3. 惯性传感器基础

惯性导航系统的“心脏”是惯性传感器。它不依赖外部信号，仅通过感知载体自身的运动来推算位置、速度和姿态。理解加速度计与陀螺仪的基本原理、分类、性能参数与选型依据，是设计惯导系统的第一步。

3.1 加速度计：测量比力

加速度计测量的是“比力”，即单位质量所受的非引力合力。在惯性系中，比力 f 与加速度 a 和引力加速度 g 的关系为：f = a − g。静止时，加速度计输出为 +1g（沿重力反方向），这正是它无法区分重力与加速度的原因，也是惯导解算中必须扣除重力影响的原因。

常见加速度计按敏感原理分为：

• 电容式MEMS加速度计：质量块受比力位移，改变差分电容，经调制解调输出。体积小、成本低，零偏约 1~10 mg，适合中低精度飞行器。
• 石英挠性加速度计：石英摆片受静电力反馈平衡，输出电流与比力成正比。零偏约 10~100 μg，用于战术级惯导。
• 摆式积分陀螺加速度计：利用陀螺进动平衡比力，精度可达 μg 级，用于战略级平台惯导。

关键性能参数包括：零偏（零输入时的输出，单位 mg 或 μg）、标度因数（输出与输入的比值，单位 mA/g 或 V/g）、零偏稳定性（单位时间内的漂移，如 μg/√Hz）、量程（可测最大比力，如 ±10g）、非线性度（满量程内的最大偏差百分比）。选型时，若飞行器机动过载达 5g，量程至少取 10g；若导航精度要求 1 km/h，零偏稳定性需优于 50 μg。

3.2 陀螺仪：测量角速度

陀螺仪测量载体相对惯性空间的角速度。按原理分为：

• MEMS陀螺仪：利用科里奥利力使振动质量块产生正交位移，电容检测输出。零偏约 1~100 °/h，适合短时导航或姿态参考。
• 光纤陀螺（FOG）：Sagnac效应，两束反向光在光纤环中传播，旋转导致相位差。零偏约 0.01~1 °/h，无运动部件，寿命长，广泛用于航空惯导。
• 环形激光陀螺（RLG）：类似Sagnac效应，但用激光谐振腔，零偏约 0.001~0.01 °/h，精度高，但存在闭锁效应，需抖动偏频。
• 动力调谐陀螺（DTG）：高速转子受挠性支承，再平衡回路输出角速度。零偏约 0.01~0.1 °/h，用于平台惯导。

关键参数包括：零偏（零输入时的输出，单位 °/h）、零偏稳定性（如 0.01 °/h）、角度随机游走（ARW，单位 °/√h，反映短期噪声）、标度因数误差（ppm）、量程（如 ±500 °/s）。选型时，若飞行器最大角速率 200 °/s，量程至少 400 °/s；若要求 1 小时姿态误差小于 1°，零偏稳定性需优于 1 °/h。

3.3 敏感器在导航中的核心作用

加速度计与陀螺仪共同构成惯性测量单元（IMU）。陀螺仪提供角速度，积分得姿态；加速度计提供比力，经姿态投影并扣除重力后积分得速度与位置。两者缺一不可：没有陀螺仪，无法确定重力方向，加速度计无法正确扣除重力；没有加速度计，无法感知平移运动。IMU 的精度直接决定惯导系统的导航误差随时间增长的速度。

3.4 选型依据与工程判断

选型不是“越贵越好”，而是匹配任务需求。以下给出一个可操作的选型检查表，以某型中空长航时无人机为例：

若选用 MEMS 加速度计（零偏 5 mg）与 MEMS 陀螺仪（零偏 10 °/h），1 小时位置误差可能超过 50 km，无法满足要求。此时应升级为石英挠性加速度计（零偏 50 μg）与光纤陀螺（零偏 0.1 °/h），或引入 GNSS/气压高度组合导航，用外部观测抑制惯性误差发散。

理解敏感器的核心作用，关键在于建立“测量—误差—传播”的链条意识：陀螺仪零偏导致姿态角随时间线性漂移，姿态误差又使重力投影错误，进而使加速度积分产生二次项位置误差。因此，惯导设计本质上是在传感器精度、成本、体积与导航时长之间寻找平衡点。