慣性導航系統
| 慣性導航系統 |
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中文名: 慣性導航系統 外文名: INS 基 礎: 以牛頓力學定律為基礎 工作環境: 包括空中、地面、在水下 類 型: 導航參數解算系統 |
[慣性導航系統]]（INS，以下簡稱慣導）是一種不依賴於外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導航系統。其工作環境不僅包括空中、地面，還可以在水下。慣導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。[1]
目錄
定義
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。
簡介
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。 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位移。 現代比較常見的幾種導航技術，包括天文導航、慣性導航、衛星導航、無線電導航等等，其中，只有慣性導航是自主的，既不向外界輻射東西，也不用看天空中的恆星或接收外部的信號，它的隱蔽性是最好的。 慣性導航，並不像大家所認為的那樣「不靠譜」，像國家的很多戰略、戰術武器，再如洲際飛行的民航飛機等，都必須依賴慣性導航系統或者慣導系統和其他類型的導航系統的組合。它的造價也比較昂貴，像一台導航級（即1小時誤差1海里）的慣導系統，至少要幾十萬，而這種精度的導航系統已足夠配備在波音747這樣的飛機上了。現在，隨着mems（微電子機械系統）慣性器件技術的進步，商業級、消費品級的慣性導航才逐漸走進尋常百姓家。
優點
慣性導航系統有如下優點：1、由於它是不依賴於任何外部信息，也不向外部輻射能量的自主式系統，故隱蔽性好，也不受外界電磁干擾的影響；2、可全天候、全時間地工作於空中、地球表面乃至水下；3、能提供位置、速度、航向和姿態角數據，所產生的導航信息連續性好而且噪聲低；4、數據更新率高、短期精度和穩定性好。
缺點
其缺點是：1、由於導航信息經過積分而產生，定位誤差隨時間而增大，長期精度差；2、每次使用之前需要較長的初始對準時間；3、設備的價格較昂貴；4、不能給出時間信息。 但慣導有固定的漂移率，這樣會造成物體運動的誤差，因此射程遠的武器通常會採用指令、GPS等對慣導進行定時修正，以獲取持續準確的位置參數。慣導系統目前已經發展出撓性慣導、光纖慣導、激光慣導、微固態慣性儀表等多種方式。陀螺儀由傳統的繞線陀螺發展到靜電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺、微機械陀螺等。激光陀螺測量動態範圍寬，線性度好，性能穩定，具有良好的溫度穩定性和重複性，在高精度的應用領域中一直占據着主導位置。由於科技進步，成本較低的光纖陀螺（FOG）和微機械陀螺（MEMS）精度越來越高，是未來陀螺技術發展的方向。
分類
1.捷聯式慣性導航系統 2.解析式慣性導航系統 3.半解析式慣性導航系統
應用
慣性導航系統用於各種運動機具中，包括飛機、潛艇、航天飛機等運輸工具及導彈，然而成本及複雜性限制了其可以應用的場合。 慣性系統最先應用於火箭制導，美國火箭先驅羅伯特.戈達爾（ ROBERT GODDARD ）試驗了早期的陀螺系統。二戰期間經德國人馮布勞恩改進應後，應用於 V-2火箭 制導。戰後美國麻省理工學院等研究機構及人員對慣性制導進行深入研究，從而發展成應用飛機、火箭、航天飛機、潛艇的現代慣性導航系統。
重要性
慣性技術是對載體進行導航的關鍵技術之一， 慣性技術是利用慣性原理或其它有關 原理，自主測量和控制運載體運動過程的技術，它是慣性導航、慣性制導、慣性測量和 慣性敏感器技術的總稱。 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 事應用滲透到民用領域。 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導彈， 一 般說來命中精度 70%取決於制導系統的精度。對於導彈核潛艇，由於潛航時間長，其位 置和速度是變化的，而這些數據是發射導彈的初始參數，直接影響導彈的命中精度，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 巡航導彈， 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。 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，隨着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應用。 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。
發展
慣性系統是利用慣性敏感器、基準方向及最初的位置信息來確定運載體的方位、位置和速度的自主式航位推算導航系統。它至少應由一個慣性測量裝置、一個數字計算機和一個控制顯示裝置及一個專用精密電源所組成。運載體的運動是在三維空間裡進行的，它的運動形式，一是線運動，一是角運動。不論線運動還是角運動都是三維空間的，要建立一個三維空間坐標系，勢必要建立一個三軸慣性平台。有了三軸慣性平台，才能提供測量三自由度線加速度的基準。測得己知方位的三個線加速度分量，通過計算機計算出運載體的運動速度及位置，所以第一大類慣導系統方案是平台式慣性導航系統。沒有「機電」平台，將慣性元件陀螺儀和加速度計直接安裝在運載體上，在計算機中建立一個「數學」平台，通過複雜計算及變換,得到運載體的速度和位置，這種無機電平台式慣導系統就是第二大類慣導系統方案，稱之為捷聯式慣導系統。 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，隨着科學技術的發展，無線電 導航、慣性導航和衛星導航等技術相繼問世，在軍事、民用等領域廣泛應用。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、硬件設備稱為慣性導航系統，簡稱慣導系統。 捷聯式慣性導航系統(Strap-down Inertial Navigation System，簡寫 SINS)是將 加速度計和陀螺儀直接安裝在載體上， 在計算機中實時計算姿態矩陣， 即計算出載體坐 標系與導航坐標系之間的關係， 從而把載體坐標系的加速度計信息轉換為導航坐標系下 的信息，然後進行導航計算。由於其具有可靠性高、功能強、重量輕、成本低、精度高 以及使用靈活等優點，使得 SINS 已經成為當今慣性導航系統發展的主流。捷聯慣性測 量組件(Inertial Measurement Unit，簡寫 IMU)是慣導系統的核心組件，IMU 的輸出信息的精度在很大程度上決定了系統的精度。 陀螺儀和加速度計是慣性導航系統中不可缺少的核心測量器件。現代高精度的慣性導航系統對所採用的陀螺儀和加速度計提出了很高的要求，因為陀螺儀的漂移誤差和加速度計的零位偏值是影響慣導系統精度的最直接 的和最重要的因素，因此如何改善慣性器件的性能，提高慣性組件的測量精度，特別是 陀螺儀的測量精度，一直是慣性導航領域研究的重點。 陀螺儀的發展經歷了幾個階段。最初的滾珠軸承式陀螺， 其漂移速率為(l-2)°/h， 通過攻克慣性儀表支撐技術而發展起來的氣浮、液浮和磁浮陀螺儀，其精度可以達到 0.001°/h，而靜電支撐陀螺的精度可優於 0.0001°/h。從 60 年代開始，撓性陀螺的 研製工作開始起步，其漂移精度優於 0.05°/h 量級，最好的水平可以達到 0.001°/h。 1960 年激光陀螺首次研製成功，標誌着光學陀螺開始主宰陀螺市場。目前激光陀螺的 零偏穩定性最高可達 0.0005°/h，激光陀螺面臨的最大問題是其製造工藝比較複雜， 因而造成成本偏高， 同時其體積和重量也偏大， 這一方面在一定程度上限制了其在某些 領域的發展應用， 另一方面也促使激光陀螺向低成本、 小型化以及三軸整體式方向發展。 而另一種光學陀螺-光纖陀螺不但具有激光陀螺的很多優點， 而且還具有製造工藝簡單、 成本低和重量輕等特點，目前正成為發展最快的一種光學陀螺
我國發展
我國的慣導技術近年來已經取得了長足進步，液浮陀螺平台慣性導航系統、動力調諧陀螺四軸平台系統已相繼應用於長征系列運載火箭。其他各類小型化捷聯慣導、光纖陀螺慣導、 激光陀螺慣導以及匹配GPS修正的慣導裝置等也已經大量應用於戰術制導武器、飛機、艦艇、運載火箭、宇宙飛船等。如漂移率0.01°~0.02°/h 的新型激光陀螺捷聯繫統在新型戰機上試飛，漂移率0.05°/h 以下的光纖陀螺、捷聯慣導在艦艇、潛艇上的應用，以及小型化撓性捷聯慣導在各類導彈制導武器上的應用，都極大的改善了我軍裝備的性能。