慣性導航：不依賴外部信號的自主導航

• 陳博 2023年10月27日 來源：中研網(wǎng) 457 23
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GNSS+IMU 是常見的組合導航方案，兩者互補，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)星信號良好時可提供厘米級定位，但在地下車庫等衛(wèi)星 信號微弱的場景下，其定位精度會大幅下降。IMU 即使在復雜工作環(huán)境中或極限運動狀態(tài) 下也可進行準確定位

中國車載導航從2003年開始起步，市場發(fā)展迅速。一方面，隨著消費屬性的變化，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，中國均遙遙領先;另一方面伴隨著交通設施和路途環(huán)境的變化，全國路網(wǎng)路況日益復雜，尤其是城市交通嚴重擁堵，導航產(chǎn)品已經(jīng)成為人們出行必不可少的功能服務。除了最基本的導航服務，車載導航系統(tǒng)還能提供娛樂等日漸豐富的增值服務，人們對汽車導航產(chǎn)品的依賴與日俱增。

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

前裝車載導航企業(yè)的目標客戶是汽車生產(chǎn)商(或者進入整車供應體系的零部件企業(yè))。一般而言，車載導航企業(yè)需要與汽車生產(chǎn)商達成協(xié)議成為其采購對象。在生產(chǎn)商進行新車研發(fā)的時候，車載導航企業(yè)也隨之一起進入其研發(fā)周期。在新車生產(chǎn)的過程中，車載導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。

后裝車載導航企業(yè)的目標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，后裝車載導航企業(yè)根據(jù)新車進行導航產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)，通過汽車銷售公司、經(jīng)銷商等將車載導航產(chǎn)品銷售給終端客戶并最終實施安裝和服務。目前，以路暢、好幫手、華陽、索菱、飛歌等為代表的大型導航生產(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，以優(yōu)秀的產(chǎn)品質(zhì)量和服務占據(jù)了國內(nèi)的主要的市場份額。

車載導航是衛(wèi)星導航最重要的應用之一，我國政府高度重視衛(wèi)星導航應用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將其作為促進產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化升級的重要途徑和手段，推出了系列產(chǎn)業(yè)政策鼓勵車載導航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

慣性導航系統(tǒng)可實現(xiàn)自主導航定位，不依賴外界信號。慣性導航(Inertial Navigation System，簡稱 INS)是以牛頓力學定律為基礎，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，結合給定的初始運動條件，與全球?qū)Ш?衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)等系統(tǒng)進行信息融合，從而實時推算速度、位置、姿態(tài)等參數(shù)的導航 設備，可以輸出完備六自由度數(shù)據(jù)?；谠摷夹g的慣性導航系統(tǒng)可裝備于運載體(如飛機、 船舶、汽車、無人機等)并用于實現(xiàn)導航定位，該方法不向外部輻射能量、不依賴于外界 信號，因而具備強自主性。

GNSS+IMU 是常見的組合導航方案，兩者互補，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)星信號良好時可提供厘米級定位，但在地下車庫等衛(wèi)星 信號微弱的場景下，其定位精度會大幅下降。IMU 即使在復雜工作環(huán)境中或極限運動狀態(tài) 下也可進行準確定位，但其存在誤差累計問題。此外，GNSS 更新頻率低(僅 10Hz，其 延遲達 100ms)，不足以支撐實時位置更新，IMU 的更新頻率>100Hz(其延時<10ms)， 可彌補 GNSS 的實時性缺陷。因此，通過 IMU 與 GNSS 的組合，可達到優(yōu)勢互補的效果， 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和陀螺儀。從組成上來看，IMU 通常由慣性傳感器加速 度計、陀螺儀以及其他部件(磁力計、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，分別測量三個自由度的角加速度和線加速度。陀螺儀用以獲 取運動體的角速度并測量其角度變化，加速度計用以獲取運動體的線性加速度并測量其速度變化，慣性導航解算軟件通過積分運算、姿態(tài)矩陣計算等方法計算出地理坐標系下運載 體的速度、位置和姿態(tài)。

慣性導航技術起初軍用為主，目前民用領域快速發(fā)展。慣性導航技術起源于二戰(zhàn)期間， 德國以慣性技術為基礎成功研制了 V-Ⅱ火箭的制導系統(tǒng)。隨著慣性導航技術的普及，其逐漸應用于導彈、飛機、衛(wèi)星、潛水艇、太空實驗平臺等工作環(huán)境復雜、數(shù)據(jù)要求全面的運 載體之上。慣性技術可以實現(xiàn)對運動體高動態(tài)、全方位的測量，并在測量結果基礎上實現(xiàn) 對運動體的有效控制，進一步應用于工業(yè)控制、測量、消費電子、石油、交通、通信、消 費電子等多個行業(yè)。

目前慣性導航在車載領域的產(chǎn)品形態(tài)主要以 P-Box(定位盒子)為主。其主要電氣架 構包括 IMU 模塊、電源、衛(wèi)星接收機、收發(fā)器、天線等。IMU 通常與 GNSS 協(xié)同，同時 采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術，實時提供高精度的載體位置、姿態(tài)、速度和傳感器等信息， 以實現(xiàn)城市峽谷、隧道橋梁、地下車庫等衛(wèi)星信號質(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，慣性導航上游主要為各類元器件，如陀螺儀、加速度計等傳感器，中游主要為 INS 模塊生產(chǎn)企業(yè)及慣性組合導航系統(tǒng)集成商，下游主要為軍工領域(航天、導彈)和民用領域(自動駕駛、無人機)。

MEMS 陀螺儀有望成為車載領域的主流路線。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，加速度計主要為 MEMS 加速度計和石英撓性加速度計。激光陀螺儀具有高精度、高可靠性等特點，主要應用于武器裝備等軍用領域;光纖陀螺儀同樣具有較高的精度及較高的可靠性，同樣以軍用領域應用為主;而 MEMS 陀螺儀由于體積小、成本適中、性價比高、能滿足車規(guī)級需求等特點，在智能汽車、民用 導航、控制領域及消費類市場更易得到普及和應用，是慣性導航民用領域應用最為廣泛的 陀螺儀。

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