导航系统的现状、发展与未来

导航系统的现状、发展与未来

[摘要] 简单地讨论了导航技术的发展及其现状，重点介绍了惯性导航系统中的传感器和卫星导航系统的 发展及其未来。本文论述了组合导航系统，特别是 INS-GPS 组合导航系统是未来的一个主要发展方向。

关键词：惯性导航；卫星导航；组合导航；多星座导航；GPS；GLONASS；伽利略导航系统

1. 引言

传统导航技术发展至今，已经走过约一个世纪的漫长道路。随着信息技术的发展，从上个世纪 70 年代开始，导航技术得到了迅速的发展，取得了令人瞩目的成就，其应用已由交通运输扩展到工业、农业、 林业、渔业、建筑、旅游、公安、救助、电信、物探、测绘、气象等等，涉及到科学研究的众多领域，渗 透到国民经济的各个方面。在此情况下，一方面，以 70 年代的信息技术发展为基础而发展的几种新型导航系统，如卫星导航系统、陀螺捷联式惯性导航系统、组合导航系统等得到了极大的发展。而同时，原有的导航系统面临着或将面临着被淘汰的命运，如欧米伽导航系统、罗兰 C 导航系统（我国保留）；还有的被保留，不断改进、发展，如陀螺罗经、测深仪、计程仪、雷达等。还有的随着技术的发展，有获得了新 生，如天文导航系统的命运与上述导航系统不一样。上个世纪，随着高精度陀螺仪和 GPS 的应用，普遍的看法是天文导航已经过时，将被淘汰，比如，美国 60 年代末在北极星潜艇中拆除了天文导航系统。但现在，随着新型光电器件如 CCD 的发展、计算机、新的数学模型的发展，天文导航的精度得到了很大的提高（可达 30 米左右）、对使用环境的要求大大降低，天文导航作为一种独立的、自主式的、成本低的系统 又重新为人们所认识。

纵观 30 年来，导航系统的发展具有三个特点，第一，由于新材料、微电子、集成广学、计算机等的 发展，促进了新型惯性器件的发展，从而惯性导航系统的体积越来越小，精度越来越高、成本越来越低； 第二，卫星导航技术这 30 年来得到了极大的发展，可以认为，卫星导航给导航技术带来了一次极大的革 命；第三、卫星导航、惯性导航以及其他技术之间相互组合，促进了导航技术的进一步发展。

2. 惯性导航技术


惯性导航系统是随着惯性传感器的发展而发展起来的一门导航技术，它完全自主、不受干扰、输出信 息量大、输出信息实时性强等优点使其在军用航行载体和民用相关领域获得了广泛应用。惯导系统的精度、 成本主要取决于惯性传感器———陀螺仪和加速度计的精度和成本。因此，讨论惯性导航技术首先要研究 惯性传感器。
惯性传感器包

括陀螺仪和加速度计，加速度计INS的误差影响较小，目前依然是以挠性支承摆式加速 度计为主。陀螺仪由于其结构复杂、制造困难且其漂移误差对INS精度影响大，从而成了惯性传感器重点 研究对象。
从广义上讲凡是能测量载体相对惯性空间旋转的装置就可以称为陀螺仪，随着技术的发展，相继发现了多种物理效应可以实现这一要求，因而出现了许多不同型号和不同结构的陀螺仪.
从20世纪50年代的液浮陀螺仪到70年代的动力调谐陀螺仪；从80年代的环形激光陀螺仪、光纤陀螺仪 到90年代的振动陀螺仪以及目前研究报道较多的微机械电子系统陀螺仪相继出现，从而推动了惯性传感器 不断向前发展。

框架式刚体转子陀螺仪是应用最早和最广泛的一类陀螺仪，这方面的技术有：液浮、气浮、磁悬浮、

静电悬浮、挠性支承、超导悬浮等，至今它们依然是保证惯性传感器精度和其它技术要求的有效手段。国外惯性技术先进国家在超高精度系统和特殊应用场合仍然是以液浮或静电陀螺仪为主。20 世纪 70 年代挠 性支承技术用于陀螺仪的设计，在结构上它把陀螺仪传统的外框架支承方式改为内挠性支承，从而把框架式刚体转子陀螺仪因支承方式产生的无规律的摩擦力矩变为相对易于补偿的弹性力矩，同时它克服了液浮陀螺仪密封充液、温控要求高的缺点，尤其是动力调谐陀螺仪的出现，它依*陀螺仪自身的动力学效应来补偿弹性力矩，从而大大简化了陀螺仪的结构，降低了系统成本，提高了系统可*性，它的出现促进了平台式惯导系统的发展。

20世纪80年代则以环形激光陀螺仪为主的捷联惯导系统处于大面积推广阶段，基于Sagnac效应的光学 陀螺仪，其突出优点是：结构简单、完全固态（无活动部件）、不存在支承系统、启动迅速不需要启动准 备时间、对加速度和震动不敏感、测量范围宽特别适合捷联系统、数字输出便于计算机接口。目前激光陀 螺仪技术完全成熟，光纤陀螺仪在中低精度上已形成小批量生产能力， 而动力调谐陀螺仪许多公司不再研制，正逐步被激光陀螺仪取代。

从系统成本、可*性考虑，在常规武器上平台惯导系统正逐步被捷联惯导系统取代。进入90年代，机械类陀螺仪研究较多的是振动陀螺仪、微机械电子系统陀螺仪，而光学陀螺仪则向着集成光学系统发展。基于振动理论的振动陀螺仪，由于没有高速旋转的转子和相应的支承系统，因而具有性能稳定、结构简单、可*性高、承载能力大、体积 小、成本低的特点，具有激光陀螺仪所具有的技术优势，是80年代末期机械类陀螺仪报道最多的一类。振动陀螺仪的共同机理是

利用高频振动的质量在被基座带动旋转时，所产生的哥氏效应来敏感角运动的。

目前有音*振动陀螺仪、压电振动陀螺 仪、壳体谐振陀螺仪等形式，在各类振动陀螺仪中尤其以半球谐振子陀螺仪最引人注目，美国台尔卡仪器公司所生产的HRG，已达到了惯性级的技术要求。半球谐振子陀螺仪是根据一百多年前剑桥大学布瑞安教 授关于杯体振动理论研制成功的。该理论指出半球型的杯体绕着杯的中心线旋转时，其四波幅振动图案将发生偏转。

布瑞安教授进一步分析这种现象后指出振动图案偏转的机理乃是哥氏效应，不过圆环振型各点 的速度是不相同的，对其几个特殊点分析就可以看到，哥氏惯性力将使半球在角速度作用下的振型转动。同时他还证明了陀螺的增益和比例因子与材料无关，而仅仅是薄壳体上产生的应力波振荡模的函数，后来研究证明半球谐振子陀螺仪具有很精确的比例因子和令人满意的随机漂移及偏置稳定性。 未来对惯性传感器的研制要求，主要包括以下几个方面：

（1）提高其静态与动态测量性能，满足高 精度系统的要求；
（2）提高系统工作可*性，适应更为恶劣的工作环境；
（3）降低其质量、体积与功耗， 向微型化发展；
（4）实现单个惯性传感器的多轴（二轴、三轴）测量；
（5）实现单个惯性传感器的多功 能测量，即能同时测量载体角速率和线加速度。

据报道MEMS惯性传感器用于灵巧弹药和钻地弹头中，其抗震能力足以使其能够做到弹头钻入地下后，仍能对其进行制导、控制并引爆。 惯性传感器是解决导航、定向和运动载体控制的重要部件，其应用范围从航天飞机到汽车、机器人都有广阔的应用前景。因此对惯性传感器的研究一直是各国惯性技术领域的重点，各种新材料、新技术在惯 性传感器研究中都有所体现，随着低成本、高精度的惯性传感器的出现，惯性导航系统将成为通用、低价的导航系统。

上海交通大学 王永泉