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)是一種通過測量飛行器的加速度，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)是人類最早發(fā)明的導(dǎo)航系統(tǒng)之一。早在1942年德國在V-2火箭上就首先應(yīng)用了慣性導(dǎo)航技術(shù)。而美國國防部高級研究計(jì)劃局新一代導(dǎo)航系統(tǒng)主要通過集成在微型芯片上的原子陀螺儀、加速器和原子鐘精確測量載體平臺相對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年美國國防部就斥資千萬開始對原子慣性導(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。具體來說，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)對軍用定位、導(dǎo)航領(lǐng)域帶來革命性影響。

　　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

　　慣性測量裝置，包括加速度計(jì)和陀螺儀，又稱慣性導(dǎo)航組合。前者是測量物體的加速度，后者又被叫做角速度傳感器，是測量角速度的。利用這些裝置的參數(shù)，計(jì)算并導(dǎo)航看起來似乎很簡單，但是由于采樣頻率一般很高(一秒內(nèi)幾十甚至幾百次)，所以累加起來誤差很容易擴(kuò)大，所以長時(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，直到車開到開闊地帶，導(dǎo)航中的車位圖標(biāo)才突然跳過去，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、車輛的位置、行駛路線等信息。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)而推算出車輛最新的位置。這樣，在沒有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)劃的線路，指引用戶行駛的一個(gè)系統(tǒng)。

　　我們知道，GPS是通過接收衛(wèi)星發(fā)送的信號計(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)備就無法定位了。

　　遮擋可能是多種情況，比如車頂、高架橋、房屋、隧道等。這時(shí)候可以通過速度、時(shí)間、距離的關(guān)系，根據(jù)最后一次GPS信號計(jì)算的速度，來推測可能的位置。

　　如果在隧道內(nèi)、高架橋梁下等地段沒有改變車輛的速度，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)地圖上的車位很快的跑到了隧道終點(diǎn)，然后停下來等著。反之，如果加速了，就會(huì)出現(xiàn)車位走了一半，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，就能更好的推測當(dāng)前的速度，從而解決上述問題。

　　四、加速度傳感器

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

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

　　利用積分的概念，上圖(源自網(wǎng)絡(luò))中曲線下面的區(qū)域，我們能得到一個(gè)結(jié)論：對一個(gè)信號采樣，如果能夠得到該信號大小的瞬時(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)值是在沒有移動(dòng)的情況下測量的加速度值。實(shí)際應(yīng)用中需要考慮的有：

　　信號存在一定的噪聲，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。

　　即使過濾過的數(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，過濾明顯有問題的數(shù)據(jù)。

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

　　加速度有正有負(fù)，不能忽略正負(fù)符號。

　　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。