慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS，Inertial Navigation System）是一種利用慣性敏感器件、基準(zhǔn)方向及最初的位置信息來(lái)確定運(yùn)載體在慣性空間中的位置、方向和速度的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，也簡(jiǎn)稱(chēng)為慣導(dǎo)。

慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展歷程

第一代慣性導(dǎo)航技術(shù)指 1930 年以前的慣性技術(shù)，奠定了整個(gè)慣性導(dǎo)航發(fā)展的基礎(chǔ)。牛頓三大定律成為慣性導(dǎo)航的理論。

第二代慣性技術(shù)開(kāi)始于上世紀(jì) 40 年代火箭發(fā)展的初期，其研究?jī)?nèi)容從慣性儀表技術(shù)發(fā)展擴(kuò)大到慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用。

70 年代初期，第三代慣性技術(shù)發(fā)展階段出現(xiàn)了一些新型陀螺、加速度計(jì)和相應(yīng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其研究目標(biāo)是進(jìn)一步提高INS 的性能，并通過(guò)多種技術(shù)途徑來(lái)推廣和應(yīng)用慣性技術(shù)。

當(dāng)前，慣性技術(shù)正處于第四代發(fā)展階段，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性、低成本、小型化、數(shù)字化、應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛的導(dǎo)航系統(tǒng)。

比如隨著量子傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，在慣性導(dǎo)航技術(shù)中，利用原子磁共振特性構(gòu)造的微小型核磁共振陀螺慣性測(cè)量裝置具有高精度、小體積、純固態(tài)、對(duì)加速度不敏感等優(yōu)勢(shì)，成為新一代陀螺儀的研究熱點(diǎn)方向之一。

慣性導(dǎo)航的組成

慣性導(dǎo)航包括慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)IMU）和計(jì)算單元兩大部分。通過(guò)IMU感知物體方向、姿態(tài)等變化信息，再經(jīng)過(guò)各種轉(zhuǎn)換、補(bǔ)償計(jì)算得到更準(zhǔn)確的信息。比如檢測(cè)物體的初始位置、初始朝向、初始姿態(tài)以及接下來(lái)每一刻朝向、角度的改變，然后把這些信息加一起不停地推，推算出物體現(xiàn)在的朝向和位置。

IMU主要由加速度計(jì)和陀螺儀組成，可實(shí)時(shí)檢測(cè)物體的重心方向、俯仰角、偏航角等信息，如果還加上電子羅盤(pán)和氣壓計(jì)等傳感器，那IMU的測(cè)量信息量與精度也相應(yīng)地能得到一定的提高。

而計(jì)算單元?jiǎng)t主要由姿態(tài)解算單元，積分單元和誤差補(bǔ)償單元這三部分組成。

慣性導(dǎo)航的工作原理

慣性導(dǎo)航的目的是實(shí)現(xiàn)自主式導(dǎo)航，即不依賴(lài)外界信息，包括衛(wèi)星信號(hào)、北極指引等。那么慣性是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

慣性導(dǎo)航工作的核心原理是：它從過(guò)去自身的運(yùn)動(dòng)軌跡推算出自己目前的方位。其工作技術(shù)原理不外乎就是以下三條基本公式：距離=速度×?xí)r間，速度=加速度×?xí)r間，角度=角速度×?xí)r間。

首先，檢測(cè)（或設(shè)定好）初始信息，包括初始位置、初始朝向、初始姿態(tài)等。

然后，用IMU時(shí)刻檢測(cè)物體運(yùn)動(dòng)的變化信息。其中，加速度計(jì)測(cè)量加速度，利用原理 a=F/M，測(cè)量物體的線(xiàn)加速度，然后乘以時(shí)間得到速度，再乘以時(shí)間就得到位移，從而確定物體的位置；而陀螺儀則測(cè)量物體的角速率，以物體的初始方位作為初始條件，對(duì)角速率進(jìn)行積分，進(jìn)而時(shí)刻得到物體當(dāng)前方向；還有電子羅盤(pán)，能在水平位置確認(rèn)物體朝向。這3個(gè)傳感器可相互校正，得到較為準(zhǔn)確的姿態(tài)參數(shù)。

最后，通過(guò)計(jì)算單元實(shí)現(xiàn)姿態(tài)解、加速度積分、位置計(jì)算以及誤差補(bǔ)償，最終得到準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息。

另外重點(diǎn)講講慣性導(dǎo)航是如何通過(guò)坐標(biāo)系模型實(shí)現(xiàn)定位的？

日常生活中，我們都通過(guò)坐標(biāo)來(lái)定位，二維定位是x軸和y軸，三維定位則加上z軸。通過(guò)x軸、y軸和z軸的坐標(biāo)系模型，傳感器能夠測(cè)量各軸方向的線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)，以及圍繞各軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

但在實(shí)際應(yīng)用慣性導(dǎo)航中，慣性測(cè)量器件是直接安裝在運(yùn)動(dòng)載體上的，因此慣性器件測(cè)得的角速度和加速度的數(shù)值都是在載體運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下的量，即傳感器得到的是以物體的固連坐標(biāo)系為參照的數(shù)據(jù)（也叫地理坐標(biāo)系），但我們?nèi)粘６ㄎ挥玫氖堑厍蜃鴺?biāo)系，因此如何把測(cè)得的固連坐標(biāo)系數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成地球坐標(biāo)系數(shù)據(jù)，是慣性導(dǎo)航重要的第一步。

此時(shí)，需要引入一個(gè)第三者才能實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，即相對(duì)靜止的慣性坐標(biāo)系——地心慣性系。

地心慣性系：以地球的地心為原點(diǎn)，以地心指向春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)的連線(xiàn)為X軸、Y軸，以地球自轉(zhuǎn)軸指向北極為Z軸組成的右手坐標(biāo)系。因?yàn)榇悍贮c(diǎn)和秋分點(diǎn)不是地球表面上和地球固定的兩個(gè)點(diǎn)，而是地球所屬宇宙空間中兩個(gè)固定的點(diǎn)（因?yàn)槌嗟烂婧忘S道面是固定的面）。所以，春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)不會(huì)因?yàn)榈厍虻淖赞D(zhuǎn)而移動(dòng)，故地心慣性系是相對(duì)靜止的，不會(huì)隨地球自轉(zhuǎn)而移動(dòng)。

地球坐標(biāo)系：同樣以地球的地心為原點(diǎn)，x 軸穿過(guò)本初子午線(xiàn)（0度經(jīng)線(xiàn)）和赤道的交點(diǎn)，z 軸沿著自轉(zhuǎn)軸指向北極點(diǎn)，xyz 軸成右手系。明顯，x 軸是隨地球自轉(zhuǎn)而移動(dòng)，故地球坐標(biāo)系是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，會(huì)隨地球自轉(zhuǎn)而移動(dòng)。

地理坐標(biāo)系：以運(yùn)載體（如下圖的P）的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，x 軸指向正東方向，y 軸指向正北方向，z 軸垂直指向天上。地理坐標(biāo)系會(huì)隨運(yùn)載體的移動(dòng)而移動(dòng)。

當(dāng)運(yùn)載體運(yùn)行到地球的 P 點(diǎn)位置時(shí)，對(duì)應(yīng)的地球坐標(biāo)是什么呢？地理坐標(biāo)系需要怎樣旋轉(zhuǎn)才能和地球坐標(biāo)系重合呢？即兩者如何實(shí)現(xiàn)變換？

其實(shí)就是地理坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系都以相對(duì)靜止的地心慣性系為參照物，進(jìn)行一系列復(fù)雜的數(shù)字運(yùn)算。簡(jiǎn)單而言，便是通過(guò)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣實(shí)現(xiàn)兩個(gè)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)變換。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要的優(yōu)點(diǎn)

1、完全依靠運(yùn)動(dòng)載體自主地完成導(dǎo)航任務(wù)，不依賴(lài)于任何外部輸入信息，也不向外輸出信息的自主式系統(tǒng)，所以具備極高的抗干擾性和隱蔽性；

2、不受氣象條件限制，可全天候、全天時(shí)、全地理的工作。慣導(dǎo)系統(tǒng)不需要特定的時(shí)間或者地理因素，隨時(shí)隨地都可以運(yùn)行；

3、提供的參數(shù)多，比如GPS衛(wèi)星導(dǎo)航，只能給出位置，方向，速度信息，但是慣導(dǎo)同時(shí)還能提供姿態(tài)和航向信息；

4、導(dǎo)航信息更新速率高，短期精度和穩(wěn)定性好。目前常見(jiàn)的GPS更新速率為每秒1次，但是慣導(dǎo)可以達(dá)到每秒幾百次更新甚至更高。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要的缺點(diǎn)

1、導(dǎo)航誤差隨時(shí)間發(fā)散，由于導(dǎo)航信息經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算產(chǎn)生，定位誤差會(huì)隨時(shí)間推移而增大，長(zhǎng)期積累會(huì)導(dǎo)致精度差；

2、每次使用之前需較長(zhǎng)的初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間。慣性導(dǎo)航需要初始對(duì)準(zhǔn)，且對(duì)準(zhǔn)復(fù)雜、對(duì)準(zhǔn)時(shí)間較長(zhǎng)；

3、不能給出時(shí)間信息；

4、精準(zhǔn)的慣導(dǎo)系統(tǒng)價(jià)格昂貴，通常造價(jià)在幾十到幾百萬(wàn)之間。

慣性導(dǎo)航的分類(lèi)

從結(jié)構(gòu)上分，慣導(dǎo)可分兩大類(lèi)：平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)。

平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有實(shí)體的物理平臺(tái)，陀螺和加速度計(jì)置于由陀螺定的平臺(tái)上，該平臺(tái)跟蹤導(dǎo)航坐標(biāo)系，以實(shí)現(xiàn)速度和位置解算，姿態(tài)數(shù)據(jù)直接取自于平臺(tái)的環(huán)架。

由于平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)框架能隔離運(yùn)動(dòng)載體的角振動(dòng)，儀表工作條件較好，原始測(cè)量值采集精確，并且平臺(tái)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，但是其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積大，成本高且可靠性差。

捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)沒(méi)有實(shí)體的物理平臺(tái)，把陀螺和加速度計(jì)直接固定安裝在運(yùn)動(dòng)載體上，實(shí)質(zhì)上是通過(guò)陀螺儀計(jì)算出一個(gè)虛擬的慣性平臺(tái)，然后把加速度計(jì)測(cè)量結(jié)果旋轉(zhuǎn)到這個(gè)虛擬平臺(tái)上，再解算導(dǎo)航參數(shù)。

捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、維護(hù)方便，但陀螺儀和加速度計(jì)工作條件不佳，采集到的元器件原始測(cè)量值精度低。同時(shí)，捷聯(lián)慣導(dǎo)的加速度計(jì)輸出的是載體坐標(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，且容易產(chǎn)生導(dǎo)航解算的校正、起始及排列轉(zhuǎn)換的額外誤差?？傮w來(lái)說(shuō)，捷聯(lián)慣導(dǎo)精度較平臺(tái)慣導(dǎo)低，但可靠性好、更易實(shí)現(xiàn)、成本低，是目前民用慣導(dǎo)的主流技術(shù)。

慣性導(dǎo)航主要的應(yīng)用

慣性導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)最早起步于軍用，如航天、航空、制導(dǎo)武器、艦船、戰(zhàn)機(jī)等領(lǐng)域，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)價(jià)值的挖掘，慣性導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)展到車(chē)輛導(dǎo)航、軌道交通、隧道、消防定位、室內(nèi)定位等民用領(lǐng)域，甚至在無(wú)人機(jī)、自動(dòng)駕駛、便攜式定位終端（如智能手機(jī)、兒童/老人定位追蹤器等）中也被廣泛應(yīng)用。

慣導(dǎo)系統(tǒng)為運(yùn)動(dòng)載體提供位置、速度、姿態(tài)（航向角、俯仰角、橫滾角）等信息，不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)T性元器件性能和慣導(dǎo)精度的要求各不相同。

從精度方面來(lái)看，航空航天、軌道交通領(lǐng)域?qū)磿r(shí)定位精度要求高，且要求連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)；從系統(tǒng)壽命來(lái)看，衛(wèi)星、空間站等航天器要求最高，因其發(fā)射升空后不可更換或維修；涉及到軍事應(yīng)用等領(lǐng)域，對(duì)可靠性要求較高；對(duì)于民用領(lǐng)域，如車(chē)輛導(dǎo)航、室內(nèi)定位、無(wú)人機(jī)、自動(dòng)駕駛等應(yīng)用，對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比要求高。

總體來(lái)說(shuō)，由于慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差累積性和對(duì)初始校準(zhǔn)的前提要求，一般不能單獨(dú)使用，只能作為其他主定位導(dǎo)航技術(shù)（如GNSS定位、UWB定位、WLAN定位、地磁定位等）的輔助，比如車(chē)輛在GPS導(dǎo)航過(guò)程中，在失去GPS信號(hào)的情況下能夠利用自帶的加速度和陀螺儀進(jìn)行慣性導(dǎo)航。

因此需要結(jié)合具體行業(yè)應(yīng)用需求，有針對(duì)性的對(duì)慣導(dǎo)元器件和導(dǎo)航算法進(jìn)行選型。