2.2.1 惯性器件

惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。计算机根据测得的加速度信号计算出飞行器的速度和位置数据。控制显示器显示各种导航参数。

一般惯性器件都是基于微机电系统（Micro Electro Mechanical System, MEMS）的惯性测量装置，主要包括陀螺仪与加速度计，通常集成在惯性测量单元（Inertial Measurement Unit, IMU）中，又称惯性导航组合。图2-15所示的MEMS惯性测量单元是一个典型的6轴IMU，包括3轴陀螺仪与3轴加速度，3个自由度陀螺仪用来测量飞行器3个转动运动；3个加速度计用来测量飞行器3个平移运动的加速度，其轴向标记在IMU的右下角。

（1）陀螺仪

陀螺仪是惯导系统的主要元器件，用于计量角速度。角速度通常用每秒旋转的角度来表示。按时间对角速度进行积分可得到角度变化情况，以此可以检测载体的姿势变化。微机电陀螺仪具有体积小、重量轻、成本低、可靠性好、测量范围大、易于集成的优点，但微机电陀螺仪由于漂移较大导致精度不高，如果系统对导航的精度要求较高，则需要使用算法对方向信息进行补偿。

图2-15 MEMS惯性测量单元

与传统陀螺仪主要利用角动量守恒原理不同，微机电陀螺仪主要利用科里奥利力（旋转物体在有径向运动时所受到的切向力）原理测量运动物体的角速率。公开技术的微机械陀螺仪均采用振动物体传感角速度的概念，利用振动来诱导和探测科里奥利力。微机电陀螺仪的核心是一个微加工机械单元，在设计上按照一个音叉机制共振运动，通过科里奥利力原理把角速率转换成一个特定感测结构的位移。

微机电陀螺仪由于受到自身结构材料、制作工艺、工作原理等多方面的影响而存在一定的误差。按照误差类型可分为确定性误差和随机误差。确定性误差主要有安装误差（安装工艺水平限制使得敏感轴并非完全两两正交）和尺度误差（传感器通过尺度因子将电信号进行转换，尺度因子的误差导致结果误差）。随机误差主要有，量化噪声误差——A/D采样导致的噪声，量化噪声属于高频噪声，可以用低通滤波器滤除这种高频噪声，也可以通过导航的积分环节去除，对精度的影响不大；角度随机游走——高斯白噪声的影响，需要区别角速率输出还是角增量输出；零偏不稳定性——由内部电磁的善变噪声和外部影响导致的，而且每次启动之初的零偏是不相同的；速率斜坡——陀螺的角速率输出随着时间会发生缓慢变化，如环境温度的缓慢变化导致角速率输出不稳定，通过环境控制和补偿机制可以降低这种误差。陀螺仪的误差模型可建立为

式中，为陀螺仪三轴的实际输出；K_yx、K_zx、K_xy、K_zy、K_xz、K_yz为陀螺仪三轴的安装误差；w_x、w_y、w_z为陀螺仪的实际感测输入值；B_x、B_y、B_z为陀螺仪的三轴零偏；n_x、n_y、n_z为陀螺仪三轴的随机噪声误差。

（2）加速度计

加速度计用来测量载体运动加速度，返回的是三轴的加速度分量，用g（重力加速度）计量。加速度计传感器利用质量敏感器的形变来测量施加在载体的外力，即质量敏感器会由于当地的重力加速度而产生额外形变。因此，加速度计输出的信息为比力，即载体实际运动中的净加速度以及当地重力加速度的矢量合。所以，单纯依靠加速度计无法直接测量运动物体的净加速度。需要与陀螺仪配合，在导航坐标系上提取运动物体的净加速度。

加速度计的误差模型与陀螺仪的误差模型相似，可以表示成[18]

式中，为陀螺仪三轴的实际输出；K_yx、K_zx、K_xy、K_zy、K_xz、K_yz为加速度计三轴的安装误差；a_x、a_y、a_z为加速度计的实际感测输入值；B_x、B_y、B_z为加速度计的三轴零偏；n_x、n_y、n_z为加速度计三轴的随机噪声误差。