慣性導航：我們需要另一個標準嗎？

EMCORE 公司的特邀專欄作家謝爾蓋·佐托夫（Sergey Zotov）介紹了慣性等級分類中的不一致之處，以及為什么是時候對術語進行標準化了。

隨著慣性導航的蓬勃發(fā)展，慣性傳感器及其性能等級的多樣性得到了擴大。雖然存在一個全面的標準術語框架，包括軍用和民用指南（例如，IEEE 慣性傳感器術語標準），但它們在整個行業(yè)的采用和應用仍然不一致。這種不一致帶來了兩個主要挑戰(zhàn)：

此外，該行業(yè)最近見證了一個令人擔憂的趨勢：對戰(zhàn)術、高端戰(zhàn)術、導航和戰(zhàn)略等等級的基本術語的誤解，而誤解甚至往往被完全忽視。

鑒于這些持續(xù)的趨勢，很明顯，雖然現(xiàn)有標準發(fā)揮著根本性的作用，但需要一個更強大且普遍采用的頂級術語標準，清楚地記錄 INS/IMU 和慣性傳感器的戰(zhàn)術/導航/戰(zhàn)略等級。本標準不應存在有雙重解釋。

慣性系統(tǒng)的核心功能包括慣性測量單元（IMU）和慣性導航系統(tǒng) （INS），是為導航問題提供獨立的解決方案。這涉及根據(jù)移動物體先前確定的位置和 INS 的輸出來計算移動物體的當前位置（速度）和姿態(tài)。這些系統(tǒng)自主解決導航問題的精度決定了它們的等級。定義慣性傳感器類的任何其他方法都可能導致混淆。因此，IMU 和 INS 以及相關的慣性傳感器分為四個不同的等級類別：航海、導航、戰(zhàn)術和汽車。

通過遵循這個基于導航精度的分類系統(tǒng)，我們可以更準確地評估各種 IMU 和 INS 的能力和局限性。這種方法簡化了為特定導航需求選擇正確系統(tǒng)的過程，并確保分類與這些系統(tǒng)的核心功能直接相關。因此，在確定慣性傳感器的類別時，直接和主要標準應該是它在自主導航系統(tǒng)中提供的精度水平。這種原始分類作為主要來源，為理解和分類慣性傳感器提供了一個清晰明確的框架。

在過去十年中，將慣性傳感器與校正器（如 LiDAR 和視覺里程計）結合使用的趨勢很明顯，但不包括 GPS 等確定絕對坐標的校正器。將 IMU 與非慣性傳感器融合可以校準大多數(shù)（但不是全部）傳感器誤差。例如，在理想情況下，慣性傳感器偏置可以校準到偏置不穩(wěn)定性的水平，而 INS 姿態(tài)和位置誤差可以通過角度隨機游走 （ARW）、速度隨機游走 （VRW） 和偏置不穩(wěn)定性的水平來確定。

因此，這種方法可以將汽車級 IMU 的導航解決方案提升到戰(zhàn)術級精度，或將戰(zhàn)術級 IMU 提升到導航級精度。IMU 與非慣性校正器融合時達到的最終精度主要取決于校正器和估計濾波器的質量（這不是本文討論的重點），但也取決于慣性傳感器本身的某些參數(shù)。

在這種情況下，建立新術語是有意義的。如果傳感器的參數(shù)（如 ARW、偏置不穩(wěn)定性、VRW）在與非慣性校正器（不包括 GPS）融合時啟用慣性系統(tǒng)以達到一定水平的性能，那么我們可以將傳感器稱為具有“運行中 [特定等級]”的質量。例如，如果汽車級 IMU 與非慣性傳感器結合使用時，在 10 分鐘后達到 1 海里的精度，則該 IMU 可以稱為“運行中戰(zhàn)術級 IMU”。這種分類認可了傳感器融合帶來的增強功能，從而提供了傳感器在實際應用中性能的更細致入微的視圖。

本文不介紹新信息，因為討論的所有細節(jié)都是公認的，并且在許多公共領域中很容易獲得。本文的主要目標有三個。首先，它鼓勵讀者參與現(xiàn)有的慣性導航標準，突出它們在慣性傳感器技術領域的重要性。其次，本文提請注意這樣一個事實，即有時這些標準沒有得到正確的解釋，從而導致應用和理解的不一致。最后，本文旨在發(fā)起一場關于定義傳感器等級的新標準的必要性的對話。通過提出這個問題，作者試圖在行業(yè)內引發(fā)深思熟慮的思考和討論，以完善和增強指導我們理解和使用慣性傳感器的標準。