从古代方法到现代技术：导航与惯性导航系统解析
引言导航是指规划、记录和控制物体从一个地方到另一个地方移动的过程。从古代使用地标的技术到现代惯性导航系统，融合了传统原理和前沿科技。
图1.1：万向节系统示意图，展示了陀螺仪、加速度计、万向节、扭矩电机和角度传感器安装在稳定平台上的复杂机械布局。
传统导航方法
最直接的导航方法依赖地标——在参考坐标系中具有已知坐标的可识别物体或特征。地标可以是山丘和河流等自然特征，也可以是街道和建筑等人工结构。在海上导航中，灯塔和天体是可靠的参考点。现代地标包括雷达站、卫星和移动通信基站。
定位是主要的导航技术之一，通过观测已知位置的地标来直接确定位置。这种方法虽然直观，但存在局限性——地标观测并非总是可用，且容易受到干扰和干扰。例如，在有雾或多云天气下，天文导航无法进行，而无线电信号会受到衍射、折射和非视距传输的影响。
图2：展示了(a)万向节惯性导航算法和(b)捷联式惯性导航算法的比较图，说明了惯性导航系统架构的演变。
惯性导航系统
惯性导航代表了导航技术的重大进步。基于惯性传感器（加速度计和陀螺仪）的测量，在惯性坐标系中追踪运动。惯性导航的主要优势在于基于牛顿运动定律，使其适用于几乎所有导航场景，且不受外部干扰。
典型的惯性测量单元（IMU）包含三个正交安装的加速度计和陀螺仪，用于测量三个垂直方向的加速度和角速率分量。系统通过陀螺仪测量角速率来追踪方向，然后通过积分得到系统方向。
图3：IMU发展的对比，展示了(a)20世纪60年代阿波罗任务开发的IMU与(b)当前商用MEMS基IMU的对比，展示了五十年来显著的微型化成就。
惯性导航技术的演进
惯性导航技术的发展跨越近两个世纪，始于19世纪初Bohnenberger提出的惯性传感器概念。1856年著名的傅科摆实验展示了首个角速率积分陀螺仪。但实际应用直到20世纪30年代才在V2火箭上实现，并在60年代末开始广泛应用。
早期系统使用基于万向节的平台，惯性传感器安装在允许三维旋转的稳定平台上。这些系统虽然精度高，但由于复杂的机械和电气基础设施而体积大且昂贵。20世纪70年代末，捷联式系统出现，传感器直接固定在系统上。这种设计大大降低了机械复杂性，但需要更复杂的计算能力。
过去20年中，微机电系统（MEMS）技术的发展彻底改变了惯性导航。现代MEMS基IMU尺寸仅为毫米级，可以集成到手机和智能手表等便携设备中。这种变化十分显著——阿波罗任务的IMU体积为1.8×10^7立方毫米，重42.5磅，而今天的MEMS基IMU仅占8.55立方毫米，重量只有几毫克。
现代应用与挑战
当今惯性导航系统面临多种挑战，特别是在步行导航方面。测量误差随时间累积仍是主要问题——消费级IMU在导航几秒内就可能产生超过一米的误差。这促使了各种误差修正技术的发展，如用于脚踝安装系统的零速度更新（ZUPTs）。
该领域继续在个人安全、健康监测和紧急救援系统等新应用中发展。惯性导航与GPS、磁力计和计算机视觉系统等其他技术的集成，代表了导航技术的未来发展方向，将惯性系统的可靠性与外部参考点的精确性相结合。
从古代基于地标的导航到复杂的惯性系统，展现了人类不断追求更精确、更可靠导航方法的历程。随着技术持续进步，更多创新解决方案将不断涌现，进一步提高各种应用中导航系统的精确度和可用性。
参考文献
Y. Wang and A. M. Shkel, "Pedestrian Inertial Navigation with Self-Contained Aiding," in IEEE Press Series on Sensors, 1st ed. John Wiley & Sons, Inc., 2021
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