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你知道載人飛船與空間站是如何實現精準對接的嗎？你知道核潛艇在茫茫的大洋深處是如何知道自己的位置的嗎？你知道飛彈是如何像長了眼睛一樣精確打擊目標的嗎？這一切都是因為慣性技術的存在！老郭今天就和您聊聊慣性導航技術。
一、牛頓帶來的慣性技術
1687年，英國物理學家牛頓在其出版的《自然哲學的數學原理》一書中提出了著名的「力學三大定律」，奠定了經典力學的基礎。
其中，牛頓第一定律就是關於慣性的定律，即任何物體在沒有受到外力，或者外力的合力為零時，物體將保持靜止或者是勻速直線運動。牛頓將物體的這種總是保持自身原來運動狀態的性質稱為「慣性」。
由於任何物體都有慣性，所以就有了慣性力。牛頓第二定理給出了慣性力的計算公式：F=ma，即慣性力等於物體的質量與其加速度的乘，其方向為加速度的方向。
二、從陀螺到慣性導航儀
陀螺是日常生活中最常見的玩具，物理學家們的研究表明，一個旋轉的物體，它的旋轉軸在一個靜止的空間（慣性空間）裡能夠保持方向不變，這就是陀螺的定軸性。物體旋轉的速度越快，其保持方向穩定的能力就越強。
1905年，世界上第一臺利用地球自轉角速度和重力場的綜合效應，使二自由度陀螺儀的自轉軸自動尋找真北，可以實用的陀螺羅經誕生，被應用於航海上的艦船導航。與此同時，另外一種利用擺的原理、測量運動物體加速度的儀表——加速度計也誕生了。
這兩種儀器的背後都是牛頓的力學原理，它們被統稱為慣性儀表（慣性器件），利用慣性儀表測量值進行測量推算的導航被稱為慣性導航。
三、慣性導航坐標系
只有慣性器件還不能實現真正的導航，因為還需要一個參考系。道理很簡單，就如同我們告訴人家自己所在的位置的話，你一定要說我在某某廣場某個角落一樣。地球為我們天然提供了兩個參考基準：真北和垂線。
所謂的真北，就是測量者所在的子午面與當地水平面的交線，這個方向指向地理北極的方向，稱為真北方向。由於地球自轉的角速度不受人為因素幹擾，其角速度值在可觀測時間內基本上是一個常數，因此，真北是慣性導航中非常重要的一條基準線。
與地球形狀直接相關的是地球的重力場特徵，這裡說的是重力，沒有說引力，是因為，如果地球是一個均質球體，並且不旋轉的話，則地球表面各點的引力都相等。
由於地球並不是一個標準球體，且自身還在做旋轉運動，因此，地球表面上物體除了受到來自地球的引力之外，還受到地球自轉帶來的離心力的影響，物體所受到的重力是這兩個力的合力，其方向並不是指向地心的。單位質量的物體在重力場的作用下所獲得的加速度稱為重力加速度。
四、慣性導航的原理
有了慣性儀器，又建立了基於真北和垂線的坐標系，現在來看一下慣性導航系統是如何工作的。
加速度計的作用是實時測量載體運動的加速度，經積分運算得到載體的實時速度和位置信息。·在這個過程中，如何確保加速度計的輸出是沿著導航坐標系的，是實現準確導航定位的基礎。確保加速度計的輸出沿著導航坐標系有兩種辦法：
辦法一是利用陀螺穩定平臺建立一個相對某一空間基準的三維空間導航坐標系，來解決加速度計輸出信號測量基準的問題，即採用陀螺穩定平臺來始終跟蹤所需要的導航坐標系，陀螺穩定平臺由陀螺儀來控制，加速度計安裝在陀螺穩定平臺上；
辦法二是通過不同坐標系之間的變換，解決加速度計輸出的指向問題，即加速度計和陀螺儀都直接固聯安裝在運載體上，陀螺儀的輸出角速度信息用來解運載體相對當行坐標系的姿態變換矩陣，經姿態變換矩陣將加速度計的輸出變換至導航坐標系，相當於建立了一個數學平臺。
結束語
可以說，慣性導航系統就是以陀螺儀和加速度計為敏感元件，根據陀螺儀的輸出建立導航坐標系，根據加速度計的輸出並結合初始運動狀態，推算出運載體的瞬時速度和瞬時位置等導航參數的解算系統。由此可見，陀螺儀和加速度計是慣性導航系統的心臟。
真理是樸素的，就是這些中學物理課本中的知識，成為了高科技裝備中的核心技術。我國天琴計劃發射的空間引力波探測器中就搭載了目前最精確的慣性導航設備。當然了，它的導航基準不是用的真北和垂線，而是遙遠的恆星。
慣性真奇妙，沒有它，很多現代化設備都不能正常工作。小夥伴們，關於慣性導航系統，你們還有什麼想說的嗎？歡迎在下方評論區留言參與。