用于国防 UAV 的惯性导航

我们的解决方案非常适合与各种类型的国防无人机集成，针对不同的作战需求提供多功能性和适应性。我们的运动和导航传感器为您的系统带来战术感知，同时在 SWaP-C 上不妥协！它们特别适合集成商使用。

对于依赖 GNSS 的无人机，我们的双天线 GNSS 接收机可提供出色的精度。这有利于地面导航，并有助于在空中和地面导航之间进行过渡。此外，所有传感器都支持各种通信协议，如 RS-232、CAN 和以太网，从而可以与无人机系统无缝集成。

最后，还可以集成外部定位解决方案，例如 DVL 或其他导航辅助设备，以提供精确的横摇、纵倾、航向和高度数据。这增强了在 GNSS 信号可能较弱或不可用的环境中的导航。

在 SBG Systems，确保我们的惯性测量单元（IMU）达到最高质量标准需要经过一个细致的过程。我们从优化选择高端 MEMS 元件开始，专注于符合我们严格质量要求的可靠加速度计和陀螺仪。我们的 IMU 采用坚固的外壳，旨在承受振动和各种环境条件，从而保证耐用性和性能。

我们的自动化标定过程包含一个双轴转台，并涵盖 -40°C 至 85°C 的温度范围。这种标定可补偿加速度计和陀螺仪中的各种因素，包括零偏、交轴效应、不对准、比例因子和非线性，从而确保在所有天气条件下的性能一致性。

我们的资质认证过程还包括严格的内部筛选，以确保只有符合我们规格的传感器才能进入生产环节。每个 IMU 都附带详细的校准报告，并享有两年质保。这种严谨的方法确保了长期的卓越品质、可靠性和一致的性能，为国防及其他关键应用提供优质的 IMU。

我们还会进行严格的环境和耐久性测试，以确保产品的可靠性。我们的部分传感器符合多项 MIL-STD 标准，确保能够抵御冲击、振动和极端条件。

控制无人机操作中的输出延迟对于确保响应性能、精确导航和有效通信至关重要，尤其是在国防或任务关键型应用中。

输出延迟是实时控制应用中的一个重要方面，较高的输出延迟可能会降低控制回路的性能。我们的 INS 嵌入式软件经过专门设计，可将输出延迟降至最低：一旦对传感器数据进行采样，扩展卡尔曼滤波 (EKF) 就会在生成输出之前执行小型且耗时恒定的计算。通常，观察到的输出延迟小于一毫秒。

如果要获得总延迟，则应将处理延迟加上数据传输延迟。此传输延迟因接口而异。例如，在 115200 bps 的 UART 接口上发送一条 50 字节的消息将需要 4 毫秒才能完全传输。请考虑更高的波特率以最小化输出延迟。

PNT 代表定位、导航和授时（Positioning, Navigation, and Timing），这是支持任何现代导航或协调系统的三大基石，无论是航空航天、国防、海事、自动驾驶车辆还是关键基础设施。

以下是一个清晰的细分：

1. 定位

这回答了以下问题：“我在哪里？”
它提供精确的地理坐标（纬度、经度、高度）。通常来自 GNSS（GPS、Galileo、GLONASS、BeiDou），在 GNSS 不可用时则由 INS 提供。

对跟踪、制导、测绘和态势感知至关重要。

2. 导航

这回答了：“我如何从 A 点移动到 B 点？”
它涉及确定方向、速度和轨迹，以安全高效地到达目的地。包括速度、航向和姿态（横摇、纵倾、偏航）。

通常通过使用 IMU/INS、传感器融合算法、里程计或基于 GNSS 的导航来实现。

3. 定时

这回答了：“现在到底是几点？”
准确、同步的时间对于系统和信号的协调至关重要。高精度授时是通信网络、军事系统、电网以及 GNSS 本身的基础。

即使是微秒级的误差也可能导致通信、数据链或地理定位失败。

为什么 PNT 很重要？

PNT 是每个现代自主系统或制导系统的核心——无论是导弹、无人机、车辆、USV、AUV 还是蜂窝网络。当 GNSS 性能下降或被干扰时，惯性系统（IMU/INS）就成为了具备强抗干扰能力的 PNT 的骨干。

惯性测量单元 (IMU)是复杂的设备，用于测量和报告物体的比力、角速度以及有时磁场方向。IMU 是各种应用中的关键组件，包括导航、机器人技术和运动追踪。以下是对其核心特征和功能的详细介绍：

• 加速度计： 测量沿一个或多个轴的线性加速度。它们提供关于物体加速或减速速度的数据，并能够检测运动或位置的变化。
• 陀螺仪：测量角速度，即绕特定轴的旋转速率。陀螺仪有助于确定姿态变化，使设备能够保持其相对于参考系的位置。
• 磁力计（可选）：一些 IMU 包含磁力计，用于测量磁场的强度和方向。这些数据可以帮助确定设备相对于地球磁场的姿态，从而增强导航精度。

IMU 提供有关物体运动的连续数据，从而能够实时跟踪其位置和方向。此信息对于无人机、车辆和机器人等应用至关重要。

在相机云台或无人机（UAV）等应用中，IMU通过补偿不必要的运动或振动来帮助稳定运动，从而实现更平稳的操作。

航空领域的推算定位是一种传统的导航方法，它通过使用测量或假设的参数（如航向、空速、时间以及诸如风等环境因素）将飞机的最后一个已知位置向前投影来估计当前位置。

推算定位不依赖外部参考（例如无线电信标、GNSS 卫星或视觉地标），而是利用飞机自身的运动信息来计算相对于出发点而言其现在应该在什么位置。飞行员或机载导航系统从一个已知的定位点开始，然后在给定的时间间隔内应用飞机的真航向和真空速来计算新的估计位置。

然而，由于飞机在受风影响的气团中移动，因此计算必须包含风向和风速；否则，计算出的轨迹将偏离实际飞行路径。

在现代航空中，惯性导航系统通过使用加速度计和陀螺仪测量线性加速度和旋转速率，并持续积分这些测量值来估计速度、姿态和位置，从而增强了推算导航能力。尽管这种惯性推算导航显著提高了对外部信号的独立性，但由于传感器偏差和噪声，它仍然会随着时间积累误差。因此，基于INS的推算导航通常与 GNSS 或其他辅助源结合使用，以限制漂移并保持长期精度。

尽管存在这些局限性，但在 GNSS 中断、无线电静默任务或在外部参考不可靠或被干扰的环境中执行操作时，推算定位对于确保导航的连续性仍然至关重要。

用于自主无人机和国防领域的惯性导航系统

当 GNSS 信号不可用、退化或受到干扰时，自主无人机和国防平台必须保持稳定的导航。在这种情况下，惯性 navigation 系统提供连续的运动和姿态测量，而不完全依赖外部定位信号。

惯性导航系统将陀螺仪和加速度计与导航算法结合起来，以估计姿态、速度和位置。当 GNSS 仍然可用时，传感器融合可以使用它来约束惯性漂移。当 GNSS 不可用时，系统通过惯性测量和推算定位继续导航。

1 – 在 GPS 禁用环境中导航

现代无人机可能会由于信号阻塞、干扰或蓄意压制而遇到无 GNSS 条件。因此，自主平台需要能够在没有持续卫星定位的情况下继续提供运动和姿态信息的导航技术。

INS 测量车辆的角运动和线性加速度。然后，导航处理器对这些测量值进行积分，以估计车辆的姿态、速度和位置。此过程提供了一种不需要外部位置信号的推算定位形式。

对于无人机而言，此功能在 GNSS 不可用时支持持续的飞行控制。当其他导航源不可用时，INS 可以继续向飞控系统提供姿态和运动数据。

这一原理同样适用于在对抗环境中运行的无人系统。惯性导航使自主平台在 GPS 或其他外部信号不可用时仍能维持导航。此外，GNSS 辅助的 INS 架构将惯性测量与外部参考相结合，以限制累积的导航误差。

然而，INS 并不能消除导航漂移。小的传感器误差在积分过程中累积，因此当系统在没有外部校正的情况下运行时，位置不确定性通常会增加。因此，对于需要延长无 GNSS 运行时间的任务，传感器质量变得尤为重要。

这就解释了为什么工程师会根据预期的任务环境来评估惯性传感器的性能。陀螺仪零偏稳定性、加速度计零偏、测量噪声、更新率、振动、温度和机械集成都会影响导航性能。

2 – 为自主任务选择导航传感器

选择惯性传感器始于任务需求，而不仅仅是传感器类别。自主无人机、制导系统和其他平台对精度、SWaP（尺寸、重量和功耗）、动态性能、抗振性以及 GNSS 集成有着截然不同的要求。

IMU 提供来自陀螺仪和加速度计的基础惯性测量。AHRS 处理这些测量以提供姿态信息。INS 将惯性测量与导航处理结合起来，并根据架构辅以 GNSS 等外部辅助。

传感器等级还会影响导航误差在 GNSS 中断期间累积的速度。高性能惯性传感器通常提供较低的偏置不稳定性 and 测量噪声。然而，工程师必须在这些特性与尺寸、重量、功耗、成本和集成要求之间取得平衡。

我们的 MEMS IMU 是制导、导航和平台稳定应用（包括制导火箭、滑翔炸弹和弹丸）的理想选择。

集成同样至关重要。传感器必须以合适的速率提供数据，并与平台的飞控计算机、导航软件以及其他传感器进行有效通信。机械安装也会影响性能，因为振动和结构动力年会引入额外的测量误差。

因此，对于自主无人机任务，工程师应评估：

• 用于保障长期惯性性能的陀螺仪零偏稳定性。
• 用于速度和位置估计的加速度计性能。
• 用于保障短期导航稳定性的测量噪声。
• 用于高响应控制回路的更新率和延迟。
• 用于高动态机体结构的抗振性能。
• 整个工作范围内的温度性能。
• 用于集成到可用平台空间的 SWaP。
• 当卫星辅助可用时的 GNSS 集成。
• 用于与车辆架构集成的接口和软件。

当任务要求在 GNSS 信号中断期间保持导航连续性时，传感器级别的区分就显得尤为重要。紧凑型 MEMS 系统可满足对 SWaP（尺寸、重量和功耗）受限平台的需求，而性能更高的高等级战术系统则能为要求严苛的应用提供更出色的惯性稳定性。

3 – 适用于 BVLOS 和 ISR 作战的高精度 INS

超视距 (BVLOS) 以及情报、监视与侦察 (ISR) 任务对导航系统提出了更高要求。这些平台可在广阔区域内运行，并且在长时间的飞行作业中可能需要稳定的姿态和导航数据。

INS 必须支持飞机的飞行控制架构，同时为有效载荷和任务系统提供持续的导航信息。这一要求使传感器集成成为整个导航架构的重要组成部分。

战术级 INS 可以将高性能惯性传感器与 GNSS 辅助和嵌入式导航算法相结合。当 GNSS 可用时，导航滤波器可以利用卫星测量值来约束惯性漂移。在 GNSS 中断期间，系统可以继续使用惯性测量值，直到外部辅助再次可用。

所需的传感器等级取决于任务持续时间、平台动态、预期中断时间和可接受的导航误差。因此，工程师在选择 IMU 或 INS 之前应先定义这些参数。

SBG Systems 致力于开发惯性导航传感器，以满足需要精确姿态、运动和导航数据的应用。其产品范围包括面向自主运行和严苛平台的 IMU、AHRS/MRU 以及 GNSS 辅助的 INS 解决方案。

对于自主无人机和国防应用，目标不仅仅是选择规格高的惯性传感器。相反，工程师必须将传感器的性能、集成和环境特性与完整的导航架构相匹配。

其结果是围绕任务的实际限制（包括 GNSS 可用性、动态、振动、SWaP 以及所需的导航精度）设计导航系统。

核心要点

1. 当 GNSS 不可用时，INS 可提供连续的运动和姿态测量。
2. 推算定位使自主平台能够在 GNSS 中断期间继续导航。
3. 惯性误差会随时间累积，这使得传感器性能在长时间中断期间至关重要。
4. 陀螺仪零偏稳定性和测量噪声对惯性导航性能有很大影响。
5. 传感器集成、振动、温度、SWaP 和接口也会影响系统级性能。
6. 当任务需求超出传统导航传感器的能力时，战术级 INS 可以支持严苛的自主应用。