2018年10月31日

惯性导航是以惯性仪表为核心的惯性系统集成之一。在惯性技术领域,从技术层次来看,分为惯性仪表与惯性系统两个层级,惯性仪表主要包括测量角运动的陀螺仪和测量线运动的加速度计;惯性系统是以惯性仪表为核心,利用集成技术实现的惯性测量、惯性导航以及稳控系统,其中惯性导航应用领域最为广泛。


惯性导航系统的核心装置是陀螺仪和加速度计。通常情况下,每套惯性测量装置包含三组陀螺仪和加速度计,分别测量三个自由度的角加速度和线加速度,通过对加速度的积分和初始速度、位置的叠加运算,得到物体在空间位置中的运动方向和速度,结合惯性导航系统内的运动轨迹设定,对航向和速度进行修正以实现导航功能。


惯性导航产业链主要分为器件制造、模块组装和软件设计两个层级。在产业链上游,惯导系统元器件主要包括电子元器件、惯性器件和其他参考信息设备;产业链中游主要产品包括信息采集处理模块、测量单元模块和卫星测姿模块,以及对各模块进行系统集成和软件设计。


惯性导航具有隐蔽性高、覆盖范围广、短期精度高等优点,可应用于各类武器装备。在军用飞机、精确制导武器、地面装甲车辆、海军舰船等各类武器装备中,惯性导航是不可或缺的导航系统,打破了卫星定位系统受制于天气、地理位置等因素的限制,能够实现全天候、全地形的自助导航,满足各类武器装备在复杂战场环境下的作战需求。主要集中于石油勘探、移动通信、高速铁路、民用飞机、无人机、消费电子和汽车等领域。


根据构建导航坐标系方法的不同,惯导系统分为平台式惯导和捷联式惯导系统。平台式惯导是采用物理平台模拟导航坐标系统,即将加速度计安装在稳定平台上,稳定平台由陀螺仪控制,使平台始终跟踪要求的导航坐标系;捷联式惯导是采用数学算法确定出导航坐标系,即将加速度计和陀螺仪直接安装在运载体上,陀螺仪输出用来计算运载体相对导航坐标系的姿态变化,加速度计输出经姿态变化至导航坐标系内。


捷联式惯导系统在体积、成本和可靠性方面具有优势,是未来发展的主流形式。在惯性器件性能要求和计算量等方面,捷联式惯导系统要求更为苛刻,但同时减少对于复杂机电平台的要求。捷联式系统的抵抗振动和冲击能力比较强,在体积和成本方面具有优势,同时由于激光陀螺仪、光纤陀螺仪等惯性器件的出现以及计算机技术的快速发展,捷联式惯导在性能优势也逐步显现。因此从上世纪80年代开始,平台式惯导的开发工作已经基本终止,捷联式惯导将是未来惯导系统发展的主流形式。


在实际应用中,通常采用惯性+卫星的组合导航方式提高导航系统性能。由于惯性导航的反馈信息是通过惯性器件测量与算法产生,相对定位误差随导航时间而增加,因此长期导航精度较差;卫星导航采用绝对定位方式,定位精度取决于卫星信号精度,不因时间积累而增加误差。在实际应用领域,通常采用组合导航方式,即惯性+卫星组合导航来进行实时、高精度定位导航,一方面卫星导航受限于位置和时间,可能存在丢失信号的风险,而惯性导航短期精度高且不受范围的限制,可以适时地对卫星导航信号进行补充;另一方面,惯性导航累计误差高,而卫星导航可以实时更新位置数据,对惯性导航的数据进行修正,从而弥补惯性导航长期精度不高的缺点。


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