组合导航系统中的惯性导航系统是什么？

在现代导航技术领域，惯性导航系统(INS)扮演着至关重要的角色，特别是在与全球导航卫星系统(GNSS)结合使用时，能够提供连续、可靠且高精度的定位、速度和姿态信息。

惯性导航系统的基本原理

惯性导航系统是一种不依赖外部信息的自主导航技术，它通过测量物体的加速度和角速度来计算位置、速度和姿态。其核心组件包括：

惯性测量单元(IMU)：由陀螺仪和加速度计组成，用于测量角速度和线性加速度

计算单元：通过积分运算将原始测量数据转换为导航信息

惯性导航系统的工作原理基于牛顿运动定律——通过测量加速度并对其进行时间积分，可以计算出速度变化；再次积分则可得到位置变化。同时，陀螺仪测量的角速度可用于确定物体的姿态变化。

MEMS惯性导航的技术突破

传统的高精度惯性导航系统通常使用光纤或激光陀螺，体积庞大且价格昂贵。而现代MEMS(微机电系统)技术的发展使得惯性导航系统在保持较高精度的同时，实现了小型化和低成本化。

以ER-GNSS/MINS-01为例，这款测绘级GNSS/MEMS INS组合导航系统采用了先进的MEMS技术：

陀螺仪零偏不稳定性<0.02°/h

加速度计零偏不稳定性<2μg

工作温度范围-40℃~+80℃

重量<300克

这些参数表明，现代MEMS惯性导航系统已经能够满足测绘级应用的需求，为各种移动平台提供了高精度的导航解决方案。

惯性导航与GNSS的组合优势

单独使用惯性导航系统存在误差随时间累积的问题，而GNSS虽然精度高但易受遮挡和干扰影响。将两者结合的组合导航系统则能发挥各自优势：

连续导航能力：当GNSS信号丢失时，惯性导航可提供短期的高精度导航信息。如ER-GNSS/MINS-01能在卫星信号丢失后60秒内保持0.01°的姿态和航向精度。

提高整体精度：GNSS可校正惯性导航的累积误差，而惯性导航可平滑GNSS的噪声，提供更高精度的导航解算。

增强可靠性：在GNSS信号受干扰的环境(如城市峡谷、隧道等)中，组合系统仍能保持工作。

快速定向：双天线GNSS模块(如ER-GNSS/MINS-01内置的)可提供快速准确的初始航向，解决了传统惯性导航系统初始对准慢的问题。

组合导航系统的关键性能指标

评估一个组合导航系统的性能时，需要关注以下关键指标：

姿态精度：ER-GNSS/MINS-01可达0.01°(实时)，后处理后可达0.004°

航向精度：双天线GNSS下0.05°，后处理0.01°

位置保持能力：RTK信号中断30秒时位置0.2m(水平)/0.08m(垂直)，60秒时0.5m(水平)/0.1m(垂直)

对准时间：双天线GNSS下仅需3分钟，无GNSS静态环境下5分钟

这些指标直接决定了系统在各种应用场景中的适用性和性能表现。

总结

惯性导航系统作为组合导航的核心组成部分，通过与GNSS的协同工作，解决了单一导航系统的局限性，为现代移动平台提供了全方位、高精度的导航解决方案。随着技术的不断进步，如ER-GNSS/MINS-01这样的高精度MEMS组合导航系统将在更多领域发挥重要作用，推动自动驾驶、智能交通、精准农业等新兴产业的发展。