慣性導航系統

慣性導航系統(英語:Inertial navigation system,縮寫INS,簡稱慣導)是一個使用加速計陀螺儀來測量物體的加速度角速度,並用電腦來連續估算運動物體位置、姿態和速度的輔助導航系統。它不需要一個外部參考系,常常被用在飛機潛艦導彈和各種太空飛行器上。

早期的慣性導航系統

原理

慣導至少包括電腦及含有加速度計、陀螺儀或其他運動傳感器的平台(或模塊)。開始時,有外界(操作人員及全球定位系統接收器等)給慣導提供初始位置及速度,此後慣導通過對運動傳感器的資訊進行整合計算,不斷更新當前位置及速度。慣導的優勢在於給定了初始條件後,不需要外部參照就可確定當前位置、方向及速度。

通過檢測系統的加速度和角速度,慣導可以檢測位置變化(如向東或向西的運動),速度變化(速度大小或方向)和姿態變化(繞各個軸的旋轉)。它不需要外部參考的特點使它自然地不受外界的干擾欺騙

陀螺在慣性參照系中用於測量系統的角速率。通過以慣性參照系中系統初始方位作為初始條件,對角速率進行積分,就可以時刻得到系統的當前方向。這可以想象成被蒙上眼睛的乘客坐在汽車中,感覺汽車左轉、右轉、上坡、下坡,僅根據這些資訊他知道了汽車朝哪裡開,但不知道汽車是快,是慢或是否汽車滑向路邊。

加速度計在慣性參照系中用於測量系統的線加速度,但只能測量相對於系統運動方向的加速度(由於加速度計與系統固定並隨系統轉動,不知道自身的方向)。這可以想象成一個被蒙上眼睛的乘客在汽車加速時向後擠壓座位,汽車剎車時身體前傾,汽車加速上坡時下壓座位,汽車越過山頂下坡時從座位上彈起,僅根據這些資訊,乘客知道汽車相對自身怎樣加速,即向前、向後、向上、向下、向左 或向右,但不知道相對地面的方向。

然而,通過跟蹤系統當前角速率及相對於運動系統測量到的當前線加速度,就可以確定參照系中系統當前線加速度。以起始速度作為初始條件,應用正確的運動學方程,對慣性加速度進行積分就可得到系統慣性速率,然後以起始位置作初始條件再次積分就可得到慣性位置。

慣導傳感器的小誤差會隨時間累積成大誤差,其誤差大體上與時間成正比,因此需要不斷進行修正。現代慣導使用各種信號(例如全球定位系統磁羅盤等)對其進行修正,採取控制論原理對不同信號進行權級過濾,保證慣導的精度及可靠性。

應用

慣導用於各種運動機具中,包括飛機、潛艇、航天飛機等運輸工具及導彈,然而成本及複雜性限制了其可以應用的場合。

慣導最早應用於火箭制導,美國火箭先驅羅伯特·戈達爾試驗了早期的陀螺系統。二戰期間經德國人馮布勞恩改進後,應用於V-2火箭制導。戰後美國麻省理工學院等研究機構及人員對慣性制導進行深入研究,從而發展成應用飛機、火箭、航天飛機、潛艇的現代慣導。

參考文獻

外部連結