文 初一

　　在介绍现代导航技术之前，必须首先提到惯性导航。惯性导航的基本原理就是航迹推算法。即通过测量飞行器的加速度(惯性)，并自动进行积分运算，获得飞行器瞬时速度和瞬时位置数据的技术。组成惯性导航系统的设备都安装在飞行器内，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。后来在很多GPS上都用这种导航方式来解决GPS穿越隧道、山谷等遮挡地带的导航功能，特别对于车载导航仪，基本上都配置了惯性功能。

　　1 从V2火箭开始

　　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。

　　2 我国的惯性导航

　　我国在惯导研究方面起步相对较晚，西安618所冯培德是研制我国第一套采用液浮惯性器件航空惯性导航系统的主要负责人之一，该系统研制成功，为我国航空惯导发展奠定了基础。

　　但近年来已经取得了长足进步，在军民用的各个领域都发挥了重要作用。在历届航展上，都展出了多种惯性导航装置，从中我们可以看到目前我国在这方面所取得的一些成就。参加展出的多家厂商都展出了各自的惯性导航设备，比如航天时代仪器公司的液浮陀螺平台惯性导航系统、动力调谐陀螺四轴平台系统已相继应用于长征系列运载火箭，其它各类小型化捷联惯导、光纤陀螺惯导、激光陀螺惯导以及匹配GPS修正的惯导装置等也已经大量应用于战术制导武器、飞机、舰艇、运载火箭、宇宙飞船等。比如新型陀螺稳定平台应用到最新发射的资源卫星上，显著改善了遥感分辨率和测量精度，漂移率0.01~0.02度/小时的新型激光陀螺捷联系统已经在新型战机上试飞，漂移率0.05度/小时以下的光纤陀螺、捷联惯导在舰艇、潜艇航海上应用，以及小型化挠性捷联惯导在各类导弹制导武器上的应用，都极大的改善了军民用装备的性能，反映了惯性导航测量装置在国防和国民经济中的重大作用。

　　3 基本原理介绍

　　目前，惯导可分为两大类：平台式惯导和捷联式惯导。它们的主要区别在于，前者有实体的物理平台，陀螺和加速度计置于由陀螺稳定的平台上，该平台跟踪导航坐标系，以实现速度和位置解算，姿态数据直接取自于平台的环架；在捷联式惯导中，陀螺和加速度计直接固连在载体上。惯性平台的功能由计算机完成，故有时也称作“数学平台”，它的姿态数据是通过计算得到的。惯导有固定的漂移率，这样会造成物体运动的误差，因此长射程的武器通常会采用指令、GPS等对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位置参数。比如中距空空弹中段采用捷联式惯导+指令修正，JDAM采用自主式的卫星定位/惯性导航组合(GPS/INS)，战斧也采用了GPS/INS+地形匹配的技术，多数运载火箭采用平台式惯导等。

　　惯导系统的机制目前已经发展出挠性惯导、光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表等多种方式，根据环境和精度要求的不同，广泛的应用在航空、航天、航海和陆地机动的各个方面。

　　从原理上来说，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。惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪，又称惯性导航组合。3个自由度陀螺仪用来测量飞行器的3个转动运动；3个加速度计用来测量飞行器的3个平移运动的加速度。计算机根据测得的加速度信号计算出飞行器的速度和位置数据。控制显示器显示各种导航参数。按照惯性导航组合在飞行器上的安装方式，分为平台式惯性导航系统(惯性导航组合安装在惯性平台的台体上)和捷联式惯性导航系统(惯性导航组合直接安装在飞行器上)；后者省去平台，所以结构简单、体积小、维护方便，但仪表工作条件不佳 (影响精度)，计算工作量大。

　　惯性导航系统属于一种推算导航方式。即从一已知点的位置根据连续测得的运载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。惯性导航系统有如下主要优点。

　　(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，故隐蔽性好且不受外界电磁干扰的影响；

　　(2)可全天候全球、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。

　　其缺点如下。

　　(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。