什么是慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)慣性導(dǎo)航（inertialnavigation）通過測量飛行器的加速度，并自動進(jìn)行積分運(yùn)算，獲得飛行器瞬時(shí)速度和瞬時(shí)位置數(shù)據(jù)的技術(shù)。組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)備都安裝在運(yùn)載體內(nèi)，工作時(shí)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(dǎo)航系統(tǒng)。

[1]中文名：慣性導(dǎo)航外文名：inertialnavigation優(yōu)

點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、維護(hù)方便根

據(jù)：依據(jù)牛頓慣性原理類

型：物理利用慣性元件（加速度計(jì)）來測量運(yùn)載體本身的加速度，經(jīng)過積分和運(yùn)算得到速度和位置，從而達(dá)到對運(yùn)載體導(dǎo)航定位的目的。組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)備都安裝在運(yùn)載體內(nèi)，工作時(shí)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(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常由慣性測量裝置、計(jì)算機(jī)、控制顯示器等組成。慣性測量裝置包括加速度計(jì)和陀螺儀，又稱慣性測量單元。3個(gè)自由度陀螺儀用來測量運(yùn)載體的3個(gè)轉(zhuǎn)動運(yùn)動；3個(gè)加速度計(jì)用來測量運(yùn)載體的3個(gè)平移運(yùn)動的加速度。計(jì)算機(jī)根據(jù)測得的加速度信號計(jì)算出運(yùn)載體的速度和位置數(shù)據(jù)?？刂骑@示器顯示各種導(dǎo)航參數(shù)。按照慣性測量單元在運(yùn)載體上的安裝方式，分為平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（慣性測量單元安裝在慣性平臺的臺體上）和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（慣性測量單元直接安裝在運(yùn)載體上）；后者省去平臺，儀表工作條件不佳（影響精度），計(jì)算工作量大。簡史inertialnavigation通過測量飛行器的加速度(慣性)，并自動進(jìn)行積分運(yùn)算，獲得飛行器瞬時(shí)速度和瞬時(shí)位置數(shù)據(jù)的技術(shù)。17世紀(jì)，I.牛頓研究了高速旋轉(zhuǎn)剛體的力學(xué)問題。牛頓力學(xué)定律是慣性導(dǎo)航的理論基礎(chǔ)。1852年J.傅科稱這種剛體為陀螺，后來制成供姿態(tài)測量用的陀螺儀。1906年H.安休茲制成陀螺方向儀，其自轉(zhuǎn)軸能指向固定的方向。1907年他又在方向儀上增加擺性，制成陀螺羅盤。這些成果成為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的先導(dǎo)。1923年M.舒拉發(fā)表“舒拉擺”理論，解決了在運(yùn)動載體上建立垂線的問題，使加速度計(jì)的誤差不致引起慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差的發(fā)散,為工程上實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航提供了理論依據(jù)。1954年慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在飛機(jī)上試飛成功。1958年，“舡魚”號潛艇依靠慣性導(dǎo)航穿過北極在冰下航行21天。中國從1956年開始研制慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，自1970年以來，在多次發(fā)射的人造地球衛(wèi)星和火箭上，以及各種飛機(jī)上，都采用了本國研制的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)屬于一種推算導(dǎo)航方式．即從一已知點(diǎn)的位置根據(jù)連續(xù)測得的運(yùn)載體航向角和速度推算出其下一點(diǎn)的位置．因而可連續(xù)測出運(yùn)動體的當(dāng)前位置。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的陀螺儀用來形成一個(gè)導(dǎo)航坐標(biāo)系使加速度計(jì)的測量軸穩(wěn)定在該坐標(biāo)系中并給出航向和姿態(tài)角；加速度計(jì)用來測量運(yùn)動體的加速度經(jīng)過對時(shí)間的一次積分得到速度，速度再經(jīng)過對時(shí)間的一次積分即可得到距離。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有如下主要優(yōu)點(diǎn)．（1）由于它是不依賴于任何外部信息．也不向外部輻射能量的自主式系統(tǒng)．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(shí)間地工作于空中地球表面乃至水下．（3）能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，所產(chǎn)生的導(dǎo)航信息連續(xù)性好而且噪聲低．（4）數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好．其缺點(diǎn)是：（1）由于導(dǎo)航信息經(jīng)過積分而產(chǎn)生，定位誤差隨時(shí)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(zhǔn)時(shí)間；（3）設(shè)備的價(jià)格較昂貴；（4）不能給出時(shí)間信息。組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常由慣性測量裝置、計(jì)算機(jī)、控制顯示器等組成。慣性測量裝置包括加速度計(jì)和陀螺儀,又稱慣性導(dǎo)航組合。3個(gè)自由度陀螺儀用來測量飛行器的三個(gè)轉(zhuǎn)動運(yùn)動；3個(gè)加速度計(jì)用來測量飛行器的3個(gè)平移運(yùn)動的加速度。計(jì)算機(jī)根據(jù)測得的加速度信號計(jì)算出飛行器的速度和位置數(shù)據(jù)?？刂骑@示器顯示各種導(dǎo)航參數(shù)，實(shí)現(xiàn)功能。分類按照慣性導(dǎo)航組合在飛行器上的安裝方式，可分為平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（慣性導(dǎo)航組合安裝在慣性平臺的臺體上）和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（慣性導(dǎo)航組合直接安裝在飛行器上）。

[2]平臺式根據(jù)建立的坐標(biāo)系不同，又分為空間穩(wěn)定和本地水平兩種工作方式?？臻g穩(wěn)定平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的臺體相對慣性空間穩(wěn)定，用以建立慣性坐標(biāo)系。地球自轉(zhuǎn)、重力加速度等影響由計(jì)算機(jī)加以補(bǔ)償。這種系統(tǒng)多用于運(yùn)載火箭的主動段和一些航天器上。本地水平平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)是臺體上的兩個(gè)加速度計(jì)輸入軸所構(gòu)成的基準(zhǔn)平面能夠始終跟蹤飛行器所在點(diǎn)的水平面（利用加速度計(jì)與陀螺儀組成舒拉回路來保證），因此加速度計(jì)不受重力加速度的影響。這種系統(tǒng)多用于沿地球表面作等速運(yùn)動的飛行器（如飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈等）。在平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，框架能隔離飛行器的角振動，儀表工作條件較好。平臺能直接建立導(dǎo)航坐標(biāo)系,計(jì)算量小，容易補(bǔ)償和修正儀表的輸出,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸大。捷聯(lián)式根據(jù)所用陀螺儀的不同，分為速率型捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和位置型捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。前者用速率陀螺儀，輸出瞬時(shí)平均角速度矢量信號；后者用自由陀螺儀，輸出角位移信號。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)省去了平臺，所以結(jié)構(gòu)簡單、體積小、維護(hù)方便，但陀螺儀和加速度計(jì)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(tǒng)的加速度計(jì)輸出的是機(jī)體坐標(biāo)系的加速度分量，需要經(jīng)計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換成導(dǎo)航坐標(biāo)系的加速度分量，計(jì)算量較大。為了得到飛行器的位置數(shù)據(jù)，須對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)每個(gè)測量通道的輸出積分。陀螺儀的漂移將使測角誤差隨時(shí)間成正比地增大，而加速度計(jì)的常值誤差又將引起與時(shí)間平方成正比的位置誤差。這是一種發(fā)散的誤差（隨時(shí)間不斷增大），可通過組成舒拉回路、陀螺羅盤回路和傅科回路3個(gè)負(fù)反饋回路的方法來修正這種誤差以獲得準(zhǔn)確的位置數(shù)據(jù)。舒拉回路、陀螺羅盤回路和傅科回路都具有無阻尼周期振蕩的特性。所以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)常與無線電、多普勒和天文等導(dǎo)航系統(tǒng)組合，構(gòu)成高精度的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，使系統(tǒng)既有阻尼又能修正誤差。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度與地球參數(shù)的精度密切相關(guān)。高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)須用參考橢球來提供地球形狀和重力的參數(shù)。由于地殼密度不均勻、地形變化等因素，地球各點(diǎn)的參數(shù)實(shí)際值與參考橢球求得的計(jì)算值之間往往有差異，并且這種差異還帶有隨機(jī)性，這種現(xiàn)象稱為重力異常。正在研制的重力梯度儀能夠?qū)χ亓鲞M(jìn)行實(shí)時(shí)測量，提供地球參數(shù)，解決重力異常問題。相關(guān)信息在游戲微軟模擬飛行中有在大型飛機(jī)中應(yīng)用慣性導(dǎo)航例如默認(rèn)機(jī)747不依賴衛(wèi)星的新型微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)從2010年起，美國國防部高級研究計(jì)劃局開展了不依賴衛(wèi)星的導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)工作，旨在全面替代GPS，而不是作為GPS系統(tǒng)的補(bǔ)充。目前，該局聯(lián)合美國密歇根大學(xué)的研究人員已經(jīng)研制出了一種不依賴衛(wèi)星的新型導(dǎo)航系統(tǒng)，它被集成在一個(gè)僅有8立方毫米的芯片上，芯片中集成有3個(gè)微米級的陀螺儀、加速器和原子鐘，它們共同構(gòu)成了一個(gè)不依賴外界信息的自主導(dǎo)航系統(tǒng)。這名項(xiàng)目主管還稱，按計(jì)劃，這種新一代的導(dǎo)航系統(tǒng)將會首先被用于小口徑彈藥制導(dǎo)、重點(diǎn)人員監(jiān)控，以及水下武器平臺等GPS應(yīng)用觸及不到的領(lǐng)域。美軍所謂的新一代導(dǎo)航系統(tǒng)其實(shí)質(zhì)是一種基于現(xiàn)代原子物理最新技術(shù)成就的微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是人類最早發(fā)明的導(dǎo)航系統(tǒng)之一。早在1942年德國在V-2火箭上就首先應(yīng)用了慣性導(dǎo)航技術(shù)。而美國國防部高級研究計(jì)劃局新一代導(dǎo)航系統(tǒng)主要通過集成在微型芯片上的原子陀螺儀、加速器和原子鐘精確測量載體平臺相對慣性空間的角速率和加速度信息，利用牛頓運(yùn)動定律自動計(jì)算出載體平臺的瞬時(shí)速度、位置信息并為載體提供精確的授時(shí)服務(wù)。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(dǎo)航