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导航系统的现状、发展与未来
[摘要] 简单地讨论了导航技术的发展及其现状,重点介绍了惯性导航系统中的传感器和卫星导航系统的发展及其未来。本文论述了组合导航系统,特别是 INS-GPS 组合导航系统是未来的一个主要发展方向。
关键词:惯性导航;卫星导航;组合导航;多星座导航;GPS;GLONASS;伽利略导航系统
1. 引言
传统导航技术发展至今,已经走过约一个世纪的漫长道路。随着信息技术的发展,从上个世纪 70 年代开始,导航技术得到了迅速的发展,取得了令人瞩目的成就,其应用已由交通运输扩展到工业、农业、林业、渔业、建筑、旅游、公安、救助、电信、物探、测绘、气象等等,涉及到科学研究的众多领域,渗透到国民经济的各个方面。在此情况下,一方面,以 70 年代的信息技术发展为基础而发展的几种新型导航系统,如卫星导航系统、陀螺捷联式惯性导航系统、组合导航系统等得到了极大的发展。而同时,原有的导航系统面临着或将面临着被淘汰的命运,如欧米伽导航系统、罗兰 C 导航系统(我国保留);还有的被保留,不断改进、发展,如陀螺罗经、测深仪、计程仪、雷达等。还有的随着技术的发展,有获得了新生,如天文导航系统的命运与上述导航系统不一样。上个世纪,随着高精度陀螺仪和 GPS 的应用,普遍的看法是天文导航已经过时,将被淘汰,比如,美国 60 年代末在北极星潜艇中拆除了天文导航系统。但现在,D 的发展、计算机、新的数学模型的发展,天文导航的精度得到了很大的提高(可达 30 米左右)、对使用环境的要求大大降低,天文导航作为一种独立的、自主式的、成本低的系统又重新为人们所认识。
纵观 30 年来,导航系统的发展具有三个特点,第一,由于新材料、微电子、集成广学、计算机等的发展,促进了新型惯性器件的发展,从而惯性导航系统的体积越来越小,精度越来越高、成本越来越低; 第二,卫星导航技术这 30 年来得到了极大的发展,可以认为,卫星导航给导航技术带来了一次极大的革命;第三、卫星导航、惯性导航以及其他技术之间相互组合,促进了导航技术的进一步发展。
2. 惯性导航技术
惯性导航系统是随着惯性传感器的发展而发展起来的一门导航技术,它完全自主、不受干扰、输出信息量大、输出信息实时性强等优点使其在军用航行载体和民用相关领域获得了广泛应用。惯导系统的精度、成本主要取决于惯性传感器———陀螺仪和加速度计的精度和成本。因此,讨论惯性导航技术首先要研究惯性传感器。
惯性传感器包括陀螺仪和加速度计,加速度计INS的误差影响较小,目前依然是以挠性支承摆式加速度计为主。陀螺仪由于其结构复杂、制造困难且其漂移误差对INS精度影响大,从而成了惯性传感器重点研究对象。
从广义上讲凡是能测量载体相对惯性空间旋转的装置就可以称为陀螺仪,随着技术的发展,相继发现了多种物理效应可以实现这一要求,因而出现了许多不同型号和不同结构的陀螺仪.
从20世纪50年代的液浮陀螺仪到70年代的动力调谐陀螺仪;从80年代的环形激光陀螺仪、光纤陀螺仪到90年代的振动陀螺仪以及目前研究报道较多的微机械电子系统陀螺仪相继出现,从而推动了惯性传感器不断向前发展。
框架式刚体转子陀螺仪是应用最早和最广泛的一类陀螺仪,这方面的技术有:液浮、气浮、磁悬浮、
静电悬浮、挠性支承、超导悬浮等,至今它们依然是保证惯性传感器精度和其它技术要求的