慣性導(dǎo)航：不依賴外部信號(hào)的自主導(dǎo)航

• 陳博 2023年10月27日 來源：中研網(wǎng) 457 23
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GNSS+IMU 是常見的組合導(dǎo)航方案，兩者互補(bǔ)，滿足定位精度和穩(wěn)定性的要求。 GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）在衛(wèi)星信號(hào)良好時(shí)可提供厘米級(jí)定位，但在地下車庫等衛(wèi)星 信號(hào)微弱的場景下，其定位精度會(huì)大幅下降。IMU 即使在復(fù)雜工作環(huán)境中或極限運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 下也可進(jìn)行準(zhǔn)確定位

中國車載導(dǎo)航從2003年開始起步，市場發(fā)展迅速。一方面，隨著消費(fèi)屬性的變化，我國汽車已經(jīng)從奢侈品、高檔商品，逐漸演變成為普通的代步工具、交通工具。和世界其他國家相比，無論是汽車銷售量絕對值還是增長速度，中國均遙遙領(lǐng)先;另一方面伴隨著交通設(shè)施和路途環(huán)境的變化，全國路網(wǎng)路況日益復(fù)雜，尤其是城市交通嚴(yán)重?fù)矶?，?dǎo)航產(chǎn)品已經(jīng)成為人們出行必不可少的功能服務(wù)。除了最基本的導(dǎo)航服務(wù)，車載導(dǎo)航系統(tǒng)還能提供娛樂等日漸豐富的增值服務(wù)，人們對汽車導(dǎo)航產(chǎn)品的依賴與日俱增。

車載導(dǎo)航的上游比較簡單，一般的電子元器件、軟件等供應(yīng)商比較多，沒有議價(jià)權(quán)。芯片、地圖等上游要素的供應(yīng)商較少，有一定的議價(jià)權(quán)。按照下游不同，車載導(dǎo)航市場可以分為前裝市場和后裝市場。前裝導(dǎo)航產(chǎn)品是指汽車出廠以前安裝在整車上的導(dǎo)航產(chǎn)品，是原廠車本身的組成部分;后裝導(dǎo)航產(chǎn)品是指汽車出廠以后，按照用戶要求安裝在整車上的車載導(dǎo)航產(chǎn)品。

前裝車載導(dǎo)航企業(yè)的目標(biāo)客戶是汽車生產(chǎn)商(或者進(jìn)入整車供應(yīng)體系的零部件企業(yè))。一般而言，車載導(dǎo)航企業(yè)需要與汽車生產(chǎn)商達(dá)成協(xié)議成為其采購對象。在生產(chǎn)商進(jìn)行新車研發(fā)的時(shí)候，車載導(dǎo)航企業(yè)也隨之一起進(jìn)入其研發(fā)周期。在新車生產(chǎn)的過程中，車載導(dǎo)航信息終端直接被汽車生產(chǎn)商采購，并在汽車生產(chǎn)過程中進(jìn)行配臵，與整車一起銷售給終端客戶。由于全球大型的汽車品牌集中在美國、日本和歐洲，因此，全球主要的前裝車載導(dǎo)航生產(chǎn)廠商也集中在美國、日本和歐洲，主要以博世、電裝、愛信、先鋒、阿爾派等外資廠商為主。

后裝車載導(dǎo)航企業(yè)的目標(biāo)客戶有汽車銷售公司、經(jīng)銷商4S店、零售店、汽車改裝店等。在汽車生產(chǎn)商的新車上市后，后裝車載導(dǎo)航企業(yè)根據(jù)新車進(jìn)行導(dǎo)航產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)，通過汽車銷售公司、經(jīng)銷商等將車載導(dǎo)航產(chǎn)品銷售給終端客戶并最終實(shí)施安裝和服務(wù)。目前，以路暢、好幫手、華陽、索菱、飛歌等為代表的大型導(dǎo)航生產(chǎn)廠家，具備較高的自主研發(fā)能力、生產(chǎn)能力和檢測技術(shù)，以優(yōu)秀的產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)占據(jù)了國內(nèi)的主要的市場份額。

車載導(dǎo)航是衛(wèi)星導(dǎo)航最重要的應(yīng)用之一，我國政府高度重視衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將其作為促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)的重要途徑和手段，推出了系列產(chǎn)業(yè)政策鼓勵(lì)車載導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航定位，不依賴外界信號(hào)。慣性導(dǎo)航(Inertial Navigation System，簡稱 INS)是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，利用慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，簡稱 IMU)測量載體的比力及角速度信息，結(jié)合給定的初始運(yùn)動(dòng)條件，與全球?qū)Ш?衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)等系統(tǒng)進(jìn)行信息融合，從而實(shí)時(shí)推算速度、位置、姿態(tài)等參數(shù)的導(dǎo)航 設(shè)備，可以輸出完備六自由度數(shù)據(jù)。基于該技術(shù)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可裝備于運(yùn)載體(如飛機(jī)、 船舶、汽車、無人機(jī)等)并用于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位，該方法不向外部輻射能量、不依賴于外界 信號(hào)，因而具備強(qiáng)自主性。

GNSS+IMU 是常見的組合導(dǎo)航方案，兩者互補(bǔ)，滿足定位精度和穩(wěn)定性的要求。 GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))在衛(wèi)星信號(hào)良好時(shí)可提供厘米級(jí)定位，但在地下車庫等衛(wèi)星 信號(hào)微弱的場景下，其定位精度會(huì)大幅下降。IMU 即使在復(fù)雜工作環(huán)境中或極限運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 下也可進(jìn)行準(zhǔn)確定位，但其存在誤差累計(jì)問題。此外，GNSS 更新頻率低(僅 10Hz，其 延遲達(dá) 100ms)，不足以支撐實(shí)時(shí)位置更新，IMU 的更新頻率>100Hz(其延時(shí)<10ms)， 可彌補(bǔ) GNSS 的實(shí)時(shí)性缺陷。因此，通過 IMU 與 GNSS 的組合，可達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)的效果， 大幅提升定位系統(tǒng)的精確度。

IMU 的核心零部件為加速度計(jì)和陀螺儀。從組成上來看，IMU 通常由慣性傳感器加速 度計(jì)、陀螺儀以及其他部件(磁力計(jì)、壓力傳感器等)組成。通常情況下，每套 IMU 裝置 包含 3 組陀螺儀和加速度計(jì)，分別測量三個(gè)自由度的角加速度和線加速度。陀螺儀用以獲 取運(yùn)動(dòng)體的角速度并測量其角度變化，加速度計(jì)用以獲取運(yùn)動(dòng)體的線性加速度并測量其速度變化，慣性導(dǎo)航解算軟件通過積分運(yùn)算、姿態(tài)矩陣計(jì)算等方法計(jì)算出地理坐標(biāo)系下運(yùn)載 體的速度、位置和姿態(tài)。

慣性導(dǎo)航技術(shù)起初軍用為主，目前民用領(lǐng)域快速發(fā)展。慣性導(dǎo)航技術(shù)起源于二戰(zhàn)期間， 德國以慣性技術(shù)為基礎(chǔ)成功研制了 V-Ⅱ火箭的制導(dǎo)系統(tǒng)。隨著慣性導(dǎo)航技術(shù)的普及，其逐漸應(yīng)用于導(dǎo)彈、飛機(jī)、衛(wèi)星、潛水艇、太空實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等工作環(huán)境復(fù)雜、數(shù)據(jù)要求全面的運(yùn) 載體之上。慣性技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)體高動(dòng)態(tài)、全方位的測量，并在測量結(jié)果基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn) 對運(yùn)動(dòng)體的有效控制，進(jìn)一步應(yīng)用于工業(yè)控制、測量、消費(fèi)電子、石油、交通、通信、消 費(fèi)電子等多個(gè)行業(yè)。

目前慣性導(dǎo)航在車載領(lǐng)域的產(chǎn)品形態(tài)主要以 P-Box(定位盒子)為主。其主要電氣架 構(gòu)包括 IMU 模塊、電源、衛(wèi)星接收機(jī)、收發(fā)器、天線等。IMU 通常與 GNSS 協(xié)同，同時(shí) 采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)時(shí)提供高精度的載體位置、姿態(tài)、速度和傳感器等信息， 以實(shí)現(xiàn)城市峽谷、隧道橋梁、地下車庫等衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量較差環(huán)境下的持續(xù)高精度定位。

產(chǎn)業(yè)鏈角度看，慣性導(dǎo)航上游主要為各類元器件，如陀螺儀、加速度計(jì)等傳感器，中游主要為 INS 模塊生產(chǎn)企業(yè)及慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)集成商，下游主要為軍工領(lǐng)域(航天、導(dǎo)彈)和民用領(lǐng)域(自動(dòng)駕駛、無人機(jī))。

MEMS 陀螺儀有望成為車載領(lǐng)域的主流路線。器件層上，陀螺儀可分為激光陀螺儀、 光纖陀螺儀、MEMS 陀螺儀及半球諧振陀螺儀，加速度計(jì)主要為 MEMS 加速度計(jì)和石英撓性加速度計(jì)。激光陀螺儀具有高精度、高可靠性等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于武器裝備等軍用領(lǐng)域;光纖陀螺儀同樣具有較高的精度及較高的可靠性，同樣以軍用領(lǐng)域應(yīng)用為主;而 MEMS 陀螺儀由于體積小、成本適中、性價(jià)比高、能滿足車規(guī)級(jí)需求等特點(diǎn)，在智能汽車、民用 導(dǎo)航、控制領(lǐng)域及消費(fèi)類市場更易得到普及和應(yīng)用，是慣性導(dǎo)航民用領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的 陀螺儀。

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