惯性导航文献综述报告

一、引言

惯性技术是惯性制导、惯性导航与惯性测量等技术的统称。惯性技术已应用于军用与民用的众多技术领域中，应用于宇宙飞船、火箭、导弹、飞机、舰船等各种运载器上。在各类导航系统（例如无线电导航、天文导航等）中，惯性导航系统被认为是最有发展前途的一种导航系统。惯性导航系统依照惯性原理，利用惯性元件（加速度计和陀螺仪）来测量载体本身的加速度和角速度，经一系列运算后得到载体的导航参数，从而达到对载体导航定位的目的。惯性导航是一种自主式的导航方法，它既不需要向外界发送信号,也不需要从外界接收信号,所以,

它具有隐蔽性好,工作不受气象条件制约和外界干扰等优点,从而广泛地应用于军用和民用的众多领域中。

随着现代数学、现代控制理论与计算机技术的发展，在平台惯导系统的基础上又发展出了捷联惯导系统。捷联系统是将惯性元件(陀螺和加速度计)直接安装在载体上,直接承受载体角运动，不再需要稳定平台和常平架系统的惯性导航系统。捷联管道系统使用数学平台而非物理平台，简化了平台框架和相连的伺服装置，因而消除了平台稳定过程中的误差，简化了硬件，提高了可靠性和可维护性，降低了成本，体积小、重量轻。

在捷联惯导系统中，用加速度计代替陀螺仪测量运动载体的角速度,称为无陀螺捷联惯导系统（The Gyroscope Free Strapdown Inertial Navigation System，简称GFSINS)。GFSINS舍弃了陀螺，所以能够避开由于陀螺的抗震性差、恢复时间长、动态范围小等缺陷所引起的一系列难以解决的关键技术问题。目前无陀螺捷联惯导系统给的研究已经引起了国内外很多专家学者的重视。无陀螺捷联惯导系统成本低，可靠性高，功率低，寿命长，反应速度快，适用于角加速度大、角速度动态范围大、冲击大的载体的惯性导航，也适合一些较短程飞行器的惯性制导，还可以与其它导航装置组成组合导航系统。

无陀螺捷联惯导系统虽然具有多种突出的优点，但也有美中不足之处。与传统的惯导系统相比，无陀螺捷联惯导系统的载体角速度是从加速度计输出的比力信号中解算出的，且各轴角速度信号互相耦合，因此，目前广泛应用的六加速度计配置方案和九加速度计配置方案都采用了方便解耦的配置，一般选择角加速度作为解算对象，角速度为辅助或不用。而由角加速度到角速度需要一次积分，到姿态需要两次积分，造成角速度计算值和导航参数的误差随时间增长不断积累。此外，加速度计精度和加速度计的安装精度也对无陀螺惯导系统的精度有所制约。

随着加工技术及数字计算机的发展、高精度加速度计的不断问世、滤波技术、组合导航技术的发展，无陀螺捷联惯导系统的研究具有重要意义和广阔的应用前景。本文后续内容中就对无陀螺捷联惯导系统的研究动态和发展前景进行了介绍。

二、国内外研究动态

惯性测量通常利用加速度计敏感线加速度，用陀螺仪敏感角速度来确定载体的姿态。惯性测量系统应用于炮射制导弹药时，炮弹减旋后出炮口的转速仍然很高，比如155mm炮弹的减旋后转速仍达15r/s~20r/s。发射时，炮弹在火药压力下做高加速旋转运动，速度在数毫秒内达到数百m/s，炮弹所受轴向加速度可达几千到几十万个m/s2。这样恶劣的环境对陀螺和加速度计的性能有很高要求：动

态工作范围要大，要耐冲击、振动，且要求性能和参数有高度的稳定性，冲击后恢复时间短，同时弹上的空间有限，需要传感器体积较小、重量轻、功耗低。

针对惯性测量组合，目前国内要获得可承受炮弹发射的高g值冲击的陀螺仪产品是非常困难的；国外已有抗高g值冲击的陀螺仪产品，但造价极高，且这些产品对中国进行封锁。

在目前陀螺存在缺陷的情况下，可以利用加速度计代替陀螺，从加速度计的输出信号中分离出线加速度和角加速度或者角速度。

1、无陀螺捷联惯导系统加速度计构型方案研究现状

早在1965年，Di Napoli在硕士论文中首先提出了不用陀螺测量角速度的思想。1967年，Alfred R. Schuler提出利用线加速度计测量物体的旋转运动的想法，并提出了两种六加速度计的配置方案。其中一种，六个加速度计沿着通过物体重心的三个坐标轴放置，每个坐标轴上放置两只线加速度计，一只加速度计的敏感轴沿着坐标轴方向，另一只加速度计的敏感轴同坐标轴方向相反。这种配置方法简单，但其缺点是角速度项由平方根计算得到，无法确定角速度的符号，必须采用辅助设备确定其符号。另一种配置中,加速度计平行地沿着坐标轴放置。它的优点是可以直接得到三个轴向上的加速度，但同样是由平方根计算得到角速度项，无法确定角速度的符号，必须采用辅助设备确定其符号。Schuler A R采用九个线加速度计，可以消除角速度符号的不确定性[56]"这种方法可以通过代数运算得到三个轴向的线加速度和角加速度，但它的缺点是直接得到的是角加速度，计算角速度时误差会产生累积，对于长时间工作的IMU来说，漂移难以克服。在此后的20年中,由于陀螺技术及工艺的飞速发展，暂时满足了导航精度和成本上的要求，这一研究一直停留在1967年的水平。

20世纪90年代，高精度陀螺的成本很高,因此NGIMU又重新得到了发展。1991年，Algrain断言最少需要六个加速度计即可测量物体的线加速度和角加速度；1994年，Chen发表了一种使用六个加速度计进行测量的新颖设计；1999年,Lee在Chen的基础上给出了利用六个加速度计测量物体旋转运动的解法。Chin-Woo Tan，把加速度计放在立方体六个表面的中央,每个传感器的敏感方向沿着立方体的表面，从而通过六个加速度计测量线性加速度和旋转角速度。角速度的信息在方程中体现为角速度平方项。但它的主要缺点是实际应用困难，对安装的精度要求太高，且无冗余度，只要一个加速度计工作不正常，就对整个系统产生巨大影响。

目前美国和欧洲都有人从事这方面的工作，但由于对无陀螺式惯导系统研究的历史比较短，无陀螺式惯导系统对计算速度、加速度计精度、误差补偿等的要求更高，所以目前的研究也只是停留在理论仿真和试验阶段。

我国从50年代开始发展惯性系统。针对传感器布阵方面，在国内有很多高等院校和研究所积极投入这方面的研究，如东南大学，北京理工大学和哈尔滨工程大学等都有布阵和仿真方面的研究，且在不同的刊物上发表不同种布阵方法，但都没进入试验研究阶段。从目前可以查到的资料看，无陀螺捷联惯性导航系统按使用加速度计的数目主要有六加速度计和九加速度计两类。

尹德进的六加速度计配置方式适合于细长圆柱体，加速度计敏感轴沿每个面对角线方向。当平行六面体的边长相同时,即加速度计在正方体每个面的中心安装，此配置方式适合于卫星等近似于球体或正方体的载体。

九加速度计配置方案是目前研究最多的一种方式。马澎田和王劲松提出的两