慣性導航系統(INS)是一種自主式的導航設備，能連續、實(shí)時(shí)地提供載體位置、姿態(tài)、速度等信息;特點(diǎn)是不依賴(lài)外界信息，不受氣候條件和外部各種干擾因素。

 

 

不同領(lǐng)域使用慣性傳感器的目的、方法大致相同，但對器件性能要求的側 重各不相同。從精度方面來(lái)看，航天與航海領(lǐng)域對精度要求高，其連續工作時(shí)間 也長(cháng);從系統壽命來(lái)看，衛星、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;制導武器對系統壽命要求最短，但可能須要滿(mǎn)足長(cháng)時(shí)間戰備的要求 。涉及到軍事應用等領(lǐng)域，對可靠性要求較高。 

 

 

 

慣性導航系統是一種自主式的導航方法，它完全依靠載體上的設備自主地 確定載體的航向、位置、姿態(tài)和速度等導航參數，而不需要借助外界任何的光、 電、磁等信息。

 

 

慣性導航是一門(mén)涉及精密機械、計算機技術(shù)、微電子、光學(xué)、自動(dòng)控制、材料等多種學(xué)科和領(lǐng)域的綜合技術(shù)。其基本工作原理是以牛頓力學(xué)定律為 基礎，通過(guò)測量載體在慣性參考系的加速度、角加速度，將它對時(shí)間進(jìn)行一次積 分，求得運動(dòng)載體的速度、角速度，之后進(jìn)行二次積分求得運動(dòng)載體的位置信息 ，然后將其變換到導航坐標系，得到在導航坐標系中的速度、偏航角和位置信息等。

 

 

 

慣性導航系統根據陀螺儀的不同，可分為機電(包含液浮、氣浮、靜電、 撓性等種類(lèi))陀螺儀、光學(xué)(包含激光、光纖等種類(lèi)) 陀螺儀、微機械(MEMS)陀螺儀等類(lèi)型的慣性導航系統。

 

 

根據慣性導航系統 的力學(xué)編排實(shí)現形式又可以分為 :平臺式慣性導航系統和 捷聯(lián)式慣性導航系統。

 

平臺式慣性導航系統是將陀螺儀和加速度等慣性元件通過(guò)萬(wàn)向支架角運動(dòng) 隔離系統與運動(dòng)載物固聯(lián)的慣性導航系統。，其慣性測量裝臵(加速度計和陀螺儀)安裝在機電導航平臺上，以平臺坐標系為基準，測量運載體運動(dòng)參數。平臺式 慣性導航系統通過(guò)框架伺服系統隔離了載體的角運動(dòng)，因此可以獲得較高的系統精度。

 

 

捷聯(lián)式慣性導航系統，其慣性測量裝臵(加速度計和陀螺儀)直接裝在飛 行器、艦艇、導彈等載體上，載體轉動(dòng)時(shí)，加速度計和陀螺儀的敏感軸指向也跟隨轉動(dòng)。陀螺儀測量載體角運動(dòng)，計算載體姿態(tài)角，從而確定加速度計敏感軸指向 。再通過(guò)坐標變換，將加速度計輸出的信號變換到導航坐標系上，進(jìn)行導航計算。

 

 

目前，平臺慣導系統已經(jīng)達到了很高的水平，但是其造價(jià)、維修費用十分 昂貴，而且其采用了框架伺服系統，相對可靠性將會(huì )下降。捷聯(lián)式慣性導航技術(shù)是 20世紀 60 年代發(fā)展起來(lái)的，將慣性測量裝臵直接安裝在載體而非機電平臺上，以數學(xué)平臺代替機電式導航平臺的導航技術(shù)，捷聯(lián)系統慣性測量裝臵便于安裝 、維修和更換，體積小，是慣性導航技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。但是，捷聯(lián)系統 由于把慣性測量裝臵直接固定在載體上，導致慣性測量裝臵工作環(huán)境惡化，降低 了系統的應用精度。

 

 

 

慣性導航系統通常由慣性測量裝臵、計算機、顯示器等組成。慣性測量裝 臵由兩大核心慣性元器件組成:加速度計和陀螺儀。三個(gè)自由度的陀螺用來(lái)測量 飛行器的角加速度，三個(gè)加速度計用來(lái)測量飛行器的加速度，計算機通過(guò)測得的 角加速 度和加速度數據計算出飛行器的速度和位子數據。性能先進(jìn)的慣性器件是 先進(jìn)慣性導航系統的前提。

 

 

 

傳統意義上的陀螺儀是安裝在框架中繞回轉體的對稱(chēng)軸高速旋轉的物體。 陀螺儀具有穩定性和進(jìn)動(dòng)性，利用這些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感 角偏差的位置陀螺。由于光學(xué)、MEMS 等技術(shù)被引入于陀螺儀的研制，現在習慣上把能夠完成陀螺功能的裝臵統稱(chēng)為陀螺。

 

 

陀螺儀種類(lèi)多樣，按陀螺轉子主軸所具有的進(jìn)動(dòng)自由度數目可分為二自由 度陀螺儀和單自由度陀螺儀;按支承系統可分為滾珠軸承支承陀螺，液浮、氣浮 與磁浮陀螺，撓性陀螺(動(dòng)力調諧式撓性陀螺儀)，靜電陀螺;按物理原理分為利用高速旋轉體物理特性工作的轉子式陀螺，和利用其他物理原理工作的半球諧振 陀螺、微機械陀螺、環(huán)形激光陀螺和光纖陀螺等。

 

 

根據其精度范圍大致分為超高精度陀螺儀、中高精度陀螺儀和低精度陀螺 儀。超高精度陀螺儀指精度范圍在 10-6 o/h~5*10-4 o/h 范圍內的陀螺儀，主要包括液浮陀螺、靜電陀螺等，目前最高精度的陀螺儀是靜電陀螺儀。中高精度陀螺 儀指精度在 5*10-4 o/h~10-1 o/h 的陀螺儀，目前最有發(fā)展前景的陀螺儀是光學(xué)陀螺儀，激光陀螺屬于第一代光學(xué)陀螺，光纖陀螺屬于第二代光學(xué)陀螺，最近幾年 ，由于光纖陀螺在精度、性能和尺寸上具有更大的潛力，越來(lái)越受到各國軍方的 青睞。低精度陀螺儀是指精度范圍超過(guò) 10-1 o/h 的陀螺儀，目前發(fā)展前景較好的是MEMS 陀螺儀，雖然精度低，但低廉的價(jià)格使其具有廣闊的應用前景。

 

 

 

機電陀螺是傳統的第一、二代陀螺儀，主要包括第一代液浮、氣浮、磁懸浮陀螺，以及撓性、靜電等第二代陀螺。機電陀螺的共同點(diǎn)在于轉子都是安裝在框 架中繞回轉體的對稱(chēng)軸高速旋轉，屬于剛體轉子陀螺儀，不同點(diǎn)在于支撐系統不 一樣。第一代液浮、氣浮、磁懸浮陀螺精度雖高，但結構復雜，制造困難、成本 很高。隨著(zhù)慣性導航系統的推廣，尤其是在飛機上的廣泛應用，尋求一種中高精 度、但結構簡(jiǎn)單、成本較低的陀螺成為當時(shí)迫切需要解決的問(wèn)題。

 

 

 

60 年代初，出現了一種新穎支撐原理的撓性陀螺解決了第一代陀螺儀的問(wèn)題。撓性陀螺的轉子利用撓性接頭支撐，去除了支承軸上的摩擦干擾力矩，具有體積小、重量輕、可靠性高、成本低、能夠消除支承摩擦的優(yōu)點(diǎn)，目前應用范圍廣 泛，從平臺式到捷聯(lián)式，從飛機、導彈到艦船、航天飛行器均有所應用。

 

 

 

靜電陀螺是應用電場(chǎng)原理，在超真空的腔體內由靜電場(chǎng)產(chǎn)生的吸力來(lái)支承 球形轉子的一種自由轉子陀螺，和撓性陀螺同屬第二代陀螺儀。靜電陀螺技術(shù)是 當今世界上最高精度的慣性技術(shù)，目前世界上只有美國、俄羅斯、法國和中國掌 握并成功地應用了這一技術(shù)。靜電陀螺慣性系統價(jià)格昂貴、結構體積較為龐大， 一般應用在彈道導彈核潛艇或航空母艦上。

 

 

 

光學(xué)儀器被用來(lái)測量地球的轉動(dòng)始于 1913 年法國物理學(xué)家 Sagnac 提出的 Sagnac效應，真正實(shí)用的激光陀螺在 1963 年研制成功。此后，基于 Sagnac 效應的光學(xué)陀螺迅速發(fā)展，激光陀螺和光纖陀螺是目前軍事應用領(lǐng)域使用最廣泛的陀 螺，以其為主要慣性器件的捷聯(lián)慣性導航系統更是逐步取代成本高昂的基于機電 陀螺的平臺式慣性導航系統和捷聯(lián)式慣性導航系統。

 

 

 

加速度計是慣性導航系統的另一核心元件。加速度計是用來(lái)感測運動(dòng)載體 沿一定方向的比力的慣性器件，可以測量出加速度和重力，從而計算載體的速度和位臵。加速度計的分類(lèi):按照輸入與輸出的關(guān)系可分為普通型、積分性和二次積 分型;按物理原理可分為擺式和非擺式，擺式加速度計包括擺式積分加速度計、 液浮擺式加速度計和撓性擺式加速度計，非擺式加速度計包括振梁加速度計和靜 電加速度計;按測量的自由度可分為單軸、雙軸、三軸;按測量精度可分為高精 度(優(yōu)于 10-4m/s2)、中精度(10-2 m/s2–10-3 m/s2)和低精度(低于 0.1m/s2)三類(lèi)。

 

 

由于陀螺儀是慣性導航的核心部件，因此，可以按各種類(lèi)型陀螺出現的先 后、理論的建立和新型傳感器制造技術(shù)的出現，將慣性技術(shù)的發(fā)展劃分為四代。 慣性導航技術(shù)的發(fā)展歷史如圖表 19 所示，折線(xiàn)下方為該階段建立的主要技術(shù)理論，上方為各階段出現的慣性器件及其精度。不過(guò)，慣性技術(shù)發(fā)展的各階段之間 并無(wú)明顯界線(xiàn)。

 

 

 

美國國防部把從事慣性技術(shù)領(lǐng)域研究和開(kāi)發(fā)的國家分為 4 個(gè)層次:屬于第一層次的有美國、英國和法國;屬于第二層次的有俄羅斯、德國、以色列和日本 ;屬于第三層次的有中國、澳大利亞、加拿大、瑞典、烏克蘭;屬于第四層次的有韓國、印度、巴西、朝鮮、瑞士、意大利等。所謂第一層次就是完全具備自主研 究和開(kāi)發(fā)慣性技術(shù)能力的國家，第二層次的國家是指具備大部分的自主研發(fā)能力的國家，第三層次的國家是指具備部分研發(fā)能力的國家，第四層次的國家是指具備 很有限的從事慣性技術(shù)研發(fā)能力的國家。