慣性導航儀

慣性導航系統（INS，Inertial Navigation System）也稱作慣性參考系統，是一種不依賴於外部信息、也不向外部輻射能量（如無線電導航那樣）的自主式導航系統。其工作環境不僅包括空中、地面，還可以在水下。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。

基本介紹

• 中文名：慣性導航系統
• 外文名：Inertial Navigation System
• 簡稱：INS

發展沿革

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，並成為慣性導航的理論基礎；到l852年，傅科(Leon Foucault)提出陀螺的定義、原理及套用構想；再到1908年由安修茨(Hermann Anschütz—Kaempfe)研製出世界上第一台擺式陀螺羅經，以及1910年的舒勒(Max Schuler)調諧原理；

第一代慣性技術奠定了整個慣性導航發展的基礎。

第二代慣性技術

開始於上世紀40年代火箭發展的初期，其研究內容從慣性儀表技術發展擴大到慣性導航系統的套用。首先是慣性技術在德國V-II火箭上的第一次成功套用。到50年代中後期，0．5n mile/h的單自由度液浮陀螺平台慣導系統研製並套用成功。1968年，漂移約為0．005°/h的G6B4型動壓陀螺研製成功。這一時期，還出現了另一種慣性感測器-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採用；1960年雷射技術的出現為今後雷射陀螺(RLG)的發展提供了理論支持；捷聯慣性導航(SINS)理論研究趨於完善。

第三代慣性技術

70年代初期發展階段出現了一些新型陀螺、加速度計和相應的慣性導航系統(INS)，其研究目標是進一步提高INS的性能，並通過多種技術途徑來推廣和套用慣性技術。這一階段的主要陀螺包括：靜電陀螺(ESG)、動力調諧陀螺(DTG)、環形雷射陀螺(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； 基於Sagnac干涉效應的RLG和捷聯式雷射陀螺慣導系統(SINS)在民航方面得到套用，導航精度可達0．1n mile/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陀螺等基於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，採用微機械結構和控制電路工藝製造的微機電系統(MEMS)開始出現。第三、四階段折線下方到虛線上方為套用新技術製造的新型慣性感測器。

第四代慣性技術

當前，慣性技術正處於第四代發展階段，其目標是實現高精度、高可靠性、低成本、小型化、數位化、套用領域更加廣泛的導航系統。一方面，陀螺的精度不斷提高，漂移量可達10-6°/h ；另一方面，隨著RLG、FOG、MEMS等新型固態陀螺儀的逐漸成熟，以及高速大容量的數字計算機技術的進步，SINS在低成本、短期中精度慣性導航中呈現出取代平台式系統的趨勢。在慣性技術發展的歷史過 程中，Draper驗室、Sperry、原Litton、Delco、Honeywell、Kearfott、Rockwell、GE(General Electric)以及其它一些公司和研究機構，對慣性技術的成熟和廣泛套用做出了卓越貢獻

慣性導航儀的原理

慣性導航系統（ 英語：INS ）慣性導航系統是以陀螺和加速度計為敏感器件的導航參數解算系統，該系統根據陀螺的輸出建立導航坐標系，根據加速度計輸出解算出運載體在導航坐標系中的速度和位置。

圖1

慣性導航系統屬於推算導航方式，即從一已知點的位置根據連續測得的運動體航向角和速度推算出其下一點的位置，因而可連續測出運動體的當前位置。

慣性導航系統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定在該坐標系中，並給出航向和姿態角；

加速度計用來測量運動體的加速度，經過對時間的一次積分得到速度，速度再經過對時間的一次積分即可得到距離。

包括組成

慣性導航系統至少包括計算機及含有加速度計、陀螺儀或其他運動感測器的平台（或模組）。

慣性導航技術，包括平台式慣導系統和捷聯慣導系統。

運行操作

開始時，有外界（操作人員、GPS 接收器等）給 INS 提供初始位置及速度，此後 INS 通過對運動感測器的信息進行整合計算，不斷更新當前位置及速度。 INS 的優勢在於給定了初始條件後，不需要外部參照就可確定當前位置、方向及速度。

圖2

通過跟蹤系統當前角速率及相對於運動系統測量到的當前線加速度，就可以確定參照系中系統當前線加速度。以起始速度作為初始條件，套用正確的運動學方程，對慣性加速度進行積分就可得到系統慣性速率，然後以起始位置座作初始條件再次積分就可得到慣性位置。

主要功能

以陀螺和加速度計為敏感器件的導航參數解算系統，根據陀螺的輸出建立導航坐標系，根據加速度計輸出解算出運載體在導航坐標系中的速度和位置。

能測量飛機各種導航參數，如位置、地速、航跡角、偏航角、偏航距離、風向、風速等；也能測量姿態參數，如俯仰角、傾斜角和航向等；與飛機其他控制系統配合，能完成對飛機的人工或自動駕駛。慣性導航系統往往在現代飛機上與大氣數據系統結合，稱為大氣數據參照系統。

陀螺在慣性參照系中用於測量系統的角速率。通過以慣性參照系中系統初始方位作為初始條件，對角速率進行積分，就可以時刻得到系統的當前方向。這可以想像成被蒙上眼睛的乘客坐在汽車中，感覺汽車左轉、右轉、上坡、下坡，僅根據這些信息他知道了汽車朝哪裡開，但不知道汽車是快，是慢或是否汽車滑向路邊。

加速度計在慣性參照系中用於測量系統的線加速度，但只能測量相對於系統運動方向的加速度（由於加速度計與系統固定並隨系統轉動，不知道自身的方向）。這可以想像成一個被蒙上眼睛的乘客在汽車加速時向後擠壓座位，汽車剎車時身體前傾，汽車加速上坡時下壓座位，汽車越過山頂下坡時從座位上彈起，僅根據這些信息，乘客知道汽車相對自身怎樣加速，即向前、向後、向上、向下、向左 或向右，但不知道相對地面的方向。

設備優點

通過檢測系統的加速度和角速度，慣性導航系統可以檢測位置變化（如向東或向西的運動），速度變化（速度大小或方向）和姿態變化（繞各個軸的旋轉）。它不需要外部參考的特點使它自然地不受外界的干擾或欺騙。

1、隱蔽性好

2、全天候

3、提供位置、速度、航向、姿態角信息

4、導航信息更新速率高

5、完全自主式的導航系統；

6、系統校準後短時定位精確度高。

設備缺點

慣性導航系統感測器的小誤差會隨時間累積成大誤差，其誤差大體上與時間成正比，因此需要不斷進行修正。現代慣性導航系統使用各種信號（如 GPS, 磁羅盤等）對其進行修正，採取控制論原理對不同信號進行權級過濾，保證的 INS 的精度及可靠性。

1、導航誤差隨時間發散

2、初始對準時間長

3、價格昂貴

4、不能給出時間信息

5、存在積累誤差，

6、隨時間定位精度低

運用領域

軍用

慣性導航技術在國防科技中占有非常重要的地位，廣泛的運用於航天、航空、航海等軍事領域；

慣性技術在國防裝備技術中占有非常重要的地位。對於慣性制導的中遠程飛彈，一般說來命中精度70%取決於制導系統的精度。對於飛彈核潛艇，由於潛航時間長，其位置和速度是變化的，而這些數據是發射飛彈的初始參數，直接影響飛彈的命中精度，因而需要提供高精度位置、速度和垂直對準信號。目前適用於潛艇的唯一導航設備就是慣性導航系統。 慣性導航完全是依靠運載體自身設備獨立自主地進行導航，不依賴外部信息，具有隱蔽性好、工作不受氣象條件和人為干擾影響的優點，而且精度高。對於遠程巡航飛彈， 慣性制導系統加上地圖匹配技術或其它制導技術，可保證它飛越幾千公里之後仍能以很高的精度擊中目標。

發展捷聯慣導系統

太空梭、宇宙飛船、衛星等民用領域及在各種戰略、戰術飛彈、軍用飛機、反潛武器、作戰艦艇等軍事領域開始採用動力調諧式陀螺、雷射陀螺和光纖式陀螺的捷聯慣導系統，尤其是雷射陀螺和光纖式陀螺是捷聯慣導系統的理想器件。雷射陀螺具有角速率動態範圍寬、對加速度和震動不敏感、不需溫控、啟動時間特別短和可靠性高等優點。組合導航系統通常以慣導系統作為主導航系統，而將其他導航定位誤差不隨時間積累的導航系統如無線電導航、天文導航、地形匹配導航、GPS等作為輔助導航系統，套用卡爾曼濾波技術，將輔助信息作為觀測量，對組合系統的狀態 變數進行最優估計，以獲得高精度的導航信號。組合導航系統不僅在民用上而且在軍事上均具有重要意義。

民用

慣性技術己經逐步推廣到航天、航空、航海、石油開發、大地測量、海洋調查、地質鑽控、機器人技術和鐵路等領域，隨著新型慣性敏感器件的出現，慣性技術在汽車工業、 醫療電子設備中都得到了套用。因此慣性技術不僅在國防現代化中占有十分重要的地位，在國民經濟各個領域中也日益顯示出它的巨大作用。

現代慣性技術在各國政府雄厚資金的支持下，己經從最初的軍事套用滲透到民用領域。隨著慣性技術和計算機技術的不斷發展以及成本降低，近幾年來，許多國家將其套用領域擴大到民用領域，並發展開闢了更廣闊的前景，例如廣泛套用於地震、地籍、河流、油田的測量以及攝影、繪圖和重力測量等方面。

新套用領域

慣性導航技術不斷拓展到新的套用領域，其范周已經由原來的陸地車輛、船舶、艦艇、航空飛行器等擴展到了大地測量、資源勘測、地球物理測量、海洋探測、鐵路、隧道、太空梭、星際探測、制導武器等各個方面，尤其實在軍事戰爭方面，海灣戰爭和伊拉克戰爭中，以軍和美軍就採用了GPS/INS[5]作為中段制導，紅外成像、地形輔助、圖像匹配作為末段制導的複合式制導方式的精確制導武器如，SLAM和“戰斧”巡航飛彈，聯合直接攻擊彈藥(JDAM)等在戰爭中發揮強大的摧毀性作用。在我們日常生活中的必備用品中，如：攝影機、兒童玩具中慣性導航技術也被廣泛套用。

慣導與導航區別

從廣義上講從起始點將航行載體引導到目的地的過程統稱為導航。從狹義上講導航是指給航行載體提供實時的姿態、速度和位置信息的技術和方法。早期人們依靠地磁場、星光、太陽高度等天文、地理方法獲取定位、定向信息，隨著科學技術的發展，無線電 導航、慣性導航和衛星導航等技術相繼問世，在軍事、民用等領域廣泛套用。其中，慣性導航是使用裝載在運載體上的陀螺儀和加速度計來測定運載體姿態、速度、位置等信息的技術方法。實現慣性導航的軟、硬體設備稱為慣性導航系統，簡稱慣導。

慣性導航儀感測器術語

角速率陀螺參數指標

(1)．測量範圍（°/ S） 也稱量程。指陀螺儀能測量正、反方向角速率的額定值範圍。在此額定值範圍內，陀螺儀刻度因數非線性滿足規定要求。

(2)．刻度因數（mV /°/ S） 也稱靈敏度。指陀螺儀輸出量與輸入角速率的比值。該比值是根據整個輸入角速率範圍內測得的輸入、輸出數據，通過最小二乘法擬合求出的直線的斜率。

(3)．刻度因數非線性度（%） 指在輸入角速率範圍內，陀螺儀輸出量相對於最小二乘法擬合直線的最大的偏差值與最大輸出量之比。

(4)．零偏與零偏穩定性（V, °/ h 或°/ S） 零偏是指陀螺儀在零輸入狀態下的輸出。以規定時間內測得的輸出量平均值來表示。 零偏穩定性是衡量陀螺儀在零輸入狀態下輸出量圍繞其均值（零偏）起伏和波動的離散程度，習慣上用均方根，並以相應的 等效輸入角速率表示。

(5)．分辨力（°/ S） 表示陀螺儀在規定的輸入角速率下能敏感的最小輸入角速率增量。由該角速率增量所產生的輸出增量至少應等於按刻度因數所期望的輸出增量值的50%。

(6)．隨機遊走係數RWC（°∕h1∕2） 指由白噪聲產生的隨時間累積的陀螺儀輸出誤差係數。

(7)．頻寬（Hz） 指陀螺儀頻率特性測試中，規定在測得的幅頻特性的幅值降低3dB所對應的頻率範圍稱為頻寬。在該範圍內陀螺儀能夠精確線性地測量輸入的角速率。

(8)．輸出噪聲（mv） 當陀螺儀處於零輸入狀態時，陀螺儀直流零偏值信號中的交流分量（mv， rms）。

(9)．自檢測ST（V） 指陀螺儀在正常通電狀態下，沒有角速率輸入時，自動檢測陀螺儀結構和電路正常與否的手段。在陀螺儀規定的電氣接口（ST）供規定的電壓後，在正常的輸出端輸出的電壓值符合規定的ST回響電壓值範圍時，則判該陀螺儀正常。

(10)．溫度感測器輸出UT（V） 指在陀螺儀內部獨立地設定有高精密溫度感測器，並一般給出溫度感測器在常溫下的零位電壓值（V）和靈敏度（mV/℃）。

(11)．平均無故障間隔時間MTBF（hr） 指陀螺儀兩次故障之間時間的平均值（hr）。它是衡量陀螺儀使用可靠程度的可靠性指標。

(12)．零偏置 零偏值是指陀螺儀在零輸入狀態下的輸出電壓不是零伏，而為偏離零伏的某一電壓值，一般MEMS陀螺儀把零位調偏置為2.5V。

加速度計參數指標

（1）測量範圍（g） 也稱量程。是指加速度計能測量正反方向線加速度的額定值範圍。在此額定值範圍內，加速度計刻度因數非線性度滿足規定要求。

（2）刻度因數（mV/g） 也稱靈敏度。指加速度計輸出量與輸入線加速度的比值。

（3）刻度因數非線性度（%） 指在輸入線加速度範圍內，加速度計輸出量相對於最小二乘法擬合直線的最大偏差值與最大輸出量之比。

（4）分辨力（mg） 表示加速度計能敏感的最小輸入線加速度值。

（5）頻寬（Hz） 指加速度計頻率特性測試中，規定在測得的幅頻特性的幅值降低3dB所對應的頻率範圍稱為頻寬。在該範圍內加速度計能夠精確線性地測量輸入線加速度。

（6）輸出噪聲（mv） 當加速度計處於零輸入狀態時，加速度計的直流零偏置信號中的交流分量（rms）稱之為輸出噪聲。

（7）自檢測ST（V） 指加速度計在正常通電狀態下，沒有輸入線加速度時，自動檢測加速度計結構和電路正常與否的手段。在加速度計規定的電氣接口（ST）供規定的電壓後，在正常的輸出端輸出的電壓值符合規定的ST回響電壓值範圍時，則判該加速度計正常。

（8）溫度感測器輸出UT（V） 指在加速度計內部獨立地設定有高精密溫度感測器，並一般給出溫度感測器在常溫下的零位電壓值（V）和靈敏度（mv/℃）

（9）平均無故障間隔時間MTBF（hr） 指加速度計兩次故障之間時間的平均值（hr）。它是衡量加速度計使用可靠程度的可靠性指標。

其他

IMU(Inertial Measurement Unit)慣性測量單元（陀螺和加速度）輸出角速度和加速度值。

VG(vertical Gyroscope)垂直陀螺輸出的是在IMU基礎上進行實踐積分後得到的姿態（俯仰和橫滾）角度值（角速度單位是°/S，角度單位是°）。

AHRS(Automatic Heading Reference System)姿態方位參考系統中一般加了磁場計（相當於指南針、羅盤），輸出航向、姿態角度等值。

總體評價

總之，在慣性器件研究方面，體積小且價格低廉的MEMS慣性感測器，和高精度、高性能FOG在未來一段時間仍將是受關注的焦點。受現代計算機技術快速發展的影響，平台式導航系統將被捷聯式慣性導航系統所替代。 慣性導航是唯一的完全自主的導航方式，不依賴於任何外界信息的純慣性導航系統仍將占據一席之地，並會成為一個獨立而有意義的研究方向。隨著對高性能自主導航系統的套用需求不斷增強和多模GNSS技術(GPS，GLONASS，Galileo，BD-2等)的廣泛套用，組合導航系統將逐步替代純粹的INS成為未來的主要導航手段。

未來趨勢

雷射陀螺將代替慣性導航儀

雷射陀螺具有極高的神度和堅固耐用,預計在今後10年內,將廣泛的套用于飛機、艦船、戰車、飛彈及野戰炮系統,逐步取代大多數慣性導航儀。現在,這種轉變過程已經開始,因而美國防部在80、81兩財年中,均把 “微光學雷射陀螺”列為重點研製項目,積極進行研究。雷射陀螺的原理及優點 雷射陀螺是一種完全新型的陀螺。它不需要轉子,而是利用環形雷射器在慣性空間轉動時,反向傳播的兩束雷射隨轉動而產生的頻率差,來檢測角度變化速率。它由兩個全反射鏡、一個華透明半反射鏡組成環形睦。環形雷射器同時輻射兩束反向運行的光束(一束為順時針方向,另一束為逆時針方向)。依據相對論原理,沿飛機的盤旋或旋轉運動方向傳輸的光束將有一個較長的光路。與此相反,三樓鏡沿相反方向傳輸的光束將有一個較短的光路,其差值與旋轉度直接成正比,全反射三梭鏡和半透半反射鏡是使反向運行的兩束光會聚於一台單數字讀出檢測器上。這台稱之為千涉儀的檢測器,有效地計算差頻輸出,並記錄交會位置的漂移方向。只要陀螺保持固定不變,兩束雷射的頻率就始終一樣。