原创 国外惯性导航、陀螺系统技术介绍

惯性导航系统（英语INS，Inertial Navigation System）是以陀螺和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统，该系统根据陀螺的输出建立导航坐标系，根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置。

惯性导航属于一种推算导航方式．即从一已知点的位置根据连续测得的运载体航向角和速度推算出其下一点的位置．因而可连续测出运动体的当前位置。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。

简单航位推算在有的车载GPS导航系统里也同时带有此功能，被称作Dead Reckoning，也被商家称做惯导。当然这里说的惯性导航远为复杂。

惯性导航系统有如下主要优点．（1）由于它是不依赖于任何外部信息．也不向外部辐射能量的自主式系统．故隐蔽性好，也不受外界电磁干扰的影响；（2）可全天流全球、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下．（3）能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低．（4）数据更新率高、短期精度和稳定性好．其缺点是．（1）由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；（2）每次使用之前需要较长的初始对准时间；（3）设备的价格较昂贵；（4）不能给出时间信息

由于惯性导航本身的缺点，自然与GPS、GNSS卫星导航结合，惯导有固定的漂移率造成物体运动的误差得到GPS、GNSS的定时修正，以获取持续准确的位置参数。

惯性导航已经发展出挠性惯导、光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表等多种方式的惯导系统。利用激光来作为方位测向器的陀螺将逐渐取代传统的机械陀螺。

激光陀螺惯导系统的定位精度高，随机漂移小，并能快速进入作战状态，于20世纪80年代初开始成功地应用于飞机及地面车辆的导航和舰炮等方面，以后又应用于**和运载火箭等领域。但是，环形激光陀螺的谐振腔必须严格密封，并保证其中的氦氖混合气体组分浓度恒定，反射镜镀膜工艺要求高，制造成本高，而且会有“闭锁现象”等问题产生，因此还有待于改进。目前，许多科研单位正致力于固体环形激光陀螺仪的研究。 光纤陀螺的基本工作原理与环形激光陀螺相似，除了具有激光陀螺所有的优点外，还不需要精密加工、严格密封的光学谐振腔和高质量的反射镜，所以减少了复杂性，降低了成本，具有更强的市场竞争力。日本在TR1和M5火箭上率先使用了光纤陀螺。美国研制的光纤陀螺已应用于飞机俯冲、横滚和航向基准的惯性测量系统中。但目前的光纤陀螺会出现角度随机游动、零偏不稳定等缺陷，其性能有待提高。 随着现代微机电系统（MEMS）的飞速发展，近年来硅微陀螺（俗称芯片陀螺）和硅加速度计的研制工作进展很快。据报道，这种新的固态陀螺的零偏稳定性已能达到1 度/小时（温控条件下）。现在美国已开始小批量生产由硅微陀螺和硅加速度计构成的微型惯性测量装置，其低成本、低功耗及体积小、质量轻的特点很适于战术应用，在航空上最先的应用场合将是战术**和无人机。 高精度的惯导装置需要先进的精密加工工艺作为基础。随着关键理论和技术的突破，会有多种类型的惯性陀螺应用在军事领域，发挥出日益显著的作用。

目前已知市场上最小的一款高精度组合导航与航姿设备INS/GNSS/AHRS系统是澳大利亚工程师开发的，被命名为“空间”，尺寸仅仅28x28x20 mm。

“空间”是一个坚固耐用的微型GNSS / INS惯性导航和AHRS航姿参考系统单元，在最苛刻的条件下提供精确的位置、速度、加速度和方向。它结合了温度校准的加速度计、陀螺仪、磁力计、压力传感器和先进的GNSS接收机。这些组合一个复杂的混合算法，提供准确，可靠的导航和定位。在全球导航卫星系统、惯性导航系统、姿态与航向参考系统和其他3D导航技术处于领先地位。

“空间”精密船级铝合金外壳符合防水和防脏的IP67标准，防冲击达2000g，能够在最极端的条件下使用。一个先进的通风系统，使“空间”单元能测量空气压力，同时又保持水份排出。“空间”是市场上最小的全球导航卫星系统/ INS，只有28x36x20毫米（含突出接头），亦是最低功耗5伏100mA的电力系统。

“空间”的下一代全球导航卫星系统接收器，支持所有当前和未来的卫星导航系统，包括GPS、GLONASS、GALILEO和北斗。这些额外的卫星导航系统能让“空间”，在只GPS的单元不能继续工作——如城市峡谷和室内——的环境中提供精确的位置和速度数据。

“空间”是第一个在世界上的GNSS/ INS提供温度校准动态范围的传感器。有三个不同的范围内水平的加速度计、陀螺仪和磁强计，“空间”可以设置高准确度、高动态飞行。

“空间”包含一个下一代存储器备份系统，允许它从它的最后的位置在50毫秒内热启动导航，并在约3秒内获得GNSS定位。存储备份系统在产品的生命周期内持续工作，并提供24小时断电备份。

“空间”的内部滤波器运行频率800HZ，数据可以以这样的速度在高速RS232接口输出。这允许用于控制动态不稳定的平台。“空间”也非常宽容动态运动和振动。

应用：机器人、运动科学、追踪与保安、赛车、极限运动