原標(biāo)題：導(dǎo)航系統(tǒng)中的慣性技術(shù)

導(dǎo)航系統(tǒng)中的慣性技術(shù)是一門用來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡控制的技術(shù)，以下是對(duì)該技術(shù)的詳細(xì)介紹：

一、技術(shù)概述

慣性技術(shù)是慣性儀表、慣性穩(wěn)定、慣性系統(tǒng)、慣性制導(dǎo)和慣性測(cè)量等相關(guān)技術(shù)的總稱。它涉及物理、數(shù)學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、材料學(xué)、機(jī)密機(jī)械學(xué)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、仿真技術(shù)、加工制造及工藝技術(shù)等，是一門多學(xué)科交叉的技術(shù)。該技術(shù)主要研究慣性儀表和慣性系統(tǒng)的理論、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、應(yīng)用、維護(hù)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、陸地導(dǎo)航和大地測(cè)量、鉆井開隧道、地質(zhì)勘探、機(jī)器人、車輛、醫(yī)療設(shè)備等，以及照相機(jī)、手機(jī)、玩具等領(lǐng)域。

二、技術(shù)原理

慣性導(dǎo)航技術(shù)是慣性技術(shù)的核心和發(fā)展標(biāo)志。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertia navigation system，INS）利用陀螺儀和加速度計(jì)（統(tǒng)稱為慣性儀表）同時(shí)測(cè)量載體運(yùn)動(dòng)的角速度和線加速度，并通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算出載體的三維姿態(tài)、速度、位置等導(dǎo)航信息。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有平臺(tái)式和捷聯(lián)式兩類實(shí)現(xiàn)方案：

1. 平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)：有跟蹤導(dǎo)航坐標(biāo)系的物理平臺(tái)，慣性儀表安裝在平臺(tái)上。對(duì)加速度計(jì)信號(hào)進(jìn)行積分可得到速度及位置信息，姿態(tài)信息由平臺(tái)環(huán)架上的姿態(tài)角傳感器提供。慣導(dǎo)平臺(tái)可隔離載體角運(yùn)動(dòng)，因而能降低動(dòng)態(tài)誤差，但存在體積大、可靠性低、成本高、維護(hù)不便等不足。

2. 捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)：沒有物理平臺(tái)，慣性儀表與載體直接固連，慣性平臺(tái)功能由計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，姿態(tài)角通過計(jì)算得到，也稱為“數(shù)學(xué)平臺(tái)”。由于捷聯(lián)系統(tǒng)中慣性儀表要承受載體角運(yùn)動(dòng)的影響，故要求其動(dòng)態(tài)范圍大、頻帶寬、環(huán)境適應(yīng)性好等，對(duì)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的速度與容量要求較高。

三、技術(shù)特點(diǎn)

與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比，慣導(dǎo)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1. 信息全面：慣導(dǎo)系統(tǒng)可以同時(shí)提供載體的三維姿態(tài)、速度、位置等導(dǎo)航信息。

2. 完全自主：慣導(dǎo)系統(tǒng)不依賴于外部信號(hào)，具有完全的自主性。

3. 高度隱蔽：慣導(dǎo)系統(tǒng)工作時(shí)無需向外輻射能量，因此具有高度的隱蔽性。

4. 信息實(shí)時(shí)與連續(xù)：慣導(dǎo)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、連續(xù)地提供導(dǎo)航信息，不受時(shí)間、地域的限制和人為因素干擾。

5. 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：慣導(dǎo)系統(tǒng)可在空中、水中、地下等各種環(huán)境中正常工作。

四、應(yīng)用領(lǐng)域

慣性技術(shù)在導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，包括但不限于以下幾個(gè)方面：

1. 軍事領(lǐng)域：在導(dǎo)彈、火箭、飛機(jī)等需要機(jī)動(dòng)、高速運(yùn)行的運(yùn)載體的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制（Guidance navigation and control，GNC）系統(tǒng)中，慣性系統(tǒng)因其測(cè)量頻帶寬且數(shù)據(jù)頻率高（可達(dá)數(shù)百赫茲以上）、測(cè)量延時(shí)短（可小于1ms），易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，成為GNC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速、精確制導(dǎo)與控制的核心信息源。其性能對(duì)制導(dǎo)精度起著關(guān)鍵作用，例如，純慣性制導(dǎo)地地導(dǎo)彈命中精度的70%以上取決于慣性系統(tǒng)的精度。

2. 民用領(lǐng)域：慣性技術(shù)在民用領(lǐng)域也有大量應(yīng)用，如大地測(cè)量、石油鉆井、隧道工程、地質(zhì)勘探、機(jī)器人、智能交通、醫(yī)療設(shè)備、照相機(jī)、手機(jī)、玩具等。凡是需要實(shí)時(shí)敏感或測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)信息的場(chǎng)合，慣性技術(shù)均可發(fā)揮重要作用。

五、技術(shù)發(fā)展歷程

慣性技術(shù)已經(jīng)歷百余年的歷史，其發(fā)展歷程通常分為四代：

1. 第一代：基于牛頓經(jīng)典力學(xué)原理。自1687年牛頓三大定律的建立到1910年的舒勒調(diào)諧原理，第一代慣性技術(shù)奠定了整個(gè)慣性導(dǎo)航發(fā)展的基礎(chǔ)。典型代表為三浮陀螺、靜電陀螺以及動(dòng)力調(diào)諧陀螺。特點(diǎn)是種類多、精度高、體積質(zhì)量大、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能受機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜和極限精度制約，產(chǎn)品制造維護(hù)成本昂貴。

2. 第二代：基于薩格奈克（Sagnac）效應(yīng)。典型代表是激光和光纖陀螺。其特點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間短、動(dòng)態(tài)范圍大、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、易維護(hù)、壽命長。

3. 第三代：基于哥氏振動(dòng)效應(yīng)和微米/納米技術(shù)。典型代表是MEMS陀螺、MEMS加速度計(jì)及相應(yīng)系統(tǒng)。其特點(diǎn)是體積小、成本低、中低精度、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、易于大批量生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化。MEMS慣性儀表的出現(xiàn)使得慣性系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域大為擴(kuò)展。

4. 第四代：基于現(xiàn)代量子力學(xué)技術(shù)。典型代表為核磁共振陀螺、原子干涉陀螺。其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠、小型化和更廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的導(dǎo)航系統(tǒng)。其特點(diǎn)是高精度、高可靠性、微小型、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

六、國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

西方發(fā)達(dá)國家代表了慣性儀表技術(shù)的國際先進(jìn)水平。以陀螺技術(shù)為例，其傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺技術(shù)在經(jīng)歷了包括滾珠軸承支承、液浮支承、氣浮支承、磁浮支承、撓性支承、靜電支承在內(nèi)的多種支承技術(shù)之后，已經(jīng)達(dá)到非常成熟的地步；光學(xué)陀螺技術(shù)經(jīng)過40余年的發(fā)展也已經(jīng)達(dá)到了鼎盛時(shí)期；微機(jī)電陀螺技術(shù)以其產(chǎn)品在成本、尺寸和重量等方面的潛在優(yōu)勢(shì)正在經(jīng)歷高速發(fā)展期；新型陀螺技術(shù)也已得到重點(diǎn)關(guān)注和大力發(fā)展。

我國在慣性技術(shù)領(lǐng)域與上述國際先進(jìn)水平相比還存在一定的差距，主要原因在于理論研究的深度和廣度不足，基礎(chǔ)工業(yè)條件上的薄弱以及對(duì)慣性技術(shù)發(fā)展規(guī)律認(rèn)識(shí)上欠缺。具體到技術(shù)上，我國的傳統(tǒng)機(jī)械陀螺與國際先進(jìn)水平之間的差距主要體現(xiàn)在儀表材料技術(shù)、超精密制造技術(shù)等基礎(chǔ)工業(yè)方面，在技術(shù)的成熟度方面還有較大的發(fā)展空間。光學(xué)陀螺技術(shù)方面，國內(nèi)在儀表精度、電子技術(shù)、儀表環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)、市場(chǎng)占有率等方面相對(duì)落后。

綜上所述，慣性技術(shù)在導(dǎo)航系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，慣性技術(shù)將在未來繼續(xù)發(fā)揮更大的作用。