GPS導(dǎo)航中慣性導(dǎo)航的應(yīng)用

一、什么是慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航(inertial navigation)是一種通過(guò)測(cè)量飛行器的加速度，并自動(dòng)進(jìn)行積分運(yùn)算，獲得飛行器瞬時(shí)速度和瞬時(shí)位置數(shù)據(jù)的技術(shù)。組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)備都安裝在運(yùn)載體內(nèi)，工作時(shí)不依賴(lài)外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。

美軍所謂的新一代導(dǎo)航系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)是一種基于現(xiàn)代原子物理最新技術(shù)成就的微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是人類(lèi)最早發(fā)明的導(dǎo)航系統(tǒng)之一。早在1942年德國(guó)在V-2火箭上就首先應(yīng)用了慣性導(dǎo)航技術(shù)。而美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局新一代導(dǎo)航系統(tǒng)主要通過(guò)集成在微型芯片上的原子陀螺儀、加速器和原子鐘精確測(cè)量載體平臺(tái)相對(duì)慣性空間的角速率和加速度信息，利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律自動(dòng)計(jì)算出載體平臺(tái)的瞬時(shí)速度、位置信息并為載體提供精確的授時(shí)服務(wù)。

有資料顯示，2003年美國(guó)國(guó)防部就斥資千萬(wàn)開(kāi)始對(duì)原子慣性導(dǎo)航技術(shù)的研制。該技術(shù)一旦研制成功，將會(huì)使慣性導(dǎo)航達(dá)到前所未有的精度。具體來(lái)說(shuō)，將會(huì)比目前最精準(zhǔn)的軍用慣性導(dǎo)航的精度還要高出100到1000倍，而這將會(huì)對(duì)軍用定位、導(dǎo)航領(lǐng)域帶來(lái)革命性影響。

由于該導(dǎo)航系統(tǒng)具有體積小、成本低、精度高、不依賴(lài)外界信息、不向外界輻射能量、抗干擾能力極強(qiáng)、隱蔽性好等特點(diǎn)，很有可能成為GPS技術(shù)的替代者。

二、慣性導(dǎo)航應(yīng)用

慣性測(cè)量裝置，包括加速度計(jì)和陀螺儀，又稱(chēng)慣性導(dǎo)航組合。前者是測(cè)量物體的加速度，后者又被叫做角速度傳感器，是測(cè)量角速度的。利用這些裝置的參數(shù)，計(jì)算并導(dǎo)航看起來(lái)似乎很簡(jiǎn)單，但是由于采樣頻率一般很高(一秒內(nèi)幾十甚至幾百次)，所以累加起來(lái)誤差很容易擴(kuò)大，所以長(zhǎng)時(shí)間的導(dǎo)航仍然有很大的困難。

但是在一定的前提下，短時(shí)間內(nèi)的使用還是可行的。

日常手機(jī)導(dǎo)航中，常常會(huì)出現(xiàn)隧道、高架、密林小路、高樓窄道等地段，導(dǎo)航突然不動(dòng)了，直到車(chē)開(kāi)到開(kāi)闊地帶，導(dǎo)航中的車(chē)位圖標(biāo)才突然跳過(guò)去，體驗(yàn)非常的不好。

在失去位置的時(shí)候，導(dǎo)航軟件知道速度、車(chē)輛的位置、行駛路線(xiàn)等信息。結(jié)合加速度傳感器提供的加速度，可以根據(jù)二次積分的方式計(jì)算出加速度產(chǎn)生的位移，然后根據(jù)初始速度計(jì)算出速度產(chǎn)生的位移，進(jìn)而推算出車(chē)輛最新的位置。這樣，在沒(méi)有GPS的情況下仍然可以繼續(xù)導(dǎo)航了。

三、GPS導(dǎo)航

GPS導(dǎo)航，是根據(jù)GPS提供的位置信息，以及導(dǎo)航前規(guī)劃的線(xiàn)路，指引用戶(hù)行駛的一個(gè)系統(tǒng)。

我們知道，GPS是通過(guò)接收衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)計(jì)算出自身位置的，當(dāng)手機(jī)等GPS設(shè)備上方被遮擋后，GPS設(shè)備就無(wú)法定位了。

遮擋可能是多種情況，比如車(chē)頂、高架橋、房屋、隧道等。這時(shí)候可以通過(guò)速度、時(shí)間、距離的關(guān)系，根據(jù)最后一次GPS信號(hào)計(jì)算的速度，來(lái)推測(cè)可能的位置。

如果在隧道內(nèi)、高架橋梁下等地段沒(méi)有改變車(chē)輛的速度，這個(gè)方法可能很好的實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。但是如果減速了，就會(huì)出現(xiàn)地圖上的車(chē)位很快的跑到了隧道終點(diǎn)，然后停下來(lái)等著。反之，如果加速了，就會(huì)出現(xiàn)車(chē)位走了一半，然后突然跳出隧道。

要解決這兩種情況，就需要下面的所要介紹的加速度傳感器裝置。有了加速度，就能更好的推測(cè)當(dāng)前的速度，從而解決上述問(wèn)題。

四、加速度傳感器

加速度傳感器是一種能夠測(cè)量加速力，將加速度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的電子設(shè)備。它是利用牛頓第二定律A=F/M，通過(guò)作用力造成傳感器內(nèi)部敏感部件發(fā)生變形，通過(guò)測(cè)量其變形并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化為電壓輸出，得到相應(yīng)的加速度信號(hào)。

手機(jī)加速度計(jì)算距離。加速度是一個(gè)對(duì)象速度的變化速率。速度是一個(gè)對(duì)象位置的變化速率。

利用積分的概念，上圖(源自網(wǎng)絡(luò))中曲線(xiàn)下面的區(qū)域，我們能得到一個(gè)結(jié)論：對(duì)一個(gè)信號(hào)采樣，如果能夠得到該信號(hào)大小的瞬時(shí)值，就能夠在兩次采樣之間得到一個(gè)小的區(qū)域。采樣時(shí)間相同(區(qū)域的寬)相同，再得到了采樣的值(區(qū)域高度)，我們可以通過(guò)下面的方法計(jì)算面積之和。但是能夠看到，存在誤差。

這些誤差我們稱(chēng)為采樣損失，為了減少這樣的錯(cuò)誤，我們需要再次積分：區(qū)域2是一個(gè)三角形，是計(jì)算面積的一半。則總和為如下公式。

這樣的錯(cuò)誤比以前的小很多了。

加速度有正有負(fù)，我們的采樣需要有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值做參考，校準(zhǔn)值是在沒(méi)有移動(dòng)的情況下測(cè)量的加速度值。實(shí)際應(yīng)用中需要考慮的有：

信號(hào)存在一定的噪聲，所以必須數(shù)字濾波。比如可以采用移動(dòng)平均算法，要處理的值是一定數(shù)量采樣值的平均結(jié)果。

即使過(guò)濾過(guò)的數(shù)據(jù)，仍然可能存在錯(cuò)誤，所以必須實(shí)現(xiàn)另外一個(gè)濾波器，過(guò)濾明顯有問(wèn)題的數(shù)據(jù)。

必須要有校驗(yàn)值。它的計(jì)算對(duì)整體效果至關(guān)重要。

加速度有正有負(fù)，不能忽略正負(fù)符號(hào)。

采樣頻率越快，結(jié)果越精確，但是需要考慮耗電、時(shí)間、內(nèi)存方面的限制。

采樣的時(shí)間間隔必須相同。