慣性導航系統
此條目沒有列出任何參考或來源。 (2020年2月4日) |
此條目需要精通或熟悉相關主題的編者參與及協助編輯。 (2011年7月6日) |
慣性導航系統（英語：Inertial navigation system，縮寫INS，簡稱慣導）是一個使用加速計和陀螺儀來測量物體的加速度和角速度，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、潛艇、導彈和各種太空飛行器上。
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（或模組）。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或欺騙。
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。這可以想像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裏開，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）。這可以想像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（例如全球定位系統及磁羅盤等）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、太空梭等運輸工具及導彈，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、太空梭、潛艇的現代慣導。