集成光学 导航系统中的惯性技术

原标题：导航系统中的惯性技术

文 | 传感器技术（WW_CGQJS）

我们驾驶汽车，按着GPS或北斗导航的指示行驶在陌生道路上，当穿越隧道时导航系统依然可以为我们提供方向、速度、里程、时间等行驶数据，我们惊叹于脱离了卫星系统的信号接收，导航系统如何运行？这就是惯性技术为我们续航。

惯性技术

惯性技术是用来实现运动物体姿态和运动轨迹控制的一门技术，它是惯性仪表、惯性稳定、惯性系统、惯性制导和惯性测量等相关技术的总称。惯性技术涉及物理、数学、力学、光学、材料学、机密机械学、电子技术、计算机技术、控制技术、测量技术、仿真技术、加工制造及工艺技术等，是一门多学科交叉的技术，主要研究惯性仪表和惯性系统的理论、设计、制造、试验、应用、维护，广泛应用于航空、航天、陆地导航和大地测量、钻井开隧道、地质勘探、机器人、车辆、医疗设备等，以及照相机、手机、玩具等领域，总之，敏感物体的运动姿态和轨迹、定位和定向都少不了它。

惯性技术是现代精确导航、 制导与控制系统的核心信息源.。在构建陆海空天电 (磁) 五维一体信息化体系中，在实现军事装备机械化与信息化复合式发展的进程中, 惯性技术具有不可替代的关键支撑作用。

惯性技术原理

惯性导航技术是惯性技术的核心和发展标志，惯性导航系统 (Inertia navigation system，INS) 利用陀螺仪和加速度计 (统称为惯性仪表) 同时测量载体运动的角速度和线加速度，并通过计算机实时计算出载体的三维姿态、 速度、 位置等导航信息。

陀螺仪就是惯性制导的基础

惯性导航系统有平台式和捷联式两类实现方案：前者有跟踪导航坐标系的物理平台, 惯性仪表安装在平台上, 对加速度计信号进行积分可得到速度及位置信息, 姿态信息由平台环架上的姿态角传感器提供；惯导平台可隔离载体角运动, 因而能降低动态误差, 但存在体积大、 可靠性低、 成本高、 维护不便等不足。

捷联式惯导系统没有物理平台, 惯性仪表与载体直接固连, 惯性平台功能由计算机软件实现, 姿态角通过计算得到, 也称为 “数学平台”。集成光学

惯导系统的基本方程 (比力方程) 如式 (1) 所示：

式中，为载体的地速矢量，是加速度计测量值(比力)，为地球转速，为平台相对地球的转速，为重力加速度，为哥氏加速度项，为离心加速度项。

由于捷联系统中惯性仪表要承受载体角运动的影响, 故要求其动态范围大、 频带宽、 环境适应性好等, 对导航计算机的速度与容量要求较高. 捷联系统具有结构紧凑、 可靠性高、 质量轻、 体积小、 功耗低、维护方便、 成本低等优点, 也便于与其他导航系统或设备进行集成化、 一体化设计, 已成为现代惯性系统技术发展的主流方案。

惯性导航技术的特点

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 (见表 1), 可在空中、 水中、 地下等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 (Guidance navigation and control, GNC) 系统中, 惯性系统因其测量频带宽且数据频率高 (可达数百赫兹以上)、 测量延时短 (可小于 1 ms), 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, 例如, 纯惯性制导地地导弹命中精度的 70 % 以上取决于惯性系统的精度。

同时, 惯性技术还促进了最优滤波技术等先进控制理论在工程中实际应用. 作为发达国家严加封锁的国防关键技术, 惯性技术是现代各类运载体 GNC 系统功能实现的基础, 是制导武器或武器平台的支撑性关键技术。