惯性导航：不依赖外部信号的自主导航

• 陈博 2023年10月27日 来源：中研网 457 23
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GNSS+IMU 是常见的组合导航方案，两者互补，满足定位精度和稳定性的要求。 GNSS（全球导航卫星系统）在卫星信号良好时可提供厘米级定位，但在地下车库等卫星 信号微弱的场景下，其定位精度会大幅下降。IMU 即使在复杂工作环境中或极限运动状态 下也可进行准确定位

中国车载导航从2003年开始起步，市场发展迅速。一方面，随着消费属性的变化，我国汽车已经从奢侈品、高档商品，逐渐演变成为普通的代步工具、交通工具。和世界其他国家相比，无论是汽车销售量绝对值还是增长速度，中国均遥遥领先;另一方面伴随着交通设施和路途环境的变化，全国路网路况日益复杂，尤其是城市交通严重拥堵，导航产品已经成为人们出行必不可少的功能服务。除了最基本的导航服务，车载导航系统还能提供娱乐等日渐丰富的增值服务，人们对汽车导航产品的依赖与日俱增。

车载导航的上游比较简单，一般的电子元器件、软件等供应商比较多，没有议价权。芯片、地图等上游要素的供应商较少，有一定的议价权。按照下游不同，车载导航市场可以分为前装市场和后装市场。前装导航产品是指汽车出厂以前安装在整车上的导航产品，是原厂车本身的组成部分;后装导航产品是指汽车出厂以后，按照用户要求安装在整车上的车载导航产品。

前装车载导航企业的目标客户是汽车生产商(或者进入整车供应体系的零部件企业)。一般而言，车载导航企业需要与汽车生产商达成协议成为其采购对象。在生产商进行新车研发的时候，车载导航企业也随之一起进入其研发周期。在新车生产的过程中，车载导航信息终端直接被汽车生产商采购，并在汽车生产过程中进行配臵，与整车一起销售给终端客户。由于全球大型的汽车品牌集中在美国、日本和欧洲，因此，全球主要的前装车载导航生产厂商也集中在美国、日本和欧洲，主要以博世、电装、爱信、先锋、阿尔派等外资厂商为主。

后装车载导航企业的目标客户有汽车销售公司、经销商4S店、零售店、汽车改装店等。在汽车生产商的新车上市后，后装车载导航企业根据新车进行导航产品的研发和生产，通过汽车销售公司、经销商等将车载导航产品销售给终端客户并最终实施安装和服务。目前，以路畅、好帮手、华阳、索菱、飞歌等为代表的大型导航生产厂家，具备较高的自主研发能力、生产能力和检测技术，以优秀的产品质量和服务占据了国内的主要的市场份额。

车载导航是卫星导航最重要的应用之一，我国政府高度重视卫星导航应用产业的发展，将其作为促进产业结构优化升级的重要途径和手段，推出了系列产业政策鼓励车载导航产业的发展。

惯性导航系统可实现自主导航定位，不依赖外界信号。惯性导航(Inertial Navigation System，简称 INS)是以牛顿力学定律为基础，利用惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，简称 IMU)测量载体的比力及角速度信息，结合给定的初始运动条件，与全球导航 卫星系统(GNSS)等系统进行信息融合，从而实时推算速度、位置、姿态等参数的导航 设备，可以输出完备六自由度数据。基于该技术的惯性导航系统可装备于运载体(如飞机、 船舶、汽车、无人机等)并用于实现导航定位，该方法不向外部辐射能量、不依赖于外界 信号，因而具备强自主性。

GNSS+IMU 是常见的组合导航方案，两者互补，满足定位精度和稳定性的要求。 GNSS(全球导航卫星系统)在卫星信号良好时可提供厘米级定位，但在地下车库等卫星 信号微弱的场景下，其定位精度会大幅下降。IMU 即使在复杂工作环境中或极限运动状态 下也可进行准确定位，但其存在误差累计问题。此外，GNSS 更新频率低(仅 10Hz，其 延迟达 100ms)，不足以支撑实时位置更新，IMU 的更新频率>100Hz(其延时<10ms)， 可弥补 GNSS 的实时性缺陷。因此，通过 IMU 与 GNSS 的组合，可达到优势互补的效果， 大幅提升定位系统的精确度。

IMU 的核心零部件为加速度计和陀螺仪。从组成上来看，IMU 通常由惯性传感器加速 度计、陀螺仪以及其他部件(磁力计、压力传感器等)组成。通常情况下，每套 IMU 装置 包含 3 组陀螺仪和加速度计，分别测量三个自由度的角加速度和线加速度。陀螺仪用以获 取运动体的角速度并测量其角度变化，加速度计用以获取运动体的线性加速度并测量其速度变化，惯性导航解算软件通过积分运算、姿态矩阵计算等方法计算出地理坐标系下运载 体的速度、位置和姿态。

惯性导航技术起初军用为主，目前民用领域快速发展。惯性导航技术起源于二战期间， 德国以惯性技术为基础成功研制了 V-Ⅱ火箭的制导系统。随着惯性导航技术的普及，其逐渐应用于导弹、飞机、卫星、潜水艇、太空实验平台等工作环境复杂、数据要求全面的运 载体之上。惯性技术可以实现对运动体高动态、全方位的测量，并在测量结果基础上实现 对运动体的有效控制，进一步应用于工业控制、测量、消费电子、石油、交通、通信、消 费电子等多个行业。

目前惯性导航在车载领域的产品形态主要以 P-Box(定位盒子)为主。其主要电气架 构包括 IMU 模块、电源、卫星接收机、收发器、天线等。IMU 通常与 GNSS 协同，同时 采用多传感器数据融合技术，实时提供高精度的载体位置、姿态、速度和传感器等信息， 以实现城市峡谷、隧道桥梁、地下车库等卫星信号质量较差环境下的持续高精度定位。

产业链角度看，惯性导航上游主要为各类元器件，如陀螺仪、加速度计等传感器，中游主要为 INS 模块生产企业及惯性组合导航系统集成商，下游主要为军工领域(航天、导弹)和民用领域(自动驾驶、无人机)。

MEMS 陀螺仪有望成为车载领域的主流路线。器件层上，陀螺仪可分为激光陀螺仪、 光纤陀螺仪、MEMS 陀螺仪及半球谐振陀螺仪，加速度计主要为 MEMS 加速度计和石英挠性加速度计。激光陀螺仪具有高精度、高可靠性等特点，主要应用于武器装备等军用领域;光纤陀螺仪同样具有较高的精度及较高的可靠性，同样以军用领域应用为主;而 MEMS 陀螺仪由于体积小、成本适中、性价比高、能满足车规级需求等特点，在智能汽车、民用 导航、控制领域及消费类市场更易得到普及和应用，是惯性导航民用领域应用最为广泛的 陀螺仪。

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