基本介紹
- 中文名：慣性導航
- 外文名：inertial navigation
- 優點：結構簡單、體積小、維護方便
- 根據：依據牛頓慣性原理
- 類型：物理
簡史,組成,分類,平台式,捷聯式,相關信息,
利用慣性元件（加速度計）來測量運載體本身的加速度，經過積分和運算得到速度和位置，從而達到對運載體導航定位的目的。組成慣性導航系統的設備都安裝在運載體內，工作時不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導航系統。慣性導航系統通常由慣性測量裝置、計算機、控制顯示器等組成。慣性測量裝置包括加速度計和陀螺儀，又稱慣性測量單元。3個自由度陀螺儀用來測量運載體的3個轉動運動；3個加速度計用來測量運載體的3個平移運動的加速度。計算機根據測得的加速度信號計算出運載體的速度和位置數據。控制顯示器顯示各種導航參數。按照慣性測量單元在運載體上的安裝方式，分為平台式慣性導航系統（慣性測量單元安裝在慣性平台的台體上）和捷聯式慣性導航系統（慣性測量單元直接安裝在運載體上）；後者省去平台，儀表工作條件不佳（影響精度），計算工作量大。
簡史
inertial navigation
通過測量飛行器的加速度(慣性)，並自動進行積分運算，獲得飛行器瞬時速度和瞬時位置數據的技術。
17世紀，I.牛頓研究了高速旋轉剛體的力學問題。牛頓力學定律是慣性導航的理論基礎。1852年J.傅科稱這種剛體為陀螺，後來製成供姿態測量用的陀螺儀。1906年H.安休茲製成陀螺方向儀，其自轉軸能指向固定的方向。1907年他又在方向儀上增加擺性，製成陀螺羅盤。這些成果成為慣性導航系統的先導。1923年M.舒拉發表“舒拉擺”理論，解決了在運動載體上建立垂線的問題，使加速度計的誤差不致引起慣性導航系統誤差的發散,為工程上實現慣性導航提供了理論依據。1954年慣性導航系統在飛機上試飛成功。1958年，“舡魚”號潛艇依靠慣性導航穿過北極在冰下航行21天。中國從1956年開始研製慣性導航系統，自1970年以來，在多次發射的人造地球衛星和火箭上，以及各種飛機上，都採用了本國研製的慣性導航系統。
慣性導航系統屬於一種推算導航方式．即從一已知點的位置根據連續測得的運載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。慣性導航系統有如下主要優點．（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．故隱蔽性好且不受外界電磁干擾的影響；（2）可全天侯全球、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．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。
組成
慣性導航系統通常由慣性測量裝置、計算機、控制顯示器等組成。慣性測量裝置包括加速度計和陀螺儀,又稱慣性導航組合。3個自由度陀螺儀用來測量飛行器的三個轉動運動；3個加速度計用來測量飛行器的3個平移運動的加速度。計算機根據測得的加速度信號計算出飛行器的速度和位置數據。控制顯示器顯示各種導航參數，實現功能。
分類
按照慣性導航組合在飛行器上的安裝方式，可分為平台式慣性導航系統（慣性導航組合安裝在慣性平台的台體上）和捷聯式慣性導航系統（慣性導航組合直接安裝在飛行器上）。
平台式
根據建立的坐標系不同，又分為空間穩定和本地水平兩種工作方式。空間穩定平台式慣性導航系統的台體相對慣性空間穩定，用以建立慣性坐標系。地球自轉、重力加速度等影響由計算機加以補償。這種系統多用於運載火箭的主動段和一些太空飛行器上。本地水平平台式慣性導航系統的特點是台體上的兩個加速度計輸入軸所構成的基準平面能夠始終跟蹤飛行器所在點的水平面（利用加速度計與陀螺儀組成舒拉迴路來保證），因此加速度計不受重力加速度的影響。這種系統多用於沿地球表面作等速運動的飛行器（如飛機、巡航飛彈等）。在平台式慣性導航系統中，框架能隔離飛行器的角振動，儀表工作條件較好。平台能直接建立導航坐標系,計算量小，容易補償和修正儀表的輸出,但結構複雜，尺寸大。
捷聯式
根據所用陀螺儀的不同，分為速率型捷聯式慣性導航系統和位置型捷聯式慣性導航系統。前者用速率陀螺儀，輸出瞬時平均角速度矢量信號；後者用自由陀螺儀，輸出角位移信號。捷聯式慣性導航系統省去了平台，所以結構簡單、體積小、維護方便，但陀螺儀和加速度計直接裝在飛行器上，工作條件不佳，會降低儀表的精度。這種系統的加速度計輸出的是機體坐標系的加速度分量，需要經計算機轉換成導航坐標系的加速度分量，計算量較大。
為了得到飛行器的位置數據，須對慣性導航系統每個測量通道的輸出積分。陀螺儀的漂移將使測角誤差隨時間成正比地增大，而加速度計的常值誤差又將引起與時間平方成正比的位置誤差。這是一種發散的誤差（隨時間不斷增大），可通過組成舒拉迴路、陀螺羅盤迴路和傅科迴路 3個負反饋迴路的方法來修正這種誤差以獲得準確的位置數據。
舒拉迴路、陀螺羅盤迴路和傅科迴路都具有無阻尼周期振盪的特性。所以慣性導航系統常與無線電、都卜勒和天文等導航系統組合，構成高精度的組合導航系統，使系統既有阻尼又能修正誤差。
慣性導航系統的導航精度與地球參數的精度密切相關。高精度的慣性導航系統須用參考橢球來提供地球形狀和重力的參數。由於地殼密度不均勻、地形變化等因素，地球各點的參數實際值與參考橢球求得的計算值之間往往有差異，並且這種差異還帶有隨機性，這種現象稱為重力異常。正在研製的重力梯度儀能夠對重力場進行實時測量，提供地球參數，解決重力異常問題。
相關信息
在遊戲微軟模擬飛行中有在大型飛機中套用慣性導航例如默認機747
不依賴衛星的新型微型慣性導航系統
從2010年起，美國國防部高級研究計畫局開展了不依賴衛星的導航系統的研發工作，旨在全面替代GPS，而不是作為GPS系統的補充。目前，該局聯合美國密西根大學的研究人員已經研製出了一種不依賴衛星的新型導航系統，它被集成在一個僅有8立方毫米的晶片上，晶片中集成有3個微米級的陀螺儀、加速器和原子鐘，它們共同構成了一個不依賴外界信息的自主導航系統。這名項目主管還稱，按計畫，這種新一代的導航系統將會首先被用於小口徑彈藥制導、重點人員監控，以及水下武器平台等GPS套用觸及不到的領域。
美軍所謂的新一代導航系統其實質是一種基於現代原子物理最新技術成就的微型慣性導航系統。慣性導航系統是人類最早發明的導航系統之一。早在1942年德國在V-2火箭上就首先套用了慣性導航技術。而美國國防部高級研究計畫局新一代導航系統主要通過集成在微型晶片上的原子陀螺儀、加速器和原子鐘精確測量載體平台相對慣性空間的角速率和加速度信息，利用牛頓運動定律自動計算出載體平台的瞬時速度、位置信息並為載體提供精確的授時服務。有資料顯示，2003年美國國防部就斥資千萬開始對原子慣性導航技術的研製。該技術一旦研製成功，將會使慣性導航達到前所未有的精度。具體來說，將會比目前最精準的軍用慣性導航的精度還要高出100到1000倍，而這將會對軍用定位、導航領域帶來革命性影響。由於該導航系統具有體積小、成本低、精度高、不依賴外界信息、不向外界輻射能量、抗干擾能力極強、隱蔽性好等特點，很有可能成為GPS技術的替代者。
