慣性導航系統

慣性導航系統(Inertial Navigation System, INS)是目前在導航及其他應用上，最 常被用來獲得姿態參數的系統。INS 利用加速規(accelerometer)來量測非重力之加 速度，而利用陀螺儀來進行載台旋轉角速度之量測。

INS 可分為兩種型式：環架型(gimbal)與固裝型(strapdown)。環架型是將加速 規與陀螺儀放置於一平台上，由於平台較穩定，使得環架型INS 有如較簡易之陀 螺儀、高精度、易校正對準等優點，但在設計與維護上則較複雜。環架型INS 如 圖2-4 所示。

圖2-4、環架型慣性導航系統

固裝型 INS 則是逐漸普及之型式，將加速規與陀螺儀直接固定在載台上。此 種系統之成本較低，且其機構簡單，但在計算上較為繁複，且須承受較大動態範 圍之輸入。固裝型INS 如圖 2-5 所示。

圖2-5、固裝型慣性導航系統

無論是哪種形式的 INS，其特點皆為可不需仰賴外來訊號及發射訊號完成定 位，但由於其利用積分的方式來獲得位置與姿態參數，其誤差會隨時間累積，此 外，INS 在啟動時需要進行起始校正，導致無法瞬間啟動。

用來獲得姿態參數的陀螺儀一般可分為機械式陀螺儀及光學式陀螺儀(莊智清 等，2001)。機械式陀螺儀是利用角動量守恆的原理來提供角速度，其最主要的元 件為一個高速轉動的轉子(rotor)以及其環架，如圖 2-6 所示，而兩者搭配可達到角 速度偵測與方向維持之目的，因此環架的型式決定了陀螺儀的功能。轉子的轉動 速度與其角動量成正比，因此越大的角速度具有越靈敏的偵測能力，故一般都要 求轉子要有極高且持續的轉速。

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圖2-6、機械式慣性導航系統(左：維基百科，2009；右：維基百科，2006) 光學式陀螺儀的原理是利用量測順逆光波之相位差，此相位差的大小與角速 度成正比，來達到角速度量測之目的。目前在光學式陀螺儀中，大致可分為兩類：

雷射陀螺儀(Ring Laser Gyro, RLG)與光纖陀螺儀(fiber optics gyros, FOG)。雷射陀 螺儀的主要誤差來源包括零點偏置、共振模式跳動、量化誤差、鎖死(lock-in)以及 溫度所造成之誤差等。除了各元件的材料皆會受溫度影響之外，其他的誤差來源 皆是起因於製造過程之不完美，且此些誤差無法完全去除。而鎖死誤差為隨時間 累積之誤差來源，此誤差雖然可被補償，但各種方法皆無法完全將其去除。光纖 陀螺儀相較於雷射陀螺儀，有結構較簡單、體積小、改善鎖死現象等優點，但亦 會受到溫度之影響，目前尚在發展中，僅中低精度的光纖陀螺儀已產業化，如圖 2-7 所示。

圖2-7、VG035P光纖陀螺儀(SDI，2009)

目前陀螺儀依照其精度不同，可分為導航等級(Navigation grade)、戰術等級 (Tactical grade)以及微機電等級(MEMS grade)三種等級，而各種等級之精度如表 2-1 所示：

表2-1、不同等級之陀螺儀精度(胡智祐，2009)

等級 導航 戰術 微機電

陀螺儀飄移量

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