惯性导航难懂？看懂只需这一篇！全面解读惯性导航系统与技术.pdfVIP

天将降大任于斯人也，必先苦其心志，劳其筋骨，饿其体肤，空乏其身，行拂乱其所为。——《孟子》

惯性导航难懂？看懂只需这一篇！全面解读惯性导航系统与技

术

惯性导航系统（INS，InertialNavigationSystem）是一种利用

惯性敏感器件、基准方向及最初的位置信息来确定运载体在惯性空间

中的位置、方向和速度的自主式导航系统，也简称为惯导。

惯性导航技术的发展历程

第一代惯性导航技术指1930年以前的惯性技术，奠定了整个惯

性导航发展的基础。牛顿三大定律成为惯性导航的理论。

第二代惯性技术开始于上世纪40年代火箭发展的初期，其研究内

容从惯性仪表技术发展扩大到惯性导航系统的应用。

70年代初期，第三代惯性技术发展阶段出现了一些新型陀螺、加

速度计和相应的惯性导航系统，其研究目标是进一步提高INS的性能，

并通过多种技术途径来推广和应用惯性技术。

当前，惯性技术正处于第四代发展阶段，其目标是实现高精度、

高可靠性、低成本、小型化、数字化、应用领域更加广泛的导航系统。

比如随着量子传感技术的迅速发展，在惯性导航技术中，利用原

子磁共振特性构造的微小型核磁共振陀螺惯性测量装置具有高精度、

小体积、纯固态、对加速度不敏感等优势，成为新一代陀螺仪的研究

天将降大任于斯人也，必先苦其心志，劳其筋骨，饿其体肤，空乏其身，行拂乱其所为。——《孟子》

热点方向之一。

惯性导航的组成

惯性导航包括惯性测量单元（InertialMeasurementUnit，简称

IMU）和计算单元两大部分。通过IMU感知物体方向、姿态等变化信

息，再经过各种转换、补偿计算得到更准确的信息。比如检测物体的

初始位置、初始朝向、初始姿态以及接下来每一刻朝向、角度的改变，

然后把这些信息加一起不停地推，推算出物体现在的朝向和位置。

IMU主要由加速度计和陀螺仪组成，可实时检测物体的重心方向、

俯仰角、偏航角等信息，如果还加上电子罗盘和气压计等传感器，那

IMU的测量信息量与精度也相应地能得到一定的提高。

而计算单元则主要由姿态解算单元，积分单元和误差补偿单元这

三部分组成。

惯性导航的工作原理

惯性导航的目的是实现自主式导航，即不依赖外界信息，包括卫

星信号、北极指引等。那么惯性是如何实现的呢？

惯性导航工作的核心原理是：它从过去自身的运动轨迹推算出自

己目前的方位。其工作技术原理不外乎就是以下三条基本公式：距离=

速度×时间，速度=加速度×时间，角度=角速度×时间。

首先，检测（或设定好）初始信息，包括初始位置、初始朝向、

初始姿态等。

天将降大任于斯人也，必先苦其心志，劳其筋骨，饿其体肤，空乏其身，行拂乱其所为。——《孟子》

然后，用IMU时刻检测物体运动的变化信息。其中，加速度计测

量加速度，利用原理a=F/M，测量物体的线加速度，然后乘以时间得

到速度，再乘以时间就得到位移，从而确定物体的位置；而陀螺仪则

测量物体的角速率，以物体的初始方位作为初始条件，对角速率进行

积分，进而时刻得到物体当前方向；还有电子罗盘，能在水平位置确

认物体朝向。这3个传感器可相互校正，得到较为准确的姿态参数。

最后，通过计算单元实现姿态解、加速度积分、位置计算以及误