到静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机械陀螺等。激光陀螺测量动态范围宽，线性度好，性能稳定，具有良好的温度稳定性和重复性，在高精度的应用领域中一直占据着主导位置。由于科技进步，成本较低的光纤陀螺（FOG）和微机械陀螺（MEMS）精度越来越高，是未来陀螺技术发展的方向。

分类1.捷联式惯性导航系统

2.解析式惯性导航系统

3.半解析式惯性导航系统

应用惯性导航系统用于各种运动机具中，包括飞机、潜艇、航天飞机等运输工具及导弹，然而成本及复杂性限制了其可以应用的场合。

惯性系统最先应用于火箭制导，美国火箭先驱罗伯特.戈达尔（ ROBERT GODDARD ）试验了早期的陀螺系统。二战期间经德国人冯布劳恩改进应后，应用于 V-2火箭 制导。战后美国麻省理工学院等研究机构及人员对惯性制导进行深入研究，从而发展成应用飞机、火箭、航天飞机、潜艇的现代惯性导航系统。

重要性惯性技术是对载体进行导航的关键技术之一， 惯性技术是利用惯性原理或其它有关 原理，自主测量和控制运载体运动过程的技术，它是惯性导航、惯性制导、惯性测量和 惯性敏感器技术的总称。 现代惯性技术在各国政府雄厚资金的支持下， 己经从最初的军 事应用渗透到民用领域。 惯性技术在国防装备技术中占有非常重要的地位。 对于惯性制导的中远程导弹， 一 般说来命中精度 70%取决于制导系统的精度。对于导弹核潜艇，由于潜航时间长，其位 置和速度是变化的，而这些数据是发射导弹的初始参数，直接影响导弹的命中精度，因 而需要提供高精度位置、 速度和垂直对准信号。 目前适用于潜艇的唯一导航设备就是惯 性导航系统。 惯性导航完全是依靠运载体自身设备独立自主地进行导航， 不依赖外部信 息，具有隐蔽性好、工作不受气象条件和人为干扰影响的优点，而且精度高。对于远程 巡航导弹， 惯性制导系统加上地图匹配技术或其它制导技术， 可保证它飞越几千公里之 后仍能以很高的精度击中目标。 惯性技术己经逐步推广到航天、航空、航海、石油开发、大地测量、海洋调查、地 质钻控、机器人技术和铁路等领域，随着新型惯性敏感器件的出现，惯性技术在汽车工 业、 医疗电子设备中都得到了应用。 因此惯性技术不仅在国防现代化中占有十分重要的 地位，在国民经济各个领域中也日益显示出它的巨大作用。

发展惯性系统是利用惯性敏感器、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式航位推算导航系统。它至少应由一个惯性测量装置、一个数字计算机和一个控制显示装置及一个专用精密电源所组成。运载体的运动是在三维空间里进行的，它的运动形式，一是线运动，一是角运动。不论线运动还是角运动都是三维空间的，要建立一个三维空间坐标系，势必要建立一个三轴惯性平台。有了三轴惯性平台，才能提供测量三自由度线加速度的基准。测得己知方位的三个线加速度分量，通过计算机计算出运载体的运动速度及位置，所以第一大类惯导系统方案是平台式惯性导航系统。没有“机电”平台，将惯性元件陀螺仪和加速度计直接安装在运载体上，在计算机中建立一个“数学”平台，通过复杂计算及变换,得到运载体的速度和位置，这种无机电平台式惯导系统就是第二大类惯导系统方案，称之为捷联式惯导系统3。

从广义上讲从起始点将航行载体引导到目的地的过程统称为导航。 从狭义上讲导航 是指给航行载体提供实时的姿态、 速度和位置信息的技术和方法。 早期人们依靠地磁场、 星光、太阳高度等天文、地理方法获取定位、定向信息，随着科学技术的发展，无线电 导航、惯性导航和卫星导航等技术相继问世，在军事、民用等领域广泛应用。其中，惯 性导航是使用装载在运载体上的陀螺仪和加速度计来测定运载体姿态、 速度、 位置等信 息的技术方法。实现惯性导航的软、硬件设备称为惯性导航系统，简称惯导系统。

捷联式惯性导航系统(Strap-down Inertial Navigation System，简写 SINS)是将 加速度计和陀螺仪直接安装在载体上， 在计算机中实时计算姿态矩阵， 即计算出载体坐 标系与导航坐标系之间的关系， 从而把载体坐标系的加速度计信息转换为导航坐标系下 的信息，然后进行导航计算。由于其具有可靠性高、功能强、重量轻、成本低、精度高 以及使用灵活等优点，使得 SINS 已经成为当今惯性导航系统发展的主流。捷联惯性测 量组件(Inertial Measurement Unit，简写 IMU)是惯导系统的核心组件，IMU 的输出信息的精度在很大程度上决定了系统的精度。

陀螺仪和加速度计是惯性导航系统中不可缺少的核心测量器件。现代高精度的惯性导航系统对所采用的陀螺仪和加速度计提出了很高的要求，因为陀螺仪的漂移误差和加速度计的零位偏值是影响惯导系统精度的最直接 的和最重要的因素，因此如何改善惯性器件的性能，提高惯性组件的测量精度，特别是 陀螺仪的测量精度，一直是惯性导航领域研究的重点。 陀螺仪的发展经历了几个阶段。最初的滚珠轴承式陀螺， 其漂移速率为(l-2)°/h， 通过攻克惯性仪表支撑技术而发展起来的气浮、液浮和磁浮陀螺仪，其精度可以达到 0.001°/h，而静电支撑陀螺的精度可优于 0.0001°/h。从 60 年代开始，挠性陀螺的 研制工作开始起步，其漂移精度优于 0.05°/h 量级，最好的水平可以达到 0.001°/h。

1960 年激光陀螺首次研制成功，标志着光学陀螺开始主宰陀螺市场。目前激光陀螺的 零偏稳定性最高可达 0.0005°/h，激光陀螺面临的最大问题是其制造工艺比较复杂， 因而造成成本偏高， 同时其体积和重量也偏大， 这一方面在一定程度上限制了其在某些 领域的发展应用， 另一方面也促使激光陀螺向低成本、 小型化以及三轴整体式方向发展。 而另一种光学陀螺-光纤陀螺不但具有激光陀螺的很多优点， 而且还具有制造工艺简单、 成本低和重量轻等特点，目前正成为发展最快的一种光学陀螺

我国发展我国的惯导技术近年来已经取得了长足进步，液浮陀螺平台惯性导航系统、动力调谐陀螺四轴平台系统已相继应用于长征系列运载火箭。其他各类小型化捷联惯导、光纤陀螺惯导、 激光陀螺惯导以及匹配GPS修正的惯导装置等也已经大量应用于战术制导武器、飞机、舰艇、运载火箭、宇宙飞船等。如漂移率0.01°~0.02°/h 的新型激光陀螺捷联系统在新型战机上试飞，漂移率0.05°/h 以下的光纤陀螺、捷联惯导在舰艇、潜艇上的应用，以及小型化挠性捷联惯导在各类导弹制导武器上的应用，都极大的改善了我军装备的性能。