慣性導航係統以及 INS 的工作原理

文章出處：新聞資訊責任編輯：开云体育网页登录發表時間：2024-11-29 14:29:21

現代戰場是電子戰區。GPS 幹擾是一種標準策略，使複雜的武器係統失明。在這些有爭(zheng) 議的空間中，慣性導航係統 (INS) 已成為(wei) 關(guan) 鍵的生命線，當衛星信號不可靠或被故意破壞時，它可以引導導彈和車輛。

雖然 GPS 是當今世界普遍存在且近乎完美的導航和跟蹤工具，但重要的是要認識到慣性導航係統 (INS) 在填補 GPS 巨大能力差距方麵的關(guan) 鍵作用，特別是在GPS 不可靠、不可用的情況下，或者故意欺騙。這些情況包括在水下、室內(nei) 、人口稠密的城市地區、地下或現代戰場上導航，在這些情況下，爭(zheng) 奪 GPS 可用性或準確性已成為(wei) 事實上的首選武器，老練的對手花費了大量資源來開發。例如，在烏(wu) 克蘭(lan) 衝(chong) 突中，雙方都在針對 GPS 信號發動電子戰。 INS 涉及物理、工程和數學的複雜融合，在此類 GPS 無法使用或有爭(zheng) 議的環境中，INS 慣性傳(chuan) 感器已成為(wei) 現代定位、定位和導航不可或缺的一部分。由於(yu) GPS 無與(yu) 倫(lun) 比的性能和可用性，現代旅行已經變得非常依賴 GPS 的可用性，以至於(yu) 沒有 GPS 的情況下幾乎沒有其他實用的替代方案。

INS 慣性導航係統傳(chuan) 感器應用於(yu) 無人機

什麽是慣性導航？

慣性導航是一種複雜的技術，使用運動傳(chuan) 感器（加速度傳(chuan) 感器）、旋轉傳(chuan) 感器（陀螺儀(yi) ）和磁傳(chuan) 感器（磁力計）等專(zhuan) 用設備來確定移動物體(ti) 的位置、方向和速度。

該係統獨立於(yu) GPS 運行，內(nei) 部計算機僅(jin) 根據傳(chuan) 感器輸入數據進行位置連續計算。這實現了真正的自主性，並使 INS 導航成為(wei) GPS 和其他基於(yu) 信號的導航係統因缺乏可靠的外部射頻信號而失效的環境中的理想選擇。

INS 的工作原理

慣性導航係統 (INS) 通過稱為(wei) “航位推算”的過程克服了 GPS 的限製。他們(men) 采用傳(chuan) 感器組合：

• 加速度計：測量速度變化（速度和方向）

• 陀螺儀(yi) ：測量方向的變化（物體(ti) 麵向的方向）

• 磁力計：根據地球磁場提供方向參考。

內(nei) 部計算機不斷處理這些傳(chuan) 感器數據，計算物體(ti) 的位置、速度和方向。這使得可以在 GPS 無法識別的環境中進行導航，例如地下隧道或有爭(zheng) 議的戰場。

什麽是慣性導航係統 (INS)

INS 是由陀螺儀(yi) 、加速度計和磁力計組成的複雜係統。它們(men) 測量空間運動，計算隨時間變化的速度和位置。陀螺儀(yi) 評估旋轉運動，加速計處理線性加速度，而磁力計提供補充維度，提供方向定位。來自這三個(ge) 傳(chuan) 感器的數據融合在一起，提供可靠的定位、位置和跟蹤信息。

INS 係統有多種類型，每種類型根據應用提供不同的優(you) 勢：

• 捷聯係統：在這些係統中，傳(chuan) 感器直接安裝在被跟蹤的物體(ti) 上。捷聯 INS 係統利用複雜的算法來計算位置和方向，與(yu) 萬(wan) 向係統相比具有簡單、尺寸減小和成本更低的優(you) 點。

• 萬(wan) 向節係統：這些係統涉及將 INS 傳(chuan) 感器安裝在由萬(wan) 向節穩定的平台上，該平台將傳(chuan) 感器與(yu) 物體(ti) 的旋轉運動隔離。雖然萬(wan) 向節係統可以提供高度準確的數據，但它們(men) 通常比捷聯係統更複雜、更龐大。

• 基於(yu) MEMS 的係統：微機電係統 (MEMS) 技術可實現 INS 傳(chuan) 感器的小型化，從(cong) 而使基於(yu) MEMS 的係統緊湊且經濟高效。雖然它們(men) 可能無法提供與(yu) 更大、更傳(chuan) 統的傳(chuan) 感器相同水平的精度，但它們(men) 的小尺寸和較低的成本使其適合廣泛的應用。

INS 與 GPS：比較

全球定位係統 (GPS) 和慣性導航係統 (INS) 在導航中具有不同但互補的用途。 GPS 依靠衛星網絡提供準確的定位信息，使其對於(yu) 戶外導航（例如駕駛、遠足、無人機導航或海上活動）非常有效。它在天空視線清晰的場景中表現出色，可確保 GPS 提供可靠的位置數據。然而，GPS 無線電信號本質上非常微弱，極易受到幹擾或欺騙，並且在水下、地下以及高層建築密集、遮擋大部分天空的密集城市地區自然無法使用。

另一方麵，慣性導航係統通過運動以及地球本身（重力）進行測量，從(cong) 而允許在 GPS 無法工作的區域進行導航。在保持連續跟蹤至關(guan) 重要的情況下，INS 特別有價(jia) 值，因為(wei) 它不依賴於(yu) 外部的天基射頻信號。然而，沒有考慮漂移或磁異常的複雜算法的基本慣性導航係統，通常會(hui) 隨著時間或行駛距離的推移而經曆較大的累積誤差，使得它們(men) 在長時間旅行時的精確度遠低於(yu) GPS。

磁力計在 INS 中的不可或缺的作用

從(cong) 曆史上看，經典的 INS 係統主要依靠陀螺儀(yi) 和加速度計傳(chuan) 感器測量來構建，這會(hui) 導致短期內(nei) 準確的輸出。然而，由於(yu) 傳(chuan) 感器漂移，隨著時間的推移，這些讀數將變得越來越不準確和不可靠，因為(wei) 係統偏差和增益誤差降低了位置測量結果的準確性。這讓許多設計工程師感到沮喪(sang) 。然而，最近大多數 INS 中都添加了磁力計，從(cong) 而添加了重要的航向信息穩定的偏航輸出可用於(yu) 糾正陀螺儀(yi) 偏差和比例誤差，從(cong) 而大大有助於(yu) 更準確的跟蹤輸出。現在，係統將磁力計數據與(yu) 陀螺儀(yi) 和加速度計數據融合，以糾正陀螺儀(yi) 的漂移和比例誤差，從(cong) 而使位置輸出結果更加穩定、準確和可靠。

如今，尺寸、重量和功率 (SWaP) 極小的慣性導航係統（例如 PNI 的 Headway 和 FORT 模塊）能夠在 GPS 競爭(zheng) 的作戰區域（例如地下隧道、室內(nei) 建築、水下或沿電子戰目標戰線）提供精確的導航信息。 GPS 已損壞或完全不可用。

慣性導航係統的精度

如前所述，INS 以其短期精度而聞名，主要與(yu) 使用 GPS 等外部源相結合來抵消學習(xi) 和糾正慣性漂移。這種由累積的小測量誤差引起的漂移會(hui) 影響中期和長期的精度。與(yu) 陀螺儀(yi) 和加速度計數據融合的高質量磁傳(chuan) 感器可以極大地減少這些誤差，從(cong) 而使磁傳(chuan) 感器對於(yu) 航空航天導航、無人機和浮標等關(guan) 鍵應用具有無價(jia) 的價(jia) 值。

磁力計在減少漂移方麵的作用

磁力計通過提供穩定、無漂移的參考方向來解決(jue) 陀螺儀(yi) 中的漂移問題。它們(men) 對於(yu) 跟蹤無漂移方向特別有價(jia) 值，並提供較慢但更穩定的數據集來平衡和糾正陀螺儀(yi) 和加速計漂移。

INS 中的傳感器融合和高級算法

傳(chuan) 感器融合是現代慣性導航係統 (INS) 的核心，使它們(men) 能夠實現高精度和可靠性。這是智能地組合來自多個(ge) 傳(chuan) 感器（加速度計、陀螺儀(yi) 、磁力計以及其他可能的傳(chuan) 感器）的數據的過程，以創建更準確、更完整的物體(ti) 位置、方向和速度圖像。

INS 中最廣泛使用的傳(chuan) 感器融合算法之一是卡爾曼濾波器。該濾波器以其發明者魯道夫·E·卡爾曼 (Rudolf E. Kálmán) 的名字命名，是一種遞歸算法，可根據噪聲測量結果最優(you) 地估計係統的狀態。

在 INS 環境中，卡爾曼濾波器根據新的傳(chuan) 感器讀數不斷更新其對物體(ti) 位置、速度和方向的估計。它通過考慮與(yu) 每個(ge) 傳(chuan) 感器相關(guan) 的固有不確定性和誤差以及物體(ti) 運動的預期動態來實現這一點。

卡爾曼濾波器處理噪聲測量和不確定性的能力使其在 INS 中具有極其重要的價(jia) 值。即使單個(ge) 傳(chuan) 感器容易出現錯誤或漂移，它也能讓係統保持準確的跟蹤。雖然卡爾曼濾波是 INS 的基石，但它並不是用於(yu) 傳(chuan) 感器融合的唯一技術。根據應用的具體(ti) 要求，也可以采用其他算法，例如互補濾波器和粒子濾波器。

此外，機器學習(xi) 的進步為(wei) INS 中的傳(chuan) 感器融合開辟了新的可能性。可以訓練機器學習(xi) 算法來識別傳(chuan) 感器數據中的模式並適應不斷變化的條件，從(cong) 而進一步提高 INS 的準確性和魯棒性。

擴大慣性導航係統的應用：軍(jun) 事、太空和水下

慣性導航係統在多個(ge) 行業(ye) 具有廣泛的應用，包括：

• 軍(jun) 事應用：在軍(jun) 事領域，INS 因其可靠性和獨立於(yu) 外部信號的需要而發揮著至關(guan) 重要的作用，這對於(yu) 信號拒絕或有爭(zheng) 議環境中的操作至關(guan) 重要。 INS 廣泛應用於(yu) 製導導彈技術，無可爭(zheng) 議的精確定位和導航對於(yu) 定位精度至關(guan) 重要。它還用於(yu) 飛機和海軍(jun) 艦艇的導航和瞄準，特別是在 GPS 信號可能被幹擾或不可用的情況下。 INS 在各種條件下的穩健性使其成為(wei) 現代軍(jun) 事行動不可或缺的工具。

• 太空探索：在太空中，無法依賴 GPS 等地麵導航係統，因此 INS 變得至關(guan) 重要。航天器使用慣導係統在廣闊的太空中進行定向和機動。這項技術是需要自主導航的任務不可或缺的一部分，例如星際旅行和衛星部署。航天器中的 INS 係統必須非常精確，並且能夠抵禦太空環境的獨特挑戰，包括極端溫度和輻射。

• 水下導航：由於(yu) 完全沒有GPS信號，深海探索和海底導航等水下環境給導航帶來了獨特的挑戰。在這裏，INS 的價(jia) 值無可估量，是定位和導航的唯一手段。潛艇使用 INS 進行主要導航，保持航向和位置，而無需浮出水麵獲取 GPS 位置而暴露其位置。同樣，自主水下航行器 (AUV) 和遙控潛水器 (ROV) 依靠 INS 進行科學探索和海底測繪、資源勘探和水下基礎設施檢查等任務。同樣，GPS 不可用的所有場景。

在這些領域中，INS 的可靠性、精確性以及不受外部信號影響的獨立性使其成為(wei) 首選。這些領域往往會(hui) 突破 INS 技術的界限，推動其他應用的進步，進一步鞏固 INS 作為(wei) 現代導航技術基石的作用。

慣性導航係統的未來

在技術創新、各種應用中對精確導航日益增長的需求以及 INS 與(yu) 新興(xing) 技術的集成的推動下，慣性導航係統 (INS) 的未來有望取得重大進步。以下是可能塑造 INS 未來的主要趨勢和發展：

• 提高精度和可靠性：持續的研究和開發工作的重點是提高 INS 的精度和可靠性。傳(chuan) 感器技術、信號處理和糾錯算法的創新有望減少慣性漂移和傳(chuan) 感器噪聲的影響，從(cong) 而帶來更精確、更可靠的導航解決(jue) 方案。高性能 INS 在需要高精度的應用中將變得越來越重要，例如自動駕駛車輛和航空航天導航。

• 與(yu) 其他技術的集成：INS 與(yu) 其他導航和傳(chuan) 感技術的集成，例如全球導航衛星係統 (GNSS)、激光雷達、雷達和視覺裏程計，是一個(ge) 關(guan) 鍵趨勢。這種傳(chuan) 感器融合方法通過利用每種技術的優(you) 勢來增強整體(ti) 係統性能。例如，將 INS 與(yu) GNSS 集成可確保在 GNSS 拒絕的環境中進行精確導航，而將 INS 與(yu) 視覺裏程計相結合可以在衛星信號受阻的室內(nei) 或城市環境中提供精確定位。

• 先進的數據處理技術：將先進的數據處理和機器學習(xi) 技術應用於(yu) INS數據有望進一步提高導航精度。機器學習(xi) 算法可以識別傳(chuan) 感器數據中的模式，預測和糾正錯誤，並根據實際操作條件優(you) 化係統性能。這種方法可以顯著增強 INS 在各種應用中的適應性和效率。

• 提高無人係統的自主性：隨著無人機 (UAV)、自主水下航行器 (AUV) 和自主地麵車輛 (AGV) 變得越來越普遍，對可靠 INS 的需求將會(hui) 增長。 INS 在使這些係統能夠在外部參考可能有限或不可用的環境中自主導航方麵發揮著至關(guan) 重要的作用。未來 INS 的發展將側(ce) 重於(yu) 支持這些係統增強的自主性和操作能力。

• 用於(yu) 太空探索的慣性導航係統：慣性導航係統在太空探索中的使用預計將擴大，係統設計用於(yu) 在無法獲得 GNSS 信號的深空中導航航天器。太空應用 INS 的創新將側(ce) 重於(yu) 長期可靠性、對惡劣太空環境的抵抗力以及以最少的外部輸入運行的能力。

• 綠色導航技術：對可持續發展和環境責任的推動將影響慣性導航技術的發展。未來的 INS 係統在設計時將考慮能源效率，利用低功耗傳(chuan) 感器和處理單元來減少導航技術對環境的影響。