学文网【摘要】本文介绍了惯性导航系统的主要组成器件，基本原理和主要类型。列举了惯性导航系统在当前的主要应用领域及发展趋势。
【关键词】惯性导航系统 INS 陀螺仪
惯性导航系统（Inertial Navigation System）是以惯性原理为理论基础，以陀螺仪和加速度计等为硬件设备基础，结合机电，光学，物理，数学，计算机科学等多种学科技术建立的导航参数解算系统。与天文导航系统，无线点导航系统，卫星导航系统相比，惯性导航系统具有设备隐蔽性，导航自主性和信息获取完整性等独特优点，故惯性导航系统一直作为一种重要的导航设备，广泛应用于民用，***事，科研等多个领域。
一、惯性仪表
惯性仪表，又称惯性器件，是惯性导航系统获取导航参数的主要硬件设备。目前，惯性仪表主要指陀螺仪和加速度计。
（一）陀螺仪
陀螺仪主要用于获取运动体角运动信息。陀螺仪具有两大特性：
定轴性，在不受外力矩作用时，陀螺转子的方向始终指向初始恒定方向。
进动性，在受外力作用时，陀螺转子讲偏离原始方向，做以下运动：
根据以上两个特性制成的陀螺仪能够精确测定陀螺轴指向。目前，陀螺仪发展已经进入第四个阶段，即激光陀螺，静电陀螺，振动陀螺广泛应用。在未来，高灵敏度，高可靠性，结构简单，成本低廉的光纤陀螺将是主要发展趋势。
（二）加速度仪
加速度计主要用于获取运动体加速度信息。假设加速度计处于垂直方向上，由于地球重力影响，根据牛顿第二定律，只需已知测试元件质量，通过测量测试元件所受的力，便可求出运动体加速度。
通常记f（specific force）定义为作用在单位质量的非引力外力，可由加速度计测出。目前，工程上常采用具有偏心质量的摆式加速度，常见有液浮摆式加速度计，陀螺积分加速度计。
二、惯性导航系统分类
根据构建导航坐标系方法不同，常将惯性导航系统分为两类
平台式惯性导航系统，将加速度计安装在稳定平台上，稳定平台由陀螺仪控制，使平台始终与要求的导航坐标系保持一致。
捷联式惯性导航系统，将陀螺仪和加速度计都直接安装在运动体上，陀螺输出用来求解运动体相对导航坐标系的坐标转换系数。
平台式惯性导航系统由于体积大，结构复杂，可靠性差等缺点，近来逐步被捷联式惯性导航系统所替代，捷联式惯性导航系统由于采用数学方法建立导航坐标系，不需要依赖复杂的物理平台，具有体积小，结构简单，可靠性强的优点，但是巨大的计算量无疑需要优秀的算法和高效的微处理器。
三、惯性导航系统应用
（一）惯性导航系统在***事上应用
第二次世界大战期间，德国在V2导弹采用两个双自由度陀螺仪和一个陀螺积分加速度计组成惯性导航系统，这是惯性导航技术在导弹制导上的首次利用。近年来，由于惯性器件性能和制造水平不断提高，惯性导航系统在***事上应用更加广泛，主要集中在导弹制导，复杂条件下战斗机导航，高能激光武器的瞄准，空间飞行器控制等领域。
（二）惯性导航系统在航海上应用
自1908年德国科学家安修茨设计的单转子摆式陀螺罗经首次在航海上应用，至今一百多年来，惯性导航系统在航海导航的应用取得了不断进步和成功。美国海***于1978年将Sperry Marine公司生产的MK16 MOD II 型陀螺稳定器装备于导弹驱逐舰上， 2005 - 2006年Sperry为加拿大海***的4艘潜艇装配了MK 49，环形激光陀螺捷联惯性导航系统AN/WSN27型则于2000年开始大规模生产并装备美国海***舰艇，代表了惯性技术发展的最新水平。
（三）组合导航技术
组合导航技术是指利用运动载体上两种或者两种以上导航设备提供的多重数据，求解位置，速度和姿态等多种导航信息，从而使多种导航设备能达到优势互补，提高精度的目的。
目前，惯性导航系统与GPS结合是最为理想，惯性导航抗干扰能力强，且不依赖外来信号，速度快，故在山洞等GPS信号较弱的地方为运动体提供导航信息，而GPS测量值可以校正惯性器件的漂移值，从而实现快速，连续，高精度定位。国外在90年代前后已经进行了基于深组合技术的组合导航系统的实验研究，并在1997年得到了应用。从21世纪初开始，，美国绝大部分战斗机上已经采用EG I （Embedded GPS/INS）技术逐步替代单GPS接收机， 并最终淘汰单GPS接收机。
值得一提的是，我国正在建设和运行的北斗导航系统，也可与惯性导航系统采用深组合方式组成组合导航系统，从而更加充分地发挥我国自主研发北斗导航系统作用，有效提高定位精度和系统可靠性。
四、惯性导航系统发展趋势
上节列举了导航系统当前在各个领域的一些应用，未来，惯性导航系统将进一步发展，主要特点是满足用户需求，体现自身优势，具体体现在：
（1）继续在GNSS信号盲区或复杂环境（战场等具有电子干扰因素的地方）提供持续，可靠，连续的导航定位服务。
（2）民用市场的巨大潜力将使惯性导航向小型化，低成本，多模式方向发展，例如车载惯性导航系统，移动端惯性导航系统。
（3）组合导航系统的进一步发展，增加导航系统自身的集成度，能够与GNSS更好地协调组合，提供稳定，可靠，高精度导航服务，发挥各自优势。
（4）采用新工艺，新材料的陀螺仪，加速度计将推动惯性导航系统性能进一步提高。
五、结束语
作为唯一的全自主导航系统，惯性导航系统有着其他系统不可比拟的优势，使得对惯性导航系统的研究具有很高的价值。与此同时，惯性导航系统在***事，民用领域的利用也将越来越广泛，在未来以组合导航为基础的导航系统将使得惯性导航系统和GNSS的优势能够得到更加充分的发挥。
参考文献：
[1]秦永元.惯性导航[M].科学出版社， 2006.
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