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卫星在战时极易被干扰、破坏，或受到网络攻击，自身安全性难以得到有效保证。

为有效解决GPS安全性问题和美军对精确定位、导航、授时服务的需求之间难以调和的矛盾，美军开始积极寻求GPS的替代品。

据称，基于现代原子物理学最新成就的微型惯性导航技术是未来代替GPS的一个重要的技术解决方案。

惯性导航系统是人类最早研发明的导航系统之一。

早在1942年德国在V-2火箭上就率先应用了惯性导航技术。

从2009年，美国国防部先进研究项目局就深入进行新一代微型惯性导航技术的研发与测试工作。

据悉，这种新一代导航系统主要通过集成在微型芯片上的三个原子陀螺仪、加速器和原子钟精确测量载体平台相对惯性空间的角速率和加速度信息，利用牛顿运动定律自动计算出载体平台的瞬时速度、位置信息并为载体提供精确的授时服务。

美军也对该系统的未来发展充满信心。

安德瑞·

席克尔认为，就像30年前人们没有预想到GPS会发展到目前如此程度一样，在未来20年新一代微型惯性导航系统的发展程度也是无可限量的。

从此报道中可以看出研究惯性导航技术的重要作用。

二．惯性导航系统的概念

惯性导航（inertialnavigation）是依据牛顿惯性原理，利用惯性元件（加速度计）来测量运载体本身的加速度，经过积分和运算得到速度和位置，从而达到对运载体导航定位的目的。

组成惯性导航系统的设备都安装在运载体内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。

惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。

惯性导航涉及到控制技术、计算机技术、测试技术、精密机械工艺等多门应用技术学科，是现代高精尖技术的产物，但其基本定位原理并不复杂。

三．惯性导航技术的发展史

1942年德国在V2火箭上首先应用了惯性导航原理，即采用两台陀螺仪和一台横向加速度表，再加上一台模拟计算机来调整火箭飞行的方位。

根据测量数据，模拟计算发出信号调整4个位于垂直尾翼上的外部方向舵来控制火箭的飞行。

这是闭环导航系统的一个创新。

二战结束之后，以冯•布劳恩为首的500多名德国火箭科学家，加上他们的设计图纸、实验设备都去了美国，1945年他们在德克萨斯的布利斯空军基地开始了在美国的火箭研制工作，1950年到达了阿拉巴马州的亨茨维尔市，继续从事火箭研究。

在50年代早期，美国空军的西部研发中心邀请麻省理工学院（MIT）的仪器仪表实验室（即后来的德雷伯实验室）设计一种独立的导航系统，该导航系统将安装在康维尔公司的新一代Atlas洲际弹道导弹上，在MIT该项目的负责人是吉姆•弗莱彻（Jim 

Fletcher），他后来成为NASA的负责人。

Atlas导航系统当中首先包含了机载自主导航系统与地基跟踪指挥系统。

后来这两种导航系统还导致了长期的争论，最后在洲际导弹上主要采用自主导航系统，而在空间探索过程中，则是采用两种导航系统的混合物。

1952年夏天，Richard 

Battin和J. 

Halcombe 

Laning, 

Jr两位博士开始在IBM 

650计算机上进行利用MAC语言进行导航计算，直到1958年他们才完成了第一个惯性导航计算模型，而MAC语言作为第一种可以人工阅读的计算机语言也在航天方面得到广泛应用，现在的航天飞机上主系统的开发语言HAL/S就来自MAC语言。

1954年，这两位科学家完成了针对Atlas惯性导航系统的最初的分析工作，而这个项目的技术负责人Walter 

Schweidetzky曾经是冯•布劳恩的手下，参与过V2火箭的研制。

1954年惯性导航系统在飞机上试飞成功。

基本原理是将现在的运行轨迹与预先设置的运行轨迹进行比较，然后调整火箭的姿态保证实际运行轨迹与预先设置的运行轨迹重合，不过由于当时计算机的处理能力和惯性导航系统的测量精度问题，火箭的偏差非常大。

后来在三角洲（Delta）火箭当中的Q系统才真正解决了这个问题。

Q系统最大的特点是可以利用自导驾驶仪当中的速度与方向信号直接进行计算，获得相关导航参数，该系统是在1956年6月21日首次公诸于众，该系统到现在仍然在导弹当中广泛使用。

1958年舡鱼号潜艇依靠惯性导航在北极冰下航行21天，证明了惯性导航不但可以在火箭、飞机上使用，也可以在船舶、潜艇、车辆上使用。

1961年2月，NASA委托MIT为阿波罗登月计划设计导航系统，而对于航天飞机来说，从航天飞机起飞到固体火箭助推器（SRB）分离这个阶段采用开环导航，而固体火箭助推器分析之后，则采用一种叫做PEG4的导航系统。

PEG4实际上是将Q系统与Delta系统当中的PEG导航系统结合在一起，并加上了预测校正功能。

虽然在过去30年里航天飞机的导航系统多次升级，并加上了GPS导航系统，但是航天飞机与空间探索导航的核心系统还是惯性导航。

四．惯性导航技术的原理

惯性导航系统属于推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运动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。

五、惯性导航系统的组成

1.惯性测量仪表：

用来测量载体运动的线加速度和角速度信息。

常用的惯性测量仪表有陀螺仪和加速度仪。

a．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：

一是定轴性，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。

二是进动性，在受外力作用时，陀螺转子讲偏离原始方向。

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。

b．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（specificforce）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。

2.惯导平台：

用来模拟一个导航坐标系，把加速度计的测量轴稳定在导航坐标系，并用模拟的方法给出载体的姿态和方位信息。

3.导航计算机：

完成导航计算和平台跟踪回路中指令角速度信号的计算。

4.输入输出单元：

给定初始参数及系统需要的其他参数，并显示各种导航信息。

六．惯性导航技术的分类

按照惯性导航仪表的安装方式，可以将惯性导航系统分为：

1.平台式惯性导航系统：

将陀螺仪和加速度计安装在一个稳定平台上，以平台坐标系为基准，测量运载体运动参数的惯性导航系统。

平台式惯导系统原理图

2.捷联式惯性导航系统：

加速度计和陀螺仪直接安装在运动载体上，惯导平台的功能由计算机来完成，有时也称作“数学平台”。

捷联式惯导系统原理图

七、惯性导航的优缺点

惯性导航系统的优点：

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.可全天候、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。

缺点：

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。

八、惯性导航系统在各个领域的应用

（一）惯性导航系统在军事上应用

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，惯性导航系统在军事上应用更加广泛，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年三月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。

美国海军于1978年将SperryMarine公司生产的MK16MODII型陀螺稳定器装备于导弹驱逐舰上，2005-2006年Sperry为加拿大海军的4艘潜艇装配了MK49，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军舰艇，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。

组合的核心任务是利用滤波器估计导航参数或导航参数的误差。

卡尔曼滤波器在组合导航系统的实现中有着卓有成效的应用。

在组合导航系统中应用卡尔曼滤波技术，即在导航系统某些测量输出量的基础上，利用卡尔曼滤波去估计系统的各种误差状态，并用误差状态的估计值去校正系统，以达到系统组合的目的。

目前，惯性导航系统与GPS结合最为广泛。

这种组合，充分发挥了两个系统的优点，单天线GPS不能提供姿态信息，而惯导系统可以，GPS的输出频率一般低于20Hz，但是惯导系统的输出频率一般大于50Hz,所以在动态较高的应用中，惯导提供了更多的信息。

另外在GPS系统出现故障的情况下，比如在城市环境中，GPS信号受遮挡，不能提供位置和速度信息的时候，惯导系统依然能够在一定时间弥补GPS的这个缺点。

同时由于惯导系统的误差是积累的，所以单独的惯导系统不能够长时间工作，否则解算的结果会飘的很严重，GPS的误差是不积累的，可以用于校正惯导系统的误差。

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）惯性导航系统在民用领域的应用

惯性导航现在主要用的地方还是军工，因为高精度的导航系统实在成本太高，一般民用的很难承受。

但是随着计算机技术和材料的发展，现在有光纤陀螺和微机械惯导，这些都是低成本的，完全可以用在民用车辆，或者一些小型无人机上和小型机器人上。

九、惯性导航系统发展趋势

1．惯性测量传感器的发展趋势

就全球发展现状而言，现有的惯性传感器已经可以满足当前各种不同导航任务的精度指标要求。

未来的主要目标是降低器件的成本、体积/重量和功耗等，具体包括以下几个方面：

a.材料和工艺：

生产厂商采用低劳动密集型生产模式和批量处理技术，选用硅片、石英、或结合光电材料（如铌酸锂）等新型材料，制造惯性传感器。

b.成本：

包括产品自身成本和操作维护费用。

由于大规模的批量生产，惯性传感器成本在大幅下降。

c.体积：

惯性测量传感器在不断向轻量化、小型化、微型化方向发展；

未来一些新型的惯性传感器将无法用肉眼识别。

d.研究热点：

一方面集中在小型化MEMS惯性器件的性能提高和有效封装上，另一方面集中在光学传感器上，尤其是对采用集成光学的FOG的研究。

e.期望在各个精度级别上，均能获得尺寸小且价格低廉的惯性传感器。

惯性传感器的发展情况直接决定了惯性导航系统的开发和应用，惯性传感器自身的成本、体积和功耗影响了惯性