惯性导航技术介绍及应用发展研究

段国栋++万子平++彭欢

【摘 要】随着市场及实际应用的需求，未来导航系统的主要发展方向将向以惯性导航为基础的组合导航靠拢。惯导系统稳定回路由方位、内横滚、俯仰、外横滚四个主回路及一个多余轴锁定回路组成，而每个主回路又由角度传感器（即旋转变压器）、挠性陀螺仪、陀螺前置放大器、伺服放大器、直流力矩电机、相关的传感器激磁电源及放大器正常工作所需的直流电源组成。因四个通道的组成原理相同，结合故障现象，现以俯仰通道为例进行分析。

【关键词】惯性导航 技术介绍 应用

惯性导航，利用惯性元件来测量运载体本身的加速度，经过积分和运算得到速度和位置，从而达到对运载体导航定位的目的。 组成惯性导航系统的设备都安装在运载体内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。

1 惯性导航介绍

惯性导航系统是20世纪初发展起来的导航定位系统，其主要优点是能够独立自主地进行导航，在不依赖任何外界系统支持的情况下，也能连续地提供包括姿态角、速高比等在内的飞机运动信息，具有良好的短期精度和稳定性。基于上述优点，惯性导航定位不仅可用于空中、陆地的运动物体定位和导航，也可以用于水下和地下的运动载体的定位与导航。惯导系统是以陀螺仪和加速度计为敏感元件的导航参数解算系统，以陀螺仪的输出数据为依据建立导航坐标系，根据加速度计的输出计算运载体的速度、相对位置以及姿态等参数。陀螺仪是利用其陀螺效应，不依赖任何外界信息，测量载体相对惯性空间的角位移或角速度的一种仪表。对于无人侦察机而言，需要有高灵敏度、高精度的自身姿态测量数据才能保证准确的自主飞行，一般使用的是激光陀螺和光纤陀螺，其中光纤陀螺具有启动快、抗震动和冲击、没有高压、无闭锁现象等优点，而且价格低廉，因此逐渐占据市场主导地位。加速度计是惯性姿态测量系统中另一个关键性元件，是用来测量运载体相对惯性坐标系运动的加速度在载体坐标系中分量，然后经过捷联矩阵变换成沿地理坐标系的分量，最后经过一次积分就可以得到运载体的速度，而二次积分就可以得到其相应的位置。

单独的惯性导航系统容易受到累积误差的影响，随着飞行时间和距离的增加，定位精度会逐渐下降，因此很多情况下都是采用组合导航定位。通过把两种或以上的不同导航系统以适当方式综合在一起，可以取长补短，实现性能互补，从而获得更高的导航性能。目前比较成熟的组合导航定位方式主要有GPS/INS组合导航和地图匹配导航定位。

2 惯性技术的应用

2.1 惯性技术在载人航天中的应用

挠性捷联惯性测量单元用于国内载人飞船GNC分系统；测量飞船的转动角速率、平移加速度。光纤捷联惯性测量单元也已用于载人飞船手控交汇对接GNC分系统；测量飞船的转动角速率、平移加速度，并完成手动交汇对接任务。光纤陀螺组合已用于目标飞行器GNC分系统，测量其转动角速率，进行飞行器的姿态控制和稳定，并完成与飞船交会对接任务。目前，光纤惯性测量单元正用于空间站GNC分系统，提供舱体相对于惯性空间的转动角速率以及视加速度。

2.2 惯性技术在卫星中的应用

惯性技术主要用于卫星的姿态稳定，包括用于测量姿态的陀螺仪和用于稳定的惯性执行机构。卫星用陀螺仪包括动力调谐陀螺仪、液浮陀螺仪和光纤陀螺仪。由于卫星应用要求长寿命和高可靠，而全固态的光纤陀螺在这一方面比液浮陀螺和动力调谐陀螺具有显著优势，因此国内卫星应用正逐渐用光纤陀螺替代传统的转子陀螺。目前，地面开展的研究工作表明光纤陀螺的长期稳定性已经满足10年以上的卫星应用要求。惯性执行机构方面，基于转子技术的飞轮和控制力矩陀螺在卫星上得到了普遍使用。由于转子的寿命问题，磁悬浮轴承技术也已在开展试验应用工作。

2.3 惯性技术在运载火箭中的应用

国内神舟三号之前运载火箭采用了气浮平台惯性测量系统，用于运载火箭的导航、指导与控制（GNC）系统；测量运载火箭的转动角速率、平移加速度，同时供遥测系统测量使用。神舟三号后运载火箭采用了2套挠性捷联惯性测量单元，互为主备份，主要用于运载火箭的GNC系统；测量运载火箭的转动角速率、平移加速度，供遥测系统测量使用。目前激光惯性测量单元和光纤惯性测量单元互为主备份，用于运载火箭GNC系统，测量箭体转动角速率、平移加速度。光纤速率陀螺和横法向加速度计组合正用于火箭稳定系统和姿态控制系统，测量箭体的偏航、俯仰和滚动角速度，以及箭体线加速度和姿态信息。

3 惯性导航技术的发展

惯性传感器包含加速度计和陀螺仪，陀螺仪种类多种多样，按陀螺转子主轴所具有的进动自由度数目可分为二自由度陀螺仪和单自由度陀螺仪；按支承系统可分为滚珠轴承支承陀螺，液浮、气浮与磁浮陀螺，静电陀螺；按物理原理分为转子式陀螺、半球谐振陀螺、环形激光陀螺和光纤陀螺等。两束光波沿着同一个圆周路径反向而行，当光源与圆周均发生旋转时，两束光的行进路程不同，产生了相位差，可测出激光陀螺的角速度。近十几年来，激光陀螺已经发展十分成熟，新型激光陀螺研究的主要成果是在激光陀螺的小型化、工程化和新型化等方面取得的进展。光纤陀螺（FOG）使用与环形激光陀螺相同的基本原理，但其使用光纤作为激光回路，可看作是第二代激光陀螺。惯性导航系统的发展方向：①传递对准所利用的信息多样化，除了主子惯导提供的信息外，GPS、雷达等设备提供的信息也可用于辅助传递对准。②随着传递对准中新的模型、误差补偿技术和滤波器技术的发展，传递对准的性能将会不断提高。③可观测度的相关研究将会继续深入，进而更好地指导传递对准滤波器的设计。④发展超稳定、且累积误差小的惯性导航组件等，为长航时载体提供无须外部信息支持的定位、导航与授时服务。

与其他导航系统相比，惯导系统同时具有信息全面、完全自主、高度隐蔽、信息实时与连续，且不受时间、地域的限制和人为因素干扰等重要特性，可在各种环境中正常工作。在导弹、火箭、飞机等需要机动、高速运行的运载体的导航、制导与控制系统中，惯性系统因其测量频带宽且数据频率高、测量延时短，易于实现数字化，成为GNC系统实现快速、精确制导与控制的核心信息源，其性能对制导精度起着关键作用。

参考文献：

[1]张崇猛.船舶惯性导航技术应用与展望[J].舰船科学技术，2012.

[2]张瑛.用于室内定位惯性导航技术研究[D].南京邮电大学，2015.