微惯性导航系统简介

惯性导航系统最先应用于火箭制导,美国火箭先驱罗伯特·戈达德(ROBERT GODDARD)试验了早期的陀螺系统。二战期间经德国人冯·布劳恩改进应后,应用于V-2火箭制导。战后美国麻省理工学院等研究机构及人员对惯性制导进行深入研究,从而发展成应用于飞机、火箭、航天飞机、潜艇的现代惯性导航系统,然而成本及复杂性限制了其可以应用的场合。

"微惯导"的概念比较早的出现于2013年,"2013年4月25日,据法新社报道,美军正研发新一代导航系统,用于替代易受干扰的GPS卫星定位系统。这一系统将不再依赖卫星,它将被集成在以立方毫米为单位的超小芯片上。"美国国防部高级研究计划局(DARPA)提出的这个新一代导航系统主要通过集成在微型芯片上的原子陀螺仪、加速器和原子钟精确测量载体平台相对惯性空间的角速率和加速度信息,利用牛顿运动定律自动计算出载体平台的瞬时速度、位置信息并为载体提供精确的授时服务。"一名中国军事专家25日在接受《环球时报》采访时称,美军所谓的新一代导航系统其实质是一种基于现代原子物理最新技术成就的微型惯性导航系统。"

国内方面,2014年湖南长沙国防科技大学成功研制了"基于微惯导的人员自主定位系统",能够在没有卫星导航信号的环境下实现精确定位,产品的精度和稳定性均已达到国际领先水平。在建筑物内部以及山区、密林等环境中,卫星导航信号存在盲区,基于微惯导的人员自主定位系统,不需要接收卫星导航信号或预先安装外部设施,能够实现自主、实时、准确定位。这是国内首次开展基于微惯导的室内人员定位技术研究,中央电视台新闻联播、新闻频道,湖南卫视等相关媒体也对此进行了连续报道。

国内外市场上也相继涌现了一批进行微惯导定位技术研发的公司,早期产品的定位精度基本上为2%~5%,也就是说用户行走1公里,位置误差至少20米,这是无法满足实际应用需求的,会延误逃生、救援等和位置精度密切相关的应急任务,整个产品没有达到真正实战的技术指标,因此这部分产品也因技术不成熟而未能打开市场。近年,业内公开发售的微惯导定位产品中,最高的定位精度达到了0.3%,相当于走1公里误差不到3米,可以适应<15km/h的走路、小跑、侧移、后退等任意步行姿态,基本可以满足实际应用需求。

1、自主定位:不接收卫星信号,也不需要外部基站等辅助设备或先验数据库,给定了初始条件后,不需要外部参照就可确定当前位置、方向及速度;

2、工作不受气象条件、人为干扰影响和覆盖范围限制,可全天候、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下、地下;

3、不依赖于任何外部信息,也不向外部辐射能量,故隐蔽性好,不受外界电磁干扰、遮挡的影响,适用于各种复杂地理环境和外界干扰下的精确定位;

4、能提供位置、速度、航向和姿态角数据,且能不断测量位置的变化,精确保持动态姿态基准,所产生的导航信息连续性好而且噪声低;

5、数据更新率高、短期精度和稳定性好;

6、与传统的惯性导航系统相比,由MEMS陀螺仪、MEMS加速度计等构成的微惯性导航系统在成本、体积、重量、功耗等方面均具有显著优势,便于穿戴、携带、集成、布设。

微惯导+"的概念

微惯导定位在室内小场景中,经过长时间的行走后,角度和位置漂移并不明显,因此在很多场景中并没有使用其它辅助定位手段。但是这种微惯导独立定位方式依然存在两个弱点:

一是输出为相对轨迹,需要将多个微惯导的轨迹统一到一个坐标系中;

二是在大场景长距离情况下,由于惯导固有的漂移率,仍然会有较大的累积误差,需要外部的信息进行校准。

因此"微惯导+"的概念被提出,即以微惯导定位技术为核心,根据不同场景和需求,选用WiFi、蓝牙、UWB、北斗/GPS、场景地图信息或地磁信息等定位技术进行辅助定位,通过对微惯导累积的误差进行校准,达到高精度的定位目的。

微惯导+北斗/GPS

北斗/GPS等导航卫星定位技术成熟、应用广泛,在开阔区域定位性能好。但是进入室内或者复杂环境时,由于受到遮挡导致定位精度下降甚至形成定位的盲区。

"微惯导+北斗/GPS"的定位方式适用于对室内外定位都有需求的场景。在室内或复杂环境,卫星定位存在盲区,采用微惯导进行独立定位;在卫星信号较强的区域,两种方式进行融合定位,一方面可利用北斗/GPS的定位信息对微惯导的误差进行校准,另一方面可通过卡尔曼滤波输出稳健的高精度的定位结果。

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