惯性导航技术的新进展及其发展趋势探析论文_周峰

惯性导航是一门包含了诸多学科和领域的综合型技术，入精密仪器、机械制造、计算机、自动化控制、电子等等。随着我国经济的不断发展和科学技术的不断进步，各式各样的导航需求也越来越多，在很大程度上促进了惯性导航技术的不断进步和发展。本文以船舶导航为例，探讨了惯性导航技术的新应用，并对其发展趋势进行了展望。希望通过本文的研究和分析，可以对我国惯性导航技术的进一步应用起到一定的借鉴意义和促进作用。

1惯性导航技术

在舰船导航中的最新应用1908年3月，诞生了世界上最早的一台陀螺罗经，并第一次应用到航海领域，发展至今，陀螺仪已经有了百年之久的发展历史，目前已初步成熟。目前来说，世界上最先进的舰船惯性导航技术主要有两种，分别为ESG导航仪以及基于RLG和FOG的惯性导航技术。

具体内容如下：首先是ESG导航仪，这种导航技术可以有效的满足类似于潜艇类高级舰船的的自主式惯性导航技术。但是从其系统的复杂程度以及制作的成本来看，是处于相对较高的水平的，因此也导致了这种惯性导航技术的应用和普及范围相对较窄。除此之外是基于RLG和FOG技术的惯性导航技术，这项导航技术可以在很大程度上满足大多数船舶航海导航的精确性要求，目前正逐渐的取代转子式陀螺仪。

早在上世纪八十年代，SperryMarine公司就开始了关于激光式舰用陀螺惯性导航系统系统的研究和制造，发展到至今也取得了突破性的进展，即目前被广泛应用在北大西洋公约组织的舰船和潜艇的标准RLG舰用惯性导航系统-SperryMK49以及在美国海军的潜艇、航空母舰等广泛应用的以第3代RLG技术为根基的MK393A型惯性导航技术，其中特别是MK393A型惯性导航技术不仅可以满足舰艇对导航的精准性及可靠性需求，同时还可以最大程度的为其火力控制系统提供更加精准的位置、姿态、方向和速度等信息和数据。目前的MK39惯性导航系统已经被世界上多达24个国家采用。

2惯性导航技术发展前景

2.1惯性导航系统发展及设计的主要影响因素

2.1.1具有针对性且可以充分满足各项需求

对于惯性导航技术来说，其最重要的两个特性指标主要是成本价格、导航性能。其中价格成本主要包括整个系统自身的成本、维护保养成本等；而导航的性能则是包括导航的精确性、连续完整性以及易操作性等方面。正因为如此，在目前大多数导航系统的应用中既要考虑合理的价格，又要重视其性能的优越性。

2.1.2实际应用环境的适应性

在惯性导航系统的实际应用中，系统的可用性、能耗、可靠性等方面可能会受到应用环境的影响。

2.1.3系统的通用性

方面尽可能的保证惯性导航技术可以试用在更多的应用领域，通用性更高。

2.2惯性测量系统中传感器的发展趋势分析

从目前的现状来看，现有惯性导航系统中的惯性传感器已经可以最大程度的充分满足当前各式各样导航任务的要求和标准。但是从某种程度来说，其成本、体积以及能耗等方面在很大程度上影响着惯性导航系统相应的参数指标。因此，传感器未来发展的主要方向和目标就是降低成本、缩小体积、减小重量、减少能耗等方面，具体内容如下：

2.2.1工艺和材料方面

一方面是工艺方面，相关的生产商要转变高劳动密度型生产模式为低劳动密集型，采用自动化生产和批量处理技术；另一方面是生产材料方面，尽可能的选用硅片、石英或者是结合光电材料等来制造传感器。

2.2.2生产成本

主要包括生产产品的成本以及操作或维护保养等费用。随着自动化生产和批量生产的普及和应用，传感器的成本越来越低。

2.2.3体积

惯性导航系统中的测量传感器向着重量轻、体积小的方向发展，未来甚至一些惯性传感器甚至无法用肉眼识别，例如NEMS和光学NEMS等。

2.2.4研究热点

一般来说，惯性导航系统器件的研究主要集中在三个方面：（1）小型MEMS惯性器件的性能提升；（2）其胶装的有效性；（3）光学传感器的研究，如采用集成光学的FOG的研究。

2.3为满足现代复杂战场强对抗环境应用的需求，积极采取基于惯性技术的多源组合导航方法

在2018年PLANS会议上，来自俄亥俄州立大学的Maarten U deH教授介绍了在GNSS信号不可用的城市和室内环境中进行导航的最新技术趋势。Haag教授表示，当前有三种替代导航方法，即图像/雷达/多普勒/航位推算辅助惯性传感器进行导航、基于信标的导航（包括伪卫星）以及利用机会信号进行导航，如Wifi。其中，基于光电技术的导航方法包括激光和图像辅助的惯性导航方法、使用激光和成像传感器的同时同步定位和映射（SLAM）方法。前者与惯导系统的紧密结合能实现类似于GPS/INS组合系统的性能。

在此会议上，加拿大多所大学针对GNSS拒止的情况，提出了利用雷达或者将多个低成本超声波传感器与使用扩展卡尔曼滤波器的惯性测量单元进行集成，来实现对陆地车辆的导航。美国普渡大学的研究人员提出了一种用于室内雷达移动测绘系统基于SLAM的伪GNSS/INS系统，针对GNSS失效的情况，还提出了一种用于无人机移动测绘的图像辅助GNSS/INS系统。意大利都灵理工大学的研究人员提出一种使用低成本惯性传感器进行无人地面车辆的视觉测距。在2018年德国导航学会举办的惯性与系统会议上，赛峰电子与防务公司的研究人员在Epsilon10样机上首次应用了基于深度学习识别信标的视觉惯性辅助导航技术，得到的水平位置精度为26cm。

3结束语

总而言之，在惯性导航系统及其相关器件的研究和制造方面，在未来很长的一段时间里，体积小、价格低的MEMS惯性传感器且精度高和性能高的FOG必然会受到全世界相关方面的焦点和关注！特别是在进入21世纪以来，计算机技术以及其他高科技技术的高速发展和应用，捷联式惯性导航系统诞生并得到了极大的普及和应用，逐渐的替代了平台式的导航系统。从目前的情况来看，惯性导航系统是目前全世界唯一一种可以实现导航方式完全自主化的导航系统，其可以不依赖任何的外界信息就可以充分的满足各方面的需要，未来其必将会得到更深层次的应用。从目前的形式来看，随着对高性能自主导航系统的应用需求不断增强以及多模GNSS技术的大范围普及和应用，未来组合导航系统也会逐渐的取代纯粹的INS成为全国乃至全世界的主要导航手段之一。

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参考文献

[1]2017年国外惯性技术发展与回顾Development and Review of Foreign Inertial Technology in 2017 删除

[2]薛连莉,陈少春,陈效真,XUE Lian-li,CHEN Shao-chun,CHEN Xiao-zhen-《导航与控制》2018年2期

[3]朱庄生,袁春柱,周朋,ZHU Zhuang-sheng,YUAN Chun-zhu,ZHOU Peng-《地球物理学进展》2011年4期.

论文作者:周峰

论文发表刊物:《信息技术时代》2018年11期

论文发表时间:2019/8/15

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