慣性導航的工作原理及慣性導航系統分類

慣性導航系統(INS)是一種自主式的導航設備，能連續、實時地提供載體位置、姿態、速度等信息;特點是不依賴外界信息，不受氣候條件和外部各種干擾因素。

慣性導航及控制系統最初主要為航空航天、地面及海上軍事用戶所應用， 是現代國防系統的核心技術產品，被廣泛應用于飛機、導彈、艦船、潛艇、坦克 等國防領域。隨著成本的降低和需求的增長，慣性導航技術已擴展到大地測量、 資源勘測、地球物理測量、海洋探測、鐵路、隧道等商用領域，甚至在機器人、攝像機、兒童玩具中也被廣泛應用。

不同領域使用慣性傳感器的目的、方法大致相同，但對器件性能要求的側 重各不相同。從精度方面來看，航天與航海領域對精度要求高，其連續工作時間 也長;從系統壽命來看，衛星、空間站等航天器要求最高，因其發射升空后不可 更換或維修;制導武器對系統壽命要求最短，但可能須要滿足長時間戰備的要求 。涉及到軍事應用等領域，對可靠性要求較高。

慣性導航 的工作原理

慣性導航系統是一種自主式的導航方法，它完全依靠載體上的設備自主地 確定載體的航向、位置、姿態和速度等導航參數，而不需要借助外界任何的光、 電、磁等信息。

慣性導航是一門涉及精密機械、計算機技術、微電子、光學、自動控制、材料等多種學科和領域的綜合技術。其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、角加速度，將它對時間進行一次積 分，求得運動載體的速度、角速度，之后進行二次積分求得運動載體的位置信息 ，然后將其變換到導航坐標系，得到在導航坐標系中的速度、偏航角和位置信息等。 百度搜索“樂晴智庫”，獲得更多行業深度研究報告

慣性導航系統分類

慣性導航系統根據陀螺儀的不同，可分為機電(包含液浮、氣浮、靜電、 撓性等種類)陀螺儀、光學(包含激光、光纖等種類) 陀螺儀、微機械(MEMS)陀螺儀等類型的慣性導航系統。

根據慣性導航系統 的力學編排實現形式又可以分為 :平臺式慣性導航系統和 捷聯式慣性導航系統。

平臺式慣性導航系統是將陀螺儀和加速度等慣性元件通過萬向支架角運動 隔離系統與運動載物固聯的慣性導航系統。，其慣性測量裝臵(加速度計和陀螺儀)安裝在機電導航平臺上，以平臺坐標系為基準，測量運載體運動參數。平臺式 慣性導航系統通過框架伺服系統隔離了載體的角運動，因此可以獲得較高的系統精度。

捷聯式慣性導航系統，其慣性測量裝臵(加速度計和陀螺儀)直接裝在飛 行器、艦艇、導彈等載體上，載體轉動時，加速度計和陀螺儀的敏感軸指向也跟隨轉動。陀螺儀測量載體角運動，計算載體姿態角，從而確定加速度計敏感軸指向 。再通過坐標變換，將加速度計輸出的信號變換到導航坐標系上，進行導航計算。

目前，平臺慣導系統已經達到了很高的水平，但是其造價、維修費用十分 昂貴，而且其采用了框架伺服系統，相對可靠性將會下降。捷聯式慣性導航技術是 20世紀 60 年代發展起來的，將慣性測量裝臵直接安裝在載體而非機電平臺上，以數學平臺代替機電式導航平臺的導航技術，捷聯系統慣性測量裝臵便于安裝 、維修和更換，體積小，是慣性導航技術的一個重要發展方向。但是，捷聯系統 由于把慣性測量裝臵直接固定在載體上，導致慣性測量裝臵工作環境惡化，降低 了系統的應用精度。

慣性器件

慣性導航系統通常由慣性測量裝臵、計算機、顯示器等組成。慣性測量裝 臵由兩大核心慣性元器件組成:加速度計和陀螺儀。三個自由度的陀螺用來測量 飛行器的角加速度，三個加速度計用來測量飛行器的加速度，計算機通過測得的 角加速 度和加速度數據計算出飛行器的速度和位子數據。性能先進的慣性器件是 先進慣性導航系統的前提。

陀螺儀

傳統意義上的陀螺儀是安裝在框架中繞回轉體的對稱軸高速旋轉的物體。 陀螺儀具有穩定性和進動性，利用這些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感 角偏差的位置陀螺。由于光學、MEMS 等技術被引入于陀螺儀的研制，現在習慣上把能夠完成陀螺功能的裝臵統稱為陀螺。

陀螺儀種類多樣，按陀螺轉子主軸所具有的進動自由度數目可分為二自由 度陀螺儀和單自由度陀螺儀;按支承系統可分為滾珠軸承支承陀螺，液浮、氣浮 與磁浮陀螺，撓性陀螺(動力調諧式撓性陀螺儀)，靜電陀螺;按物理原理分為利用高速旋轉體物理特性工作的轉子式陀螺，和利用其他物理原理工作的半球諧振 陀螺、微機械陀螺、環形激光陀螺和光纖陀螺等。

根據其精度范圍大致分為超高精度陀螺儀、中高精度陀螺儀和低精度陀螺 儀。超高精度陀螺儀指精度范圍在 10-6 o/h~5*10-4 o/h 范圍內的陀螺儀，主要包括液浮陀螺、靜電陀螺等，目前最高精度的陀螺儀是靜電陀螺儀。中高精度陀螺 儀指精度在 5*10-4 o/h~10-1 o/h 的陀螺儀，目前最有發展前景的陀螺儀是光學陀螺儀，激光陀螺屬于第一代光學陀螺，光纖陀螺屬于第二代光學陀螺，最近幾年 ，由于光纖陀螺在精度、性能和尺寸上具有更大的潛力，越來越受到各國軍方的 青睞。低精度陀螺儀是指精度范圍超過 10-1 o/h 的陀螺儀，目前發展前景較好的是MEMS 陀螺儀，雖然精度低，但低廉的價格使其具有廣闊的應用前景。

機電陀螺

機電陀螺是傳統的第一、二代陀螺儀，主要包括第一代液浮、氣浮、磁懸浮陀螺，以及撓性、靜電等第二代陀螺。機電陀螺的共同點在于轉子都是安裝在框 架中繞回轉體的對稱軸高速旋轉，屬于剛體轉子陀螺儀，不同點在于支撐系統不 一樣。第一代液浮、氣浮、磁懸浮陀螺精度雖高，但結構復雜，制造困難、成本 很高。隨著慣性導航系統的推廣，尤其是在飛機上的廣泛應用，尋求一種中高精 度、但結構簡單、成本較低的陀螺成為當時迫切需要解決的問題。

撓性陀螺

60 年代初，出現了一種新穎支撐原理的撓性陀螺解決了第一代陀螺儀的問題。撓性陀螺的轉子利用撓性接頭支撐，去除了支承軸上的摩擦干擾力矩，具有體積小、重量輕、可靠性高、成本低、能夠消除支承摩擦的優點，目前應用范圍廣 泛，從平臺式到捷聯式，從飛機、導彈到艦船、航天飛行器均有所應用。

靜電陀螺

靜電陀螺是應用電場原理，在超真空的腔體內由靜電場產生的吸力來支承 球形轉子的一種自由轉子陀螺，和撓性陀螺同屬第二代陀螺儀。靜電陀螺技術是 當今世界上最高精度的慣性技術，目前世界上只有美國、俄羅斯、法國和中國掌 握并成功地應用了這一技術。靜電陀螺慣性系統價格昂貴、結構體積較為龐大， 一般應用在彈道導彈核潛艇或航空母艦上。

光學陀螺

光學儀器被用來測量地球的轉動始于 1913 年法國物理學家 Sagnac 提出的 Sagnac效應，真正實用的激光陀螺在 1963 年研制成功。此后，基于 Sagnac 效應的光學陀螺迅速發展，激光陀螺和光纖陀螺是目前軍事應用領域使用最廣泛的陀 螺，以其為主要慣性器件的捷聯慣性導航系統更是逐步取代成本高昂的基于機電 陀螺的平臺式慣性導航系統和捷聯式慣性導航系統。

加速度計

加速度計是慣性導航系統的另一核心元件。加速度計是用來感測運動載體 沿一定方向的比力的慣性器件，可以測量出加速度和重力，從而計算載體的速度和位臵。加速度計的分類:按照輸入與輸出的關系可分為普通型、積分性和二次積 分型;按物理原理可分為擺式和非擺式，擺式加速度計包括擺式積分加速度計、 液浮擺式加速度計和撓性擺式加速度計，非擺式加速度計包括振梁加速度計和靜 電加速度計;按測量的自由度可分為單軸、雙軸、三軸;按測量精度可分為高精 度(優于 10-4m/s2)、中精度(10-2 m/s2–10-3 m/s2)和低精度(低于 0.1m/s2)三類。

世界慣性導航市場的發展格局

世界慣性 導航的發展進程

由于陀螺儀是慣性導航的核心部件，因此，可以按各種類型陀螺出現的先 后、理論的建立和新型傳感器制造技術的出現，將慣性技術的發展劃分為四代。 慣性導航技術的發展歷史如圖表 19 所示，折線下方為該階段建立的主要技術理論，上方為各階段出現的慣性器件及其精度。不過，慣性技術發展的各階段之間 并無明顯界線。

世界慣性導航市場格局

美國國防部把從事慣性技術領域研究和開發的國家分為 4 個層次:屬于第一層次的有美國、英國和法國;屬于第二層次的有俄羅斯、德國、以色列和日本 ;屬于第三層次的有中國、澳大利亞、加拿大、瑞典、烏克蘭;屬于第四層次的有韓國、印度、巴西***瑞士、意大利等。所謂第一層次就是完全具備自主研 究和開發慣性技術能力的國家，第二層次的國家是指具備大部分的自主研發能力的國家，第三層次的國家是指具備部分研發能力的國家，第四層次的國家是指具備 很有限的從事慣性技術研發能力的國家。