惯性导航技术的新进展及发展趋势

49 卷 增刊（总第 183 期） 中 国 造 船 Vol.49 Supplement (Serial No. 183) 2008 年 10 月 SHIPBUILDING OF CHINA Oct. 2008

文章编号：1000-4882 (2008) S-0134-011

惯性导航技术的新进展及发展趋势

张炎华 1,2，王立端 1，战兴群 2，翟传润 2 （1. 上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240； 2. 上海交通大学空天科学技术研究院，上海 200240）

摘 要

阐述了惯性导航技术的发展历史，总结了惯性传感器的最新发展现状，并列举出代表当前最高技术水平

的新型惯性器件及其技术指标。同时，概括了惯性技术的应用领域，特别是在舰船导航领域的应用现状。最

后指出，随着新型惯性器件的涌现和完善，以惯性导航为基础的组合导航系统将成为未来导航系统的主要发

展方向。

关 键 词：船舶、舰船工程；惯性导航技术；惯性导航系统；惯性测量单元

中图分类号：U666.12 文献标识码：A

1 引 言

惯性导航是一门涉及精密机械、计算机技术、微电子、光学、自动控制、材料等多种学科和领域

的综合技术[1]。应用需求的增长是导航技术拓展新方向的源动力，现代科技的蓬勃发展支撑着惯性传

感器技术的不断进步，推动着惯性导航技术应用于更宽广的领域。 由于陀螺仪是惯性导航的核心部件，因此，可以按各种类型陀螺出现的先后、理论的建立和新型

传感器制造技术的出现，将惯性技术的发展划分为四代[1~3]。惯性导航技术的发展历史如图 1 所示[4~6]，

折线下方为该阶段建立的主要技术理论，上方为各阶段出现的惯性器件及其精度。须要注意的是惯性

技术发展的各阶段之间并无明显界线。

第一代惯性技术指1930年以前的惯性技术。自1687年牛顿三大定律的建立，并成为惯性导航的理

论基础；到1852年，傅科（Leon Foucault）提出陀螺的定义、原理及应用设想；再到1908年由安修茨

（Hermann Anschütz -Kaempfe）研制出世界上第一台摆式陀螺罗经，以及1910年的舒勒（Max Schuler）调谐原理；第一代惯性技术奠定了整个惯性导航发展的基础。

第二代惯性技术开始于上世纪40年代火箭发展的初期，其研究内容从惯性仪表技术发展扩大到惯

性导航系统的应用。首先是惯性技术在德国V-II火箭上的第一次成功应用。到50年代中后期，0.5n mile/h的单自由度液浮陀螺平台惯导系统研制并应用成功。1968年，漂移约为0.005º/h的G6B4型动压陀螺研

制成功。这一时期，还出现了另一种惯性传感器－加速度计。在技术理论研究方面，为减少陀螺仪表

支承的摩擦与干扰，挠性、液浮、气浮、磁悬浮和静电等支承悬浮技术被逐步采用；1960年激光技术

的出现为今后激光陀螺（RLG）的发展提供了理论支持；捷联惯性导航（SINS）理论研究趋于完善。 70年代初期，第三代惯性技术发展阶段出现了一些新型陀螺、加速度计和相应的惯性导航系统

收稿日期：2008-08-26；修改稿收稿日期：2008-09-18

49 卷 增刊 (总第 183 期) 张炎华，等：惯性导航技术的新进展及发展趋势 135

（INS），其研究目标是进一步提高INS的性能，并通过多种技术途径来推广和应用惯性技术。这一阶

段的主要陀螺包括：静电陀螺（ESG）、动力调谐陀螺（DTG）[7]、环形激光陀螺（RLG）[8]、干涉式

光纤陀螺IFOG[9, 10]等。ESG的漂移可达10-4 º/h；DTG的体积小、结构简单，随机漂移可达0.01 º/h量级；

基于Sagnac干涉效应的RLG[11]和捷联式激光陀螺惯导系统（SINS）在民航方面得到应用，导航精度可

达0.1n mile/h。除此之外，超导体陀螺、粒子陀螺、音叉振动陀螺、流体转子陀螺及固态陀螺等基于

不同物体原理的陀螺仪表相继设计成功。80年代，伴随着半导体工艺的成熟和完善，采用微机械结构

和控制电路工艺制造的微机电系统（MEMS）[12, 13]开始出现。图 1中ε 为陀螺误差。第三、四阶段折

线下方到虚线上方为应用新技术制造的新型惯性传感器。 当前，惯性技术正处于第四代发展阶段，其目标是实现高精度、高可靠性、低成本、小型化、数

字化、应用领域更加广泛的导航系统[14]。一方面，陀螺的精度不断提高，漂移量可达10-6 º/h；另一方

面，随着RLG、FOG、MEMS等新型固态陀螺仪的逐渐成熟，以及高速大容量的数字计算机技术的进

步，SINS在低成本、短期中精度惯性导航中呈现出取代平台式系统的趋势。在惯性技术发展的历史过

程中，Draper实验室、Sperry、原Litton、Delco、Honeywell、Kearfott、Rockwell、GE（General Electric）以及其它一些公司和研究机构[7]，对惯性技术的成熟和广泛应用做出了卓越贡献。

1000

100

10

0.1

1

0.01

0.0010.00010.00001

1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

ε/(º

)h-1

III

III

IV

牛顿定律

傅科：Gyroscope舒勒调谐原理

安修茨：MK-1型陀螺罗经

斯佩里罗经

(1) 1946年，英国皇家航空研究

院（RAE）：挠性支撑

(2) 50年代，美国MIT Draper实验室：液浮支撑，磁悬浮；气浮

(3) 1952年，美国伊利诺伊大学

诺特西克：静电支撑

(4) 1960年，激光

技术

(5) 60年代初，Draper Lab：完整的捷联惯导理论(SINS)

1958年，单自由度液浮陀螺惯导系统应用成功40年代，双自

由度陀螺应用

于德VII火箭

1968年G6B4动压陀螺

1964年，阿波罗登月惯导

系统1959年，

利顿G200双自由度

液浮陀螺

同时期出现加速度计：摆式加速度计和摆式积分加速度计

80年代MEMS技术

1971年，

SINS等效旋转矢量姿态

算法；

1983年，

SINS锥运动三子样优化

算法

1976年，

Utah大学

IFOG1991年，

MIT德雷帕实验室：MEMS IMU

70年代，HoneywellESG

DTGHoneywell RLG: GG1320

Honeywell MEMS IMU: HG1930

Sperry: MK 39 RLG INS

先进的微电子、计算机技术，精密机械、光学、半导体

等制造加工工艺

新的数据滤波算法

HoneywellFOG

RLG

DTG: Dynamic Tuning Gyro FOG: Fiber Optical GyroESG: Electrically Suspended Gyro MEMS: Micro-Electro-Mechanical SystemsRLG: Ring Laser Gyro IMU: Inertial Measurement Unitε: 陀螺误差

t /y

图 1 惯性技术发展历史

2 惯性传感器技术的发展现状

2.1 陀螺仪 惯性传感器包含加速度计和陀螺仪。传统意义上的陀螺仪是安装在框架中绕回转体的对称轴高速

136 中 国 造 船 学术论文

旋转的物体。陀螺仪具有稳定性和进动性，利用这些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角偏差

的位置陀螺。由于光学、MEMS 等技术被引入于陀螺仪的研制，现在习惯上把能够完成陀螺功能的装

置统称为陀螺。 陀螺仪种类多种多样，按陀螺转子主轴所具有的进动自由度数目可分为二自由度陀螺仪和单自由

度陀螺仪；按支承系统可分为滚珠轴承支承陀螺，液浮、气浮与磁浮陀螺，挠性陀螺（动力调谐式挠

性陀螺仪），静电陀螺[3]；按物理原理分为利用高速旋转体物理特性工作的转子式陀螺，和利用其他物

理原理工作的半球谐振陀螺、微机械陀螺、环形激光陀螺和光纤陀螺等。 2.1.1 激光陀螺

环形激光陀螺（RLG）利用光程差的原理来测量角速度[6]。两束光波沿着同一个圆周路径反向而

行，当光源与圆周均发生旋转时，两束光的行进路程不同，产生了相位差，通过测量该相位差可以测

出激光陀螺的角速度[11]。 近十几年来，激光陀螺已经发展十分成熟，新型激光陀螺研究（包括一些关于机械抖动激光陀螺

和四频差动激光陀螺的技术改进）的主要成果是在激光陀螺的小型化、工程化和新型化等方面取得的

进展。一些具有代表性的激光陀螺性能指标列于表 1[15]。

表 1 RLG 的最新发展

表 1 中的 GG1320 RLG 被 Raytheon 公司在 Anschütz MINS2 舰艇 INS 中使用。 2007 年初，美国

Honeywell 公布了 GG1320 RLG 的两种升级产品：数字 RLG GG1320AN （军用）和 GG1320AN01（民

用）。它们均是将电子设备和 RLG 封装成简单易用的独立单元，提供数字化的 I/O 接口。前者的偏差

稳定性和随机游走达到：3.5×10-4 º/h 和 3.5×10-4 h ，线性度为 5ppm。Honeywell 应用于航天领域的

导航级 HG9848 IMU 和代表 新惯性器件发展水平的 HG9900 IMU 均采用了 GG1320AN 作为姿态测

量传感器。

2.1.2 光纤陀螺（FOG） 光纤陀螺（Fiber Optical Gyro，FOG）使用与环形激光陀螺相同的基本原理[10]，但其使用光纤作

为激光回路，可看作是第二代激光陀螺。由于光纤可以进行绕制，因此光纤陀螺中激光回路的长度比

环形激光陀螺大大增加，使得检测灵敏度和分辨率也提高了几个数量级，从而有效地克服了环形激光

陀螺的闭锁问题[16]。光纤陀螺的主要优点在于高可靠性、长寿命、快速启动、耐冲击和振动、对重力

g 不敏感、大动态范围等[17]，这些优点是传统机械式陀螺所无法比拟的。在高精度应用领域，光纤陀

螺正在逐步取代静电陀螺。 目前光纤陀螺的精度已可达到0.0002º/h[18]，同时从上世纪90年代起，0.1 º/h的中精度干涉型光纤

陀螺IFOG已投入批量生产。德、日等国也研制成功偏置稳定性优于0.01 º/h的惯性级IFOG，俄罗斯、

生产厂商 型号 测量范围

º/s

偏差稳定性

º/h

随机游走

º/√h

线形度

ppm 应用领域

美国 Northrop

Grumman LG8028 ±400 <0.01 5 飞机

GG1320 ±800 0.03~0.1 0.001~0.01 30 飞机地面导航

GG1320AN 0.0035 0.0035 5 军用，航天 美国

Honeywell GG1320AN01 0.01~0.04 0.01~0.04 民用

法国 Sextant PIXYZ22 0.001 飞机

美国 Sperry SLIC-15 ±1500 0.13 100 导弹

俄罗斯 Polus ZLK-16 ±500 0.2 0.03 100 导弹

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英国、中国、韩国、新加坡、意大利、瑞士等国也有相关报道。2003年9月，Honeywell的高性能IRS（惯性参考系统）[19]所采用的FOG据称是当时能够产品化、性能 好的光纤陀螺，其随机游走（ARW）

<0.0001º/h，偏差稳定性<0.0003º/h。当前，Northrop Grumman公司生产的 高精度FOG是仪表级光纤

陀螺FOG 2500，它适用于超高精度或低噪声环境。其技术参数如下：动态范围 大值100º/s，尺度因

子0.01arc sec，短期尺度因子稳定性1ppm，漂移率0.001º/h，随机游走0.0006 h 。图2[20]为Northrop Grumman的嵌入式INS/GPS导航系统LN251内部FOG结构。

图 2 Northrop Grumman LN251 内部的 FOG 结构

光纤陀螺技术领域，美国在理论、测量技术和光纤元器件开发上领先的单位是斯坦福大学和 MIT，正在开发元器件技术的单位是休斯飞机公司和 Battle Memorial 研究所等。日本的 JEA、Mitsubishi Precision、Hitachi Cable、Sumitomo、Matsushita 等公司已批量生产多种级别的光纤陀螺，在干涉型光

纤陀螺的实用化，特别是中、低精度等级光纤陀螺的实用化方面走在世界前列，主要用于汽车工业。

西欧国家也相当重视光纤陀螺在军事上的应用，法国汤姆逊－CSF 公司、英国航空航天公司（BAE）、德国的 SEL 公司等都已开发光纤陀螺产品，并应用于战术导航系统和舰船导航领域[21]。 2.1.3 微机械陀螺

国外微机械陀螺研究开始于 20 世纪 80 年代初[22]。主要研制公司有：美国 Sperry、Draper 实验室、

通用电器和 Watson。其中通用电器已大量生产用于 A-10 飞机增稳系统的 VYRO 压电振动陀螺。韩国

的三星公司[23]和日本的一些研究机构在微机械陀螺的研究方面也取得了一定的成果。日本东北大学在

1994 年研制出的采用音叉式线振结构的微陀螺仪，在 5mTorr 真空条件下，灵敏度可达 0.7PF/s。日本

村田制作所于 1995 年研制的谐振式微机械陀螺仪，输出灵敏度为 50mV/(º)s。 有些国外公司还研究出了微机电惯性测量组件，在一个极小的空间内集成了 3 轴陀螺仪和 3 轴加

速度计，实现完整的惯性测量。Draper 试验室于 1994 年研制的 MIMU，其中陀螺仪的性能可达 10º/h的零偏稳定性和±100º/s 的量程，加速度计的性能为 100µg 的零偏稳定性和±100g 的量程。Rockwell公司在研制中的高级战术 MIMU，其精度与动态范围均有大幅提高，动态范围超过 104g，可被用于战

术武器中；基于隧道电流原理的微机械陀螺仪，分辨率可达 1º/h。 2.2 加速度计

加速度计是用来感测运动载体沿一定方向的比力的惯性器件。加速度计的分类：按照输入与输出

的关系可分为普通型、积分性和二次积分型；按物理原理可分为摆式和非摆式，摆式加速度计包括摆

式积分加速度计、液浮摆式加速度计和挠性摆式加速度计，非摆式加速度计包括振梁加速度计和静电

加速度计；按测量的自由度可分为单轴、双轴、三轴；按测量精度可分为高精度（优于 4 210 m/s− ）、中

138 中 国 造 船 学术论文

精度（10-2 m/s2–10-3 m/s2）和低精度（低于 20.1 m/s ）三

类。目前，Honeywell 的惯性级加速度计 QA1400 和

QA1500 的偏差分别小于 5mg 和 10mg，分辨率或阈值

均小于 1µg。导航级有 QA2000 和 QA3000 系列，其测

量偏差小于 4mg，分辨率或阈值均小于 1µg。Honeywell QA3000 系列加速度计示于图 3。

此外，MEMS 技术的发展[12]促使微加速度计制作技术越来越成熟，国内外都将微加速度计开发作

为 MEMS 技术产品化的优先项目。与通常的加速度计相比，微加速度计具有体积小、重量轻、成本低、

功耗低、可靠性高等优点，因此可被广泛运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域，

也给微加速度计的发展带来了新的机遇。常见的微加速度计按敏感原理的不同可分为：压阻式、压电

式、隧道效应式、电容式以及热敏式等；按照工艺方法又可分为体硅工艺微加速度计和表面工艺微加

速度计。自 1977 年美国斯坦福大学首先利用 MEMS 技术制作了一种开环微加速度计以来，国内外已

开发出了各种结构和原理的微加速度计。国外一些公司已经实现了部分类型微加速度计的产品化，例

如美国 AD 公司 1993 年就开始批量化生产基于平面工艺的电容式微加速度计。相比之下国内的相关研

究还存在很多问题，有很多共性难题没有解决[24]。

3 惯性技术的应用

3.1 应用概述 INS 是一种自主的、不对外辐射信号、不受外界干扰的导航系统，它以适宜的方式满足用户的导

航需求[2]。随着在军用和商业等领域导航需求的增长，惯性导航技术不断拓展新的应用领域。其范围

已由原来的舰艇、船舶[25]、航空飞行器、陆地车辆等，扩展到航天飞机[26]、星际探测[27]、制导武器、

大地测量、资源勘测、地球物理测量、海洋探测、铁路、隧道等方面，甚至在机器人、摄像机、儿童

玩具中也被广泛应用[28]。 不同领域使用惯性传感器的目的、方法大致相同，但对器件性能要求的侧重各不相同。从精度方

面来看，航天与航海领域对精度要求高，其连续工作时间也长；从系统寿命来看，卫星、空间站等航

天器要求 高，因其发射升空后不可更换或维修；制导武器对系统寿命要求 短，但可能须要满足长

时间战备的要求。涉及到军事应用等领域，对可靠性要求较高。 惯性传感器的精度指标是决定价格成本的根本因素，根据应用要求须首先选择精度指标。因此，

根据精度不同，表 2[29]列出了惯性传感器的性能、应用分类及适用范围。

表 2 惯性器件的性能与应用分类

级别 定位性能 陀螺技术 加速度计技术 陀螺偏移 加速度计偏移

军事级别 1 nm/24h ESG, RLG, FOG 伺服 < 0.005 º/h < 30 µg 导航级 1 nm/h RLG, FOG 伺服，振动梁 0.01 º /h 50 µg 战术级 >10 nm/h RLG, FOG 伺服，振动梁，MEMS 1 º /h 1 mg

姿态航向基准系统

（AHRS） NA

MEMS, RLG,

FOG, Coriolis MEMS 1 ~ 10 º /h 1 mg

控制系统, 短期导航 NA Coriolis MEMS 10 ~ 1 000 º /h 10 mg

表 2 中满足导航级应用的 0.01º /h 漂移误差 RLG 正逐渐被 FOG 取代；而军事战略级别的导航应

用（例如 0.001º/h 精度指标的 ESG）也将成为 FOG（IFOG）的天下；MEMS 和 MOEMS（Micro-

图 3 Honeywell QA3000 系列加速度计

49 卷 增刊 (总第 183 期) 张炎华，等：惯性导航技术的新进展及发展趋势 139

Opto-Electro-Mechanical Systems）器件则是未来战术级和中低精度导航应用的主流惯性传感器[30]。 3.2 在舰船导航中的最新应用

自1908年3月世界上第一部陀螺罗经首次在航海应用，至今已整整百年。百年来，惯性技术在舰船

导航方面的应用不断进步，并取得巨大成功。以下将介绍目前世界上 先进的两种舰船INS。根据表 2列举的军事和导航级惯性系统可知，精密可靠的ESG导航仪是满足潜艇自主式导航能力的一种高级舰

船惯导系统；但ESG的系统复杂性和自身的成本限制了它更广泛的应用和发展。由于RLG和FOG在技

术水平上取得的实质性进展，基于二者的INS正逐步取代转子式陀螺，满足航海精确导航要求。 自80年代，Sperry Marine公司开始舰用激光陀螺惯性导航系统（MARIN）的研究，并于1989年选

为NATO-SINS标准[31]。现在，Sperry MK49是NATO（北大西洋公约组织）的舰船和潜艇的标准RLG舰用INS；根据简氏的报道[32, 33]，2005 - 2006年Sperry为加拿大海军的4艘潜艇装配了MK 49。此外，

AN/WSN-7 RLGN系统则是美国海军潜艇、航空母舰和其他水面舰船的下一代导航设备。以Sperry Marine第3代RLG技术为基础的MK39 3A型SINS，为舰艇和火力控制系统提供高精度的位置数据、精

确的姿态、速度和方向。MK39系统已被美国海上补给司令部、海岸警备队以及国际上超过24个国家

的海军应用于各种舰艇平台，图4所示为Sperry Marine MK39。现在，在全世界海军应用的RLG导航系

统中超过80%来自于Sperry Marine公司。MK 39 MOD 3A激光陀螺舰用INS的性能指标如下：

此外，Raytheon Anschütz的船舶惯性导航系统MINS 2（Marine Inertial Navigation System）[34]是基

于SINS RLG技术的高精度INS；无论是作为主系统或备用系统，MINS 2均能够为各种海军舰艇（水面

或水下）提供精确的导航解。MINS 2主要由三个部分组成：控制显示单元（CDU）、融合了惯性传感

器组件和导航处理器的动态参考单元（DRU）、以及接口和连接单元（ICU），如图 5所示。同时，MINS 2可配GPS接收机，也就是说MINS 2可以工作在组合导航模式。

图 5 MINS 2 的系统配置

测量精度：

航向：3 Arcmin (º/h) Sec (Lat) RMS

7 Arcmin (º/h) Sec (Lat) Peak

横滚，俯仰：1.7 Arcmin (º/h) RMS

速度：0.6 kts (nm/h) RMS

位置：1.0 nm in 8 hr TRMS

动态运动范围：

横滚：±40º，俯仰：±15º，偏航：±10º

速率：-10 ~ 90 kn

动态稳定性：

横滚/俯仰：0.001º /s，航向：0.003º /s图 4 Sperry Marine MK 39

140 中 国 造 船 学术论文

前已述及MINS 2选用了Honeywell的GG1320 RLG和QA2000加速度计，因此，MINS 2除了具有良

好的导航精度外，而且使用寿命长、可靠性高、稳定输出时间短、易于维护和操作。MINS 2数字输出

的导航精度为： 航向：< 3 arc min sec (lat) RMS，横滚：< 1.4 arc min RMS，俯仰：< 1.4 arc min RMS； 角速率：< 0.046 °/s； 位置（三种导航模式）：< 0.1 nm CEP （结合GPS），< 1.2 n mile/8h TRMS（测程仪）， < 2.0 n mile/8h

TRMS（纯惯导）。

4 惯性导航技术发展前景

4.1 惯性测量传感器的发展趋势 就全球发展现状而言，现有的惯性传感器已经可以满足当前各种不同导航任务的精度指标要求

[35]。未来的主要目标是降低器件的成本、体积/重量和功耗等，具体包括以下几个方面[30]： ① 材料和工艺：生产厂商采用低劳动密集型生产模式和批量处理技术，选用硅片、石英、或结合

光电材料（如铌酸锂）等新型材料，制造惯性传感器。 ② 成本：包括产品自身成本和操作维护费用。由于大规模的批量生产，惯性传感器成本在大幅下

降。 ③ 体积：惯性测量传感器在不断向轻量化、小型化、微型化方向发展[36]；未来一些新型的惯性

传感器将无法用肉眼识别，如：NEMS（Nano-Electro-Mechanical System）和光学NEMS[37]。 ④ 研究热点：一方面集中在小型化MEMS惯性器件的性能提高和有效封装上[37~39]，另一方面集

中在光学传感器上，尤其是对采用集成光学的FOG的研究[28]。 ⑤ 期望：在各个精度级别上，均能获得尺寸小且价格低廉的惯性传感器。 惯性传感器的发展情况直接决定了惯性导航系统的开发和应用，惯性传感器自身的成本、体积和

功耗影响了惯性导航系统的相应参数指标。因此，惯性测量传感器的发展须要权衡以下几个因素（如

图 6）：精确性、连续性、可靠性、成本、体积/重量、功耗。

精确性(Accuracy)

可用性(Availability )

完整性(Integrity)

连续性(Continuity)

可靠性(Reliability )

成本(Cost)

功耗(Power

Consumption)

体积重量(Size Weight)

惯性测量传感器(Inertial Measurement

Sensors)

惯性导航系统(Inertial Navigation

System)

图 6 惯性技术发展的制约因素

49 卷 增刊 (总第 183 期) 张炎华，等：惯性导航技术的新进展及发展趋势 141

4.2 惯性导航系统发展方向 上节已指出惯性传感器是惯性导航系统发展的基础。与之类似，惯性导航系统的设计和发展须要

考虑权衡的主要因素也在图 6 中示出：① 必须针对并满足应用的需求，其中导航性能（尤其是精度）

和价格成本是首要的两个特性指标。价格成本包含系统自身成本、维护成本和使用寿命。因此对于很

多导航应用，合理的价格仍然被置于应用要求的 前面[2]。导航性能包括：导航的精确性、连续性、

完整性、易用性，易用性是指系统易于使用和维护、系统的自主性等。② 实际的应用环境是 大的挑

战[2]。系统的体积、功耗、可靠性和可用性会关系到惯性导航系统能否在具体的应用环境中被采用。

③ 提高惯性导航系统的通用性，拓展应用领域。 惯性导航系统发展和技术进步呈现以下特点： (1) 在无法接收GNSS信号或需要高度导航可靠性的应用场合，高性能的自主INS仍具有不可替代

的作用。 (2) GNSS技术的快速发展和进步，将取代部分传统的INS应用领域。例如：Raytheon Anschütz采用

GPS和固态速率传感器研制的GPS罗经，可以实现0.5º（RMS）的航向精度。上海交通大学导航、制导

与控制研究所研制GPS姿态测量仪，在1m基线的情况下可获得优于0.2º的2-D姿态测量精度[40]。 (3) INS与其他多种导航手段组合，尤其是GNSS/INS组合导航系统[5, 6]，受到普遍关注。 (4) 地面车辆导航等民用市场发展迅速，价格低廉的一体化、小型化、多模式组合导航设备成为

市场发展的三个重要方向[41, 42]，这既是惯性导航系统发展的机遇，也是挑战。 (5) 针对舰船导航系统的设计和发展：① 首先从系统的性能和可靠性方面考虑，须要不断提高惯

性导航系统自身的集成度；使其具备与其他导航手段协同工作的组合导航模式[43]，并且提供与舰船的

其他操作控制或导航设备灵活接口[44]。② 其次从降低系统成本角度考虑，很多学者尝试采用中低精

度的惯性测量传感器或MEMS器件，通过改进导航系统配置、与其他导航手段相结合来获得令人满意

的精度指标[45, 46]。③ 须要指出的是：INS首先与GNSS组合，然后再结合声纳、图像等其他导航手段

组成舰船一体化组合导航系统[43, 47]，是 受关注的研究热点和发展方向。

5 结 语

总之，在惯性器件研究方面，体积小且价格低廉的MEMS惯性传感器[48, 49]，和高精度、高性能FOG[29,

36] 在未来一段时间仍将是受关注的焦点。受现代计算机技术快速发展的影响，平台式导航系统将被捷

联式惯性导航系统所替代。 惯性导航是唯一的完全自主的导航方式，不依赖于任何外界信息的纯惯性导航系统仍将占据一席

之地，并会成为一个独立而有意义的研究方向。随着对高性能自主导航系统的应用需求不断增强和多

模GNSS技术（GPS，GLONASS，Galileo，BD-2等）的广泛应用，组合导航系统将逐步替代纯粹的INS成为未来的主要导航手段。

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144 中 国 造 船 学术论文

The New Advancement and Trend of Inertial Navigation Technology

ZHANG Yan-hua1.2, WANG Li-duan1, ZHAN Xing-qun2, ZHAI Chuan-run2

（1. School of Electronic, Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;

2. Institute of Aerospace Science and Technology, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Abstract

In this paper, the history of inertial navigation technology is introduced and advancement and present development status of the up-to-date inertial sensors are described as well as some state-of-the-art inertial measurement units and their superior specifications are presented. Meanwhile, the application fields of inertial navigation technology are explained, with emphasizing that the nautical applications and development of shipborne inertial navigation systems are expounded. In conclusion, as new inertial sensors springing up and maturing, the hybrid navigation system based on inertial navigation system would be one important orientation of navigation technology in the near future.

Key words: ship engineering; inertial navigation technology; inertial navigation system(INS); inertial measurement unit (IMU)

作 者 简 介

张炎华 男，1935 年生，教授，博士生导师。主要从事惯性导航及自动控制等方面的理论与工程研究工作。

王立端 男，1979 年生，博士生。主要从事惯性导航算法及系统、GNSS/INS 紧组合系统设计及 GNSS/INS 超紧组合

算法方面的研究工作。

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