現代戰(zhàn)場是電子戰(zhàn)區(qū)。GPS 干擾是一種標準策略，使復雜的武器系統(tǒng)失明。在這些有爭議的空間中，慣性導航系統(tǒng) (INS) 已成為關鍵的生命線，當衛(wèi)星信號不可靠或被故意破壞時，它可以引導導彈和車輛。
雖然 GPS 是當今世界普遍存在且近乎完美的導航和跟蹤工具，但重要的是要認識到慣性導航系統(tǒng) (INS) 在填補 GPS 巨大能力差距方面的關鍵作用，特別是在GPS 不可靠、不可用的情況下，或者故意欺騙。這些情況包括在水下、室內、人口稠密的城市地區(qū)、地下或現代戰(zhàn)場上導航，在這些情況下，爭奪 GPS 可用性或準確性已成為事實上的首選武器，老練的對手花費了大量資源來開發(fā)。例如，在烏克蘭沖突中，雙方都在針對 GPS 信號發(fā)動電子戰(zhàn)。 INS 涉及物理、工程和數學的復雜融合，在此類 GPS 無法使用或有爭議的環(huán)境中，INS 慣性傳感器已成為現代定位、定位和導航不可或缺的一部分。由于 GPS 無與倫比的性能和可用性，現代旅行已經變得非常依賴 GPS 的可用性，以至于沒有 GPS 的情況下幾乎沒有其他實用的替代方案。
慣性導航是一種復雜的技術，使用運動傳感器（加速度傳感器）、旋轉傳感器（陀螺儀）和磁傳感器（磁力計）等專用設備來確定移動物體的位置、方向和速度。
該系統(tǒng)獨立于 GPS 運行，內部計算機僅根據傳感器輸入數據進行位置連續(xù)計算。這實現了真正的自主性，并使 INS 導航成為 GPS 和其他基于信號的導航系統(tǒng)因缺乏可靠的外部射頻信號而失效的環(huán)境中的理想選擇。
慣性導航系統(tǒng) (INS) 通過稱為“航位推算”的過程克服了 GPS 的限制。他們采用傳感器組合：
? 加速度計： 測量速度變化（速度和方向）
? 陀螺儀： 測量方向的變化（物體面向的方向）
? 磁力計： 根據地球磁場提供方向參考。
內部計算機不斷處理這些傳感器數據，計算物體的位置、速度和方向。這使得可以在 GPS 無法識別的環(huán)境中進行導航，例如地下隧道或有爭議的戰(zhàn)場。
INS 是由陀螺儀、加速度計和磁力計組成的復雜系統(tǒng)。它們測量空間運動，計算隨時間變化的速度和位置。陀螺儀評估旋轉運動，加速計處理線性加速度，而磁力計提供補充維度，提供方向定位。來自這三個傳感器的數據融合在一起，提供可靠的定位、位置和跟蹤信息。
INS 系統(tǒng)有多種類型，每種類型根據應用提供不同的優(yōu)勢：
? 捷聯系統(tǒng)： 在這些系統(tǒng)中，傳感器直接安裝在被跟蹤的物體上。捷聯 INS 系統(tǒng)利用復雜的算法來計算位置和方向，與萬向系統(tǒng)相比具有簡單、尺寸減小和成本更低的優(yōu)點。
? 萬向節(jié)系統(tǒng)： 這些系統(tǒng)涉及將 INS 傳感器安裝在由萬向節(jié)穩(wěn)定的平臺上，該平臺將傳感器與物體的旋轉運動隔離。雖然萬向節(jié)系統(tǒng)可以提供高度準確的數據，但它們通常比捷聯系統(tǒng)更復雜、更龐大。
? 基于 MEMS 的系統(tǒng)： 微機電系統(tǒng) (MEMS) 技術可實現 INS 傳感器的小型化，從而使基于 MEMS 的系統(tǒng)緊湊且經濟高效。雖然它們可能無法提供與更大、更傳統(tǒng)的傳感器相同水平的精度，但它們的小尺寸和較低的成本使其適合廣泛的應用。
全球定位系統(tǒng) (GPS) 和慣性導航系統(tǒng) (INS) 在導航中具有不同但互補的用途。 GPS 依靠衛(wèi)星網絡提供準確的定位信息，使其對于戶外導航（例如駕駛、遠足、無人機導航或海上活動）非常有效。它在天空視線清晰的場景中表現出色，可確保 GPS 提供可靠的位置數據。然而，GPS 無線電信號本質上非常微弱，極易受到干擾或欺騙，并且在水下、地下以及高層建筑密集、遮擋大部分天空的密集城市地區(qū)自然無法使用。
另一方面，慣性導航系統(tǒng)通過運動以及地球本身（重力）進行測量，從而允許在 GPS 無法工作的區(qū)域進行導航。在保持連續(xù)跟蹤至關重要的情況下，INS 特別有價值，因為它不依賴于外部的天基射頻信號。然而，沒有考慮漂移或磁異常的復雜算法的基本慣性導航系統(tǒng)，通常會隨著時間或行駛距離的推移而經歷較大的累積誤差，使得它們在長時間旅行時的精確度遠低于 GPS。
從歷史上看，經典的 INS 系統(tǒng)主要依靠陀螺儀和加速度計傳感器測量來構建，這會導致短期內準確的輸出。然而，由于傳感器漂移，隨著時間的推移，這些讀數將變得越來越不準確和不可靠，因為系統(tǒng)偏差和增益誤差降低了位置測量結果的準確性。這讓許多設計工程師感到沮喪。然而，最近大多數 INS 中都添加了磁力計，從而添加了重要的航向信息穩(wěn)定的偏航輸出可用于糾正陀螺儀偏差和比例誤差，從而大大有助于更準確的跟蹤輸出?，F在，系統(tǒng)將磁力計數據與陀螺儀和加速度計數據融合，以糾正陀螺儀的漂移和比例誤差，從而使位置輸出結果更加穩(wěn)定、準確和可靠。
如今，尺寸、重量和功率 (SWaP) 極小的慣性導航系統(tǒng)（例如 PNI 的 Headway 和 FORT 模塊）能夠在 GPS 競爭的作戰(zhàn)區(qū)域（例如地下隧道、室內建筑、水下或沿電子戰(zhàn)目標戰(zhàn)線）提供精確的導航信息。 GPS 已損壞或完全不可用。
如前所述，INS 以其短期精度而聞名，主要與使用 GPS 等外部源相結合來抵消學習和糾正慣性漂移。這種由累積的小測量誤差引起的漂移會影響中期和長期的精度。與陀螺儀和加速度計數據融合的高質量磁傳感器可以極大地減少這些誤差，從而使磁傳感器對于航空航天導航、無人機和浮標等關鍵應用具有無價的價值。
磁力計通過提供穩(wěn)定、無漂移的參考方向來解決陀螺儀中的漂移問題。它們對于跟蹤無漂移方向特別有價值，并提供較慢但更穩(wěn)定的數據集來平衡和糾正陀螺儀和加速計漂移。
傳感器融合是現代慣性導航系統(tǒng) (INS) 的核心，使它們能夠實現高精度和可靠性。這是智能地組合來自多個傳感器（加速度計、陀螺儀、磁力計以及其他可能的傳感器）的數據的過程，以創(chuàng)建更準確、更完整的物體位置、方向和速度圖像。
INS 中最廣泛使用的傳感器融合算法之一是卡爾曼濾波器。該濾波器以其發(fā)明者魯道夫·E·卡爾曼 (Rudolf E. Kálmán) 的名字命名，是一種遞歸算法，可根據噪聲測量結果最優(yōu)地估計系統(tǒng)的狀態(tài)。
在 INS 環(huán)境中，卡爾曼濾波器根據新的傳感器讀數不斷更新其對物體位置、速度和方向的估計。它通過考慮與每個傳感器相關的固有不確定性和誤差以及物體運動的預期動態(tài)來實現這一點。
卡爾曼濾波器處理噪聲測量和不確定性的能力使其在 INS 中具有極其重要的價值。即使單個傳感器容易出現錯誤或漂移，它也能讓系統(tǒng)保持準確的跟蹤。雖然卡爾曼濾波是 INS 的基石，但它并不是用于傳感器融合的唯一技術。根據應用的具體要求，也可以采用其他算法，例如互補濾波器和粒子濾波器。
此外，機器學習的進步為 INS 中的傳感器融合開辟了新的可能性。可以訓練機器學習算法來識別傳感器數據中的模式并適應不斷變化的條件，從而進一步提高 INS 的準確性和魯棒性。
擴大慣性導航系統(tǒng)的應用：軍事、太空和水下
慣性導航系統(tǒng)在多個行業(yè)具有廣泛的應用，包括：
? 軍事應用：在軍事領域，INS 因其可靠性和獨立于外部信號的需要而發(fā)揮著至關重要的作用，這對于信號拒絕或有爭議環(huán)境中的操作至關重要。 INS 廣泛應用于制導導彈技術，無可爭議的精確定位和導航對于定位精度至關重要。它還用于飛機和海軍艦艇的導航和瞄準，特別是在 GPS 信號可能被干擾或不可用的情況下。 INS 在各種條件下的穩(wěn)健性使其成為現代軍事行動不可或缺的工具。
? 太空探索：在太空中，無法依賴 GPS 等地面導航系統(tǒng)，因此 INS 變得至關重要。航天器使用慣導系統(tǒng)在廣闊的太空中進行定向和機動。這項技術是需要自主導航的任務不可或缺的一部分，例如星際旅行和衛(wèi)星部署。航天器中的 INS 系統(tǒng)必須非常精確，并且能夠抵御太空環(huán)境的獨特挑戰(zhàn)，包括極端溫度和輻射。
? 水下導航：由于完全沒有GPS信號，深海探索和海底導航等水下環(huán)境給導航帶來了獨特的挑戰(zhàn)。在這里，INS 的價值無可估量，是定位和導航的唯一手段。潛艇使用 INS 進行主要導航，保持航向和位置，而無需浮出水面獲取 GPS 位置而暴露其位置。同樣，自主水下航行器 (AUV) 和遙控潛水器 (ROV) 依靠 INS 進行科學探索和海底測繪、資源勘探和水下基礎設施檢查等任務。同樣，GPS 不可用的所有場景。
在這些領域中，INS 的可靠性、精確性以及不受外部信號影響的獨立性使其成為首選。這些領域往往會突破 INS 技術的界限，推動其他應用的進步，進一步鞏固 INS 作為現代導航技術基石的作用。
在技術創(chuàng)新、各種應用中對精確導航日益增長的需求以及 INS 與新興技術的集成的推動下，慣性導航系統(tǒng) (INS) 的未來有望取得重大進步。以下是可能塑造 INS 未來的主要趨勢和發(fā)展：
? 提高精度和可靠性：持續(xù)的研究和開發(fā)工作的重點是提高 INS 的精度和可靠性。傳感器技術、信號處理和糾錯算法的創(chuàng)新有望減少慣性漂移和傳感器噪聲的影響，從而帶來更精確、更可靠的導航解決方案。高性能 INS 在需要高精度的應用中將變得越來越重要，例如自動駕駛車輛和航空航天導航。
? 與其他技術的集成：INS 與其他導航和傳感技術的集成，例如全球導航衛(wèi)星系統(tǒng) (GNSS)、激光雷達、雷達和視覺里程計，是一個關鍵趨勢。這種傳感器融合方法通過利用每種技術的優(yōu)勢來增強整體系統(tǒng)性能。例如，將 INS 與 GNSS 集成可確保在 GNSS 拒絕的環(huán)境中進行精確導航，而將 INS 與視覺里程計相結合可以在衛(wèi)星信號受阻的室內或城市環(huán)境中提供精確定位。
? 先進的數據處理技術：將先進的數據處理和機器學習技術應用于INS數據有望進一步提高導航精度。機器學習算法可以識別傳感器數據中的模式，預測和糾正錯誤，并根據實際操作條件優(yōu)化系統(tǒng)性能。這種方法可以顯著增強 INS 在各種應用中的適應性和效率。
? 提高無人系統(tǒng)的自主性：隨著無人機 (UAV)、自主水下航行器 (AUV) 和自主地面車輛 (AGV) 變得越來越普遍，對可靠 INS 的需求將會增長。 INS 在使這些系統(tǒng)能夠在外部參考可能有限或不可用的環(huán)境中自主導航方面發(fā)揮著至關重要的作用。未來 INS 的發(fā)展將側重于支持這些系統(tǒng)增強的自主性和操作能力。
? 用于太空探索的慣性導航系統(tǒng)：慣性導航系統(tǒng)在太空探索中的使用預計將擴大，系統(tǒng)設計用于在無法獲得 GNSS 信號的深空中導航航天器。太空應用 INS 的創(chuàng)新將側重于長期可靠性、對惡劣太空環(huán)境的抵抗力以及以最少的外部輸入運行的能力。
? 綠色導航技術：對可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境責任的推動將影響慣性導航技術的發(fā)展。未來的 INS 系統(tǒng)在設計時將考慮能源效率，利用低功耗傳感器和處理單元來減少導航技術對環(huán)境的影響。
INS 變得越來越重要，它可以在 GPS 明顯受限的情況下提供可靠的導航。這項技術不僅可以幫助我們探索物理世界，還可以擴展我們探索新領域的能力。當我們進一步探索未知領域時，INS 成為指導我們前進的關鍵技術。
? 3DM-CX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導航傳感器
? 3DM-GX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導航傳感器
? 3DM-CV7-INS 戰(zhàn)術級嵌入式慣性導航系統(tǒng)
? 3DM-GV7-INS 戰(zhàn)術級加固慣性導航系統(tǒng)
? 3DM-GQ7-GNSS/INS 雙天線多頻段RTK導航系統(tǒng)
