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引言" S* {. e+ {+ L6 {
$ z+ K4 A3 g8 c& y# R; @/ e6 S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[1]。% w u1 Y- A1 P2 Q5 T. G. i
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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。6 N& ~: I0 l6 @# Q; g0 |
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传统导航方法$ q7 E4 _" |: l& I# N6 ~
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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。
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% `3 @, p& y* G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。4 }7 a. r# |7 g# g5 U/ }
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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。
m, T4 U8 z6 Y0 |, l5 Z$ y+ m惯性导航系统% x1 a" n7 n" p# G5 T
0 F+ b2 s* [7 J1 p, `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。
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; I) A6 h9 X( e+ u7 s+ t; u. L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。
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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。
' l" k+ P T+ f5 q& y; E惯性导航技术的演进- q ^3 Q% h p a4 t
4 W e# O$ S: W% D7 u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。1 v" R1 ]( Z# m! D6 b- U' b5 T
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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。) k) F, ~. e9 @* d
7 A+ }2 b: m7 g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。; a8 [- P3 Y! E6 N% z
现代应用与挑战
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1 I7 U$ m5 Z& g) A% A, h4 C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）。/ ]& K1 ?3 ?# e2 q1 P
& P- x& X" g3 y* i- g3 P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。8 c1 s; ^1 U! a# f; A( W
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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。
$ ?% ? e7 D# G4 D( v" z 参考文献$ h; F4 v" ^9 A
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[1] 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% a) w2 J9 \3 c' }8 m8 b
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深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。1 M+ E" `* Z4 ^/ M& K V0 }& T
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