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慣性導(dǎo)航原理基于牛頓的慣性定律，所以慣性導(dǎo)航可以理解是利用加速度計測量出物體的加速度，然后乘以時間得到速度，然后再乘以時間就得到位移，從而確定物體的位置。另一方面，用陀螺儀測量物體的角速度，然后乘以時間得到角度，從而確定物體的朝向。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有著以下優(yōu)點：

隱蔽性好，因為它不向外發(fā)射信號，也不接收外部信號，所以不容易被發(fā)現(xiàn)；

全天候，慣導(dǎo)系統(tǒng)不需要特定的時間或者地理因素，隨時隨地都可以運行；

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)同時還能提供姿態(tài)和航向信息；

導(dǎo)航信息更新速率高，目前常見的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。

但是慣性導(dǎo)航由于其積分式的運算方式，存在以下缺點：

需要初始對準(zhǔn)，且對準(zhǔn)復(fù)雜，對準(zhǔn)時間較長，如果沒有給定準(zhǔn)確地初始位置等信息，計算誤差只會越來越大；

導(dǎo)航誤差隨時間發(fā)散，因為是積分式（累加）運算，所以再小的誤差，隨著時間的累計，誤差也會越來越大；

價格昂貴，當(dāng)然這個說的是很精準(zhǔn)的慣導(dǎo)系統(tǒng)，通常造價在幾十到幾百萬之間。

那么，慣性導(dǎo)航原理是怎么工作的呢？

假設(shè)三軸加速度計，x軸一直指向東方，y軸一直指向北方，z軸一直指向天上，那么慣性導(dǎo)航的任務(wù)就變得特別簡單，x軸方向上加速度的積分，就是經(jīng)度的變化率，y軸方向上加速度的積分，就是緯度的變化率，z軸方向上加速度的積分，就是高度的變化率。有了經(jīng)緯度的變化率以及經(jīng)緯度的初始值，我們就很容易能夠求得物理當(dāng)前所在的位置。

這樣看來，如果不關(guān)注物體的朝向，只用加速度計就能實現(xiàn)慣性導(dǎo)航。然而實際上，我們還必須借助陀螺儀，最簡單的原因就是，你如何不借助陀螺儀就能讓三軸加速度計x，y，z三個軸的指向一直保持東，北和天呢？

根據(jù)上面的原理想法分析，人們就設(shè)計出了一款平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（GINS）。這個系統(tǒng)說簡單點，就是設(shè)計了一個會自動調(diào)節(jié)的慣性平臺，不管物體怎么轉(zhuǎn)動，平臺能始終保持姿態(tài)不變。

這個慣性平臺需要借助陀螺儀來實現(xiàn)。平臺式慣性導(dǎo)航原理圖如下：

首先，加速度計測量加速度，傳送到導(dǎo)航計算機中，導(dǎo)航計算機中解算分離出有害加速度，有害加速度包括運載體相對地球運動和地球旋轉(zhuǎn)引起的加速度，運載體在地球表面圓周運動的向心加速度，以及重力加速度等。導(dǎo)航計算機根據(jù)加速度解算出指令角速度，反饋給陀螺儀，用來補償?shù)厍蜣D(zhuǎn)動引起的陀螺自轉(zhuǎn)軸的表觀運動。然后陀螺儀輸出角速度，通過修正回路修正后，輸出平臺施矩給慣性平臺，慣性平臺以此調(diào)整自己的姿態(tài)，并將自己的姿態(tài)參數(shù)傳送給導(dǎo)航計算機，然后導(dǎo)航計算機最終計算出運載體的速度和位置以及姿態(tài)和航向。

根據(jù)測量的數(shù)值（加速度計和陀螺儀）調(diào)節(jié)慣性平臺，實現(xiàn)加速度計和角運動的隔離，再利用加速度積分求解速度甚至是位置。由于慣性平臺的調(diào)節(jié)是靠硬件實現(xiàn)的，所以，整個系統(tǒng)相對于后面所說的捷聯(lián)式慣導(dǎo)而言，計算量是非常小的。

在平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)中，慣性平臺是很關(guān)鍵的元件，它主要有以下作用：

為加速度計提供測量基準(zhǔn)，不管怎樣運動，加速度計的三個軸指向是不會變的；

隔離運載體角運動的干擾，由于平臺是穩(wěn)定的，運載體角運動不會影響到加速度的測量；

測量姿態(tài)航向，運載體相對于慣性平臺的偏角，反映出了運載體的航向和姿態(tài)。

但是，由于慣性平臺的引入，這就導(dǎo)致了平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)的缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，制作成本高，維護(hù)困難。實際上，平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)是早期慣性導(dǎo)航的產(chǎn)物，當(dāng)時，計算機計算速度遠(yuǎn)沒有現(xiàn)在這么快，從而限制了慣導(dǎo)系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，只能使用平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)。但是到了20世紀(jì)90年代，美國 方面已經(jīng)90%以上都替換成了捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)了。

什么是捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）呢？就是陀螺儀和加速度計都直接固定在運載體上，運載體怎么運動，陀螺儀和加速度計就怎么運動。這個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上非常簡單，但是會引入幾個問題。

首先，如果在飛機上做慣性導(dǎo)航，由于飛機的角運動速度可以達(dá)到每秒400度以上，這就要求了陀螺儀的測量量程要非常大，這在早期的機械陀螺儀上是很難實現(xiàn)的，后來引入了激光陀螺儀之后，這個問題才得到解決。

此外，由于加速度計三軸的指向任意，需要將加速度值變換到之前說的東北天的坐標(biāo)系中，才能準(zhǔn)確地計算出物體的位置。這個過程，計算量是非常大的，早期的計算機很難承載這么大的計算量，從而導(dǎo)致早期的捷聯(lián)式慣導(dǎo)實時性很難保證。

標(biāo)簽： 慣性導(dǎo)航原理