GPS導航中慣性導航的應用
今天，北京秀友科技有限公司的高級研發工程師王立勇為大家帶來了一篇《GPS導航中慣性導航的應用》的科普文章，乾貨滿滿，希望能幫到對此感興趣的客戶和朋友。
一、什麼是慣性導航
慣性導航（inertial navigation）是一種通過測量飛行器的加速度，並自動進行積分運算，獲得飛行器瞬時速度和瞬時位置數據的技術。組成慣性導航系統的設備都安裝在運載體內，工作時不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到幹擾，是一種自主式導航系統。
美軍所謂的新一代導航系統，其實質是一種基於現代原子物理最新技術成就的微型慣性導航系統。
慣性導航系統是人類最早發明的導航系統之一。早在1942年德國在V-2火箭上就首先應用了慣性導航技術。而美國國防部高級研究計劃局新一代導航系統主要通過集成在微型晶元上的原子陀螺儀、加速器和原子鐘精確測量載體平臺相對慣性空間的角速率和加速度信息，利用牛頓運動定律自動計算出載體平臺的瞬時速度、位置信息並為載體提供精確的授時服務。
有資料顯示，2003年美國國防部就斥資千萬開始對原子慣性導航技術的研製。該技術一旦研製成功，將會使慣性導航達到前所未有的精度。具體來說，將會比目前最精準的軍用慣性導航的精度還要高出100到1000倍，而這將會對軍用定位、導航領域帶來革命性影響。
由於該導航系統具有體積小、成本低、精度高、不依賴外界信息、不向外界輻射能量、抗幹擾能力極強、隱蔽性好等特點，很有可能成為GPS技術的替代者。
二、慣性導航應用
慣性測量裝置，包括加速度計和陀螺儀，又稱慣性導航組合。前者是測量物體的加速度，後者又被叫做角速度感測器，是測量角速度的。利用這些裝置的參數，計算並導航看起來似乎很簡單，但是由於採樣頻率一般很高（一秒內幾十甚至幾百次），所以累加起來誤差很容易擴大，所以長時間的導航仍然有很大的困難。
但是在一定的前提下，短時間內的使用還是可行的。
日常手機導航中，常常會出現隧道、高架、密林小路、高樓窄道等地段，導航突然不動了，直到車開到開闊地帶，導航中的車點陣圖標才突然跳過去，體驗非常的不好。
在失去位置的時候，導航軟體知道速度、車輛的位置、行駛路線等信息。結合加速度感測器提供的加速度，可以根據二次積分的方式計算出加速度產生的位移，然後根據初始速度計算出速度產生的位移，進而推算出車輛最新的位置。這樣，在沒有GPS的情況下仍然可以繼續導航了。
三、GPS導航
GPS導航，是根據GPS提供的位置信息，以及導航前規劃的線路，指引用戶行駛的一個系統。
我們知道，GPS是通過接收衛星發送的信號計算出自身位置的，當手機等GPS設備上方被遮擋後，GPS設備就無法定位了。
遮擋可能是多種情況，比如車頂、高架橋、房屋、隧道等。這時候可以通過速度、時間、距離的關係，根據最後一次GPS信號計算的速度，來推測可能的位置。
如果在隧道內、高架橋樑下等地段沒有改變車輛的速度，這個方法可能很好的實現導航。但是如果減速了，就會出現地圖上的車位很快的跑到了隧道終點，然後停下來等著。反之，如果加速了，就會出現車位走了一半，然後突然跳出隧道。
要解決這兩種情況，就需要下面的所要介紹的加速度感測器裝置。有了加速度，就能更好的推測當前的速度，從而解決上述問題。
四、加速度感測器
加速度感測器是一種能夠測量加速力，將加速度轉換為電信號的電子設備。它是利用牛頓第二定律A=F/M，通過作用力造成感測器內部敏感部件發生變形，通過測量其變形並用相關電路轉化為電壓輸出，得到相應的加速度信號。
手機加速度計算距離。加速度是一個對象速度的變化速率。速度是一個對象位置的變化速率。
利用積分的概念，上圖(源自網路)中曲線下面的區域，我們能得到一個結論：對一個信號採樣，如果能夠得到該信號大小的瞬時值，就能夠在兩次採樣之間得到一個小的區域。採樣時間相同(區域的寬)相同，再得到了採樣的值(區域高度)，我們可以通過下面的方法計算面積之和。但是能夠看到，存在誤差。
這些誤差我們稱為採樣損失，為了減少這樣的錯誤，我們需要再次積分：區域2是一個三角形，是計算面積的一半。則總和為如下公式。
這樣的錯誤比以前的小很多了。
加速度有正有負，我們的採樣需要有一個標準值做參考，校準值是在沒有移動的情況下測量的加速度值。實際應用中需要考慮的有：
信號存在一定的雜訊，所以必須數字濾波。比如可以採用移動平均演算法，要處理的值是一定數量採樣值的平均結果。
即使過濾過的數據，仍然可能存在錯誤，所以必須實現另外一個濾波器，過濾明顯有問題的數據。
必須要有校驗值。它的計算對整體效果至關重要。
加速度有正有負，不能忽略正負符號。
採樣頻率越快，結果越精確，但是需要考慮耗電、時間、內存方面的限制。
採樣的時間間隔必須相同。
本文作者簡介：我秀中國物聯網地圖服務平臺
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