慣導系統誤差自補償技術發展綜述

陶 冶，關 勁，袁書明

（1．海軍裝備研究院，北京 100161;2．海軍裝備部，北京 100841）

0 引言

慣性導航技術以牛頓力學為理論基礎，使用陀螺儀和加速度計測量載體的角運動和線運動，實時解算載體的姿態、速度和位置。慣導系統具有極好的自主性和隱蔽性，在軍事應用中極其重要。

提高精度與降低成本是慣性導航技術發展永遠的主題。采用了誤差自補償技術［1］的慣導系統，一般具有獨特的結構 （主要是增加了旋轉機構），使得慣導系統對慣性儀表誤差不敏感，在提高系統精度的同時也降低了成本。

誤差自補償技術是慣性技術發展的潛流，不像陀螺儀發展那樣有明顯的換代特征，但一直伴隨著慣性技術的整個發展過程:20世紀50年代就出現了應用旋轉結構消除框架陀螺漂移［2］;60—70年代開始用轉子定期反轉、H調制、陀螺監控技術來估計、補償陀螺漂移［3－4］，直到現在仍在高精度潛艇慣導中進行應用［5］;60年代中后期，旋轉調制技術應用于平臺慣導系統設計［6－7］;70年代，旋轉調制技術應用于捷聯慣導［8－9］和陀螺羅經;80年代，旋轉調制技術用于激光陀螺速率偏頻，使得激光陀螺慣導系統精度大大提高［11－16］;2000年以來，美國全面采用旋轉調制激光慣導裝備海軍艦艇［18］，雙軸旋轉激光慣導的重調周期達到了14 d，大大提高了潛艇的隱蔽性。可見，從提高慣性儀表性能到提高慣導系統精度，誤差自補償技術都是一種非常有效的技術途徑;伴隨慣性技術的發展，誤差自補償技術也在持續不斷的發展。

總體來看，誤差自補償技術以犧牲較小的代價來提高慣導精度。其中，旋轉調制技術應用得更為廣泛，也更為成功。所謂旋轉調制技術，是指利用旋轉機構帶動慣性儀表旋轉，使其相對于某個固定參考框架的等效誤差成為近似零均值的周期變化量，從而獲得更高的導航精度。

本文以慣導系統誤差自補償技術為主題，在分析大量國內外相關文獻基礎上，綜述其關鍵技術及研究脈絡，以期為該領域研究者提供一些思路與參考價值。

1 國外早期的研究工作

早在20世紀50年代末、60年代初，就開始了關于陀螺誤差自補償技術的研究，主要方法是強制陀螺儀框架軸旋轉和陀螺儀動量矩矢量換向，即轉子反轉［1］。

文獻［2］報導了美國Sperry公司采用旋轉技術消除框架式機電陀螺的隨機漂移，其關鍵技術是使陀螺框架軸承的外圈繞陀螺旋轉軸旋轉，且定期旋轉換向，以消除由于軸承滾珠尺寸不完全一致、轉子不球度及灰塵粒子等原因導致的陀螺隨機漂移。通過試驗發現，正反整周旋轉能帶來更高的精度，可將陀螺的隨機漂移從原來的2～3（°）/h降到了 0.25（°）/h，部分產品精度達到了0.05（°）/h。

文獻［3］提出“反轉”慣性儀表可消除其固定的誤差，并將此思想應用于慣性制導系統的誤差自補償 （autocompensation）中，以消除長時間緩慢變化的陀螺漂移和加速度計零偏。針對陀螺，文中提到了兩種漂移自補償方法，并對其作了比較。其一，旋轉殼體，使得陀螺漂移向量在空間旋轉且均值為零;此方法可補償與殼體相關的干擾力矩引起的陀螺漂移。第二種方法是令陀螺轉子反轉，該方法不僅可消除上述“殼體固聯 （case－fixed）”的干擾力矩，還可消除“空間固聯（space－fixed）”的干擾力矩。文中還提到，實際應用中應注意陀螺漂移變化頻率可能與補償頻率相同或相近，這樣就會出現“共振效應”，反而使得陀螺性能變壞。文獻［3］還提出了加速度計零偏的自補償方法——反轉加速度計敏感軸，每個方向配置兩個加速度計，以保證反轉過程中仍可測量該方向的比力。

文獻［4］介紹了兩種消除陀螺漂移的方案。一種方案是三個陀螺按設定規程輪流進行反轉，經過一個流程，陀螺漂移造成的平臺誤差相互抵消，也即達到了消除陀螺漂移的目的。另一種方案中只有兩個陀螺反轉，利用其提供的精確的參考可估計第三個陀螺的漂移。第一種方案可用于導航過程中，第二種方案可用于陀螺羅經對準及測漂。

H調制技術可謂是轉子反轉技術的進一步發展，通過改變監控陀螺的轉動動量矩來估計受監控陀螺的漂移，文獻 ［5］介紹了具體的原理。目前H調制技術仍用于高精度的艦艇液浮慣導系統中。

綜上可見，早期研究主要是將旋轉調制思想應用于慣性儀表，也有了向系統方向發展的跡象（加速度計敏感軸換向），主要方法是旋轉陀螺殼體、陀螺轉子反轉以及H調制技術。

2 輪盤木馬IV——里程碑式的發展

第一個成功將旋轉調制技術應用于系統結構的慣導系統是美國臺爾柯 （Delco）公司的輪盤木馬IV（Carousel－IV，C－IV）平臺慣導系統。C－IV采用獨特的自由方位機械編排方式［12］，其最主要的特點就是整套水平慣性儀表作為一個剛性裝置繞當地地垂線軸旋轉，以調制慣性儀表誤差的影響，提高系統導航精度。通過采用該項技術，C－IV可方便的進行自標定，提高對準和導航精度。文獻［8］研究了輪盤木馬系統的誤差特性，推導了誤差方程，定量分析了平臺旋轉對水平陀螺漂移的調制作用及調制效果與旋轉角速度大小的關系，結論是:當旋轉角速度遠大于舒拉角速度時，受調制后陀螺漂移造成的導航誤差與旋轉角速度近似成反比。文獻 ［9］討論了陀螺殼體旋轉與IMU整體旋轉的作用，指出整體旋轉可調制舒拉回路內的誤差項 （陀螺漂移、加計零偏等），但不能調制除舒拉環之外的誤差項 （如初始對準誤差、方位誤差等）。文獻［10］介紹了用于“大力神”IIIC上的C－VB的陀螺漂移補償方法和加速度解算方法。文獻 ［13］研究了陀螺羅經對準過程中平臺旋轉對緩變的陀螺漂移的調制作用，通過將陀螺羅經系統簡化為一階慣性環節，設陀螺漂移為指數相關的隨機過程，加入旋轉調制后為等效的正弦相關的隨機過程，將這兩種輸入下穩態輸出值的均方值相比，從而分析旋轉調制的作用。其結論為:旋轉速度越大，上述比值越大，表明系統輸出誤差越小;當旋轉速度較大時，旋轉速度與此比值近似為正比關系;文中還分析了旋轉調制前后陀螺漂移的功率譜密度函數，結果表明，噪聲的能量從低頻轉到了旋轉頻率，而低頻能量相對于未調制前降低的倍數基本與旋轉速度的平方成正比，與前面分析相符合。

臺爾柯公司的輪盤木馬慣導系統首次成功的將旋轉調制思想應用于慣導系統設計，在精度、成本以及可靠性方面有獨特的優勢，堪稱為慣性技術發展史上的杰作。

3 旋轉調制式捷聯慣導系統

20世紀70年代，臺爾柯公司研制了旋轉調制式捷聯慣導系統的代表性產品為“輪盤木馬”（C－400）系列和 LCINS慣性導航系統［13］。其中，LCINS采用2個Incosym公司的雙軸調諧陀螺和2個雙軸加速度計，捷聯平臺在內部以1r/min的速度旋轉，一方面調制水平陀螺和加速度計的誤差，改進導航精度、對準精度及允許在系統加熱階段進行對準;另一方面允許系統不必從載體上拆卸即可完成自標定。LCINS的位置精度為2～4n mile/h，速度誤差增長率0.7（m/s）/h，姿態誤差增長率0.1mrad/h，航向誤差增長率1mrad/h。

上述的捷聯慣導系統都是采用單軸旋轉以調制水平陀螺/加速度計的誤差，但天向陀螺誤差不受調制。文獻［13］介紹了臺爾柯提出的多余度“輪盤木馬”捷聯制導系統，該系統的突出特點有二:其一，采用了三個旋轉的捷聯平臺，旋轉軸相互正交安裝，從而調制了所有方向的陀螺/加速度計誤差;其二，通過冗余配置，提高了系統的可靠性。

1980年，Sperry公司利用磁鏡偏激光陀螺研制了單軸旋轉慣導系統，系統采用四位置轉、停方案［13］。由于磁鏡偏激光陀螺精度較低，該公司隨后開展了二頻機抖激光陀螺單軸旋轉慣導系統研制，并在20世紀90年代研制出MK39系列激光慣導系統，已經被24個國家海軍選用于各種艦船平臺，隨后在MK39－Mod3c的基礎上又發展了AN/WSN －7B 系統［14－16］，裝備美國海軍輔船及護衛艦。

1989年，Sperry公司的MK49型雙軸旋轉式激光陀螺慣導系統經過海試后被選為北約的船用標準慣性導航系統，裝備了大量的潛艇和水面艦艇［17］。MK49采用三個 Honeywell公司的 GG1342型機械抖動激光陀螺，Honeywell官方公布的GG1342陀螺零偏穩定性0.0035（°）/h，角度隨機游走為0.0015（°） /。MK49系統采用雙軸翻轉技術，利用雙軸轉位器 （外部為橫搖、內部為方位）定期為慣性敏感器裝置繞橫搖軸和方位軸進行180°定序，以消除所有3個軸上的陀螺漂移和其它誤差源，并且轉位機構還用來對系統進行自校準、隔離外界的橫滾和方位運動等。Sperry公司在MK49的基礎上發展了AN/WSN－7（7A）雙軸激光陀螺旋轉調制系統，其水下型重調周期可達14 d。

1994年，由于干涉型光纖陀螺 （IFOG）性能有了突破性進展，表明光纖陀螺有可能取得技術進展和性能提高，具有滿足戰略潛艇系統需要的潛力。美國啟動光纖陀螺戰略核潛艇導航計劃，由Pennsylvania州立大學應用研究實驗室、海軍研究實驗室等機構合作執行。此系統采用了三軸連續旋轉方案，理論上可使光纖陀螺的比例因子、安裝軸的不穩定性以及常值漂移在旋轉過程中得到很大程度的抵消［18］。該光纖陀螺三軸旋轉調制系統已于2005年初步研制出來，所用的光纖陀螺的隨機游走系數為0.00006（°） /。

美國研制此三軸旋轉IFOG慣導系統的目的是希望能夠作為靜電陀螺慣導的備份用于戰略武器。由于靜電陀螺系統造價昂貴，維護費用不菲，并且當前美國使用的部分靜電陀螺慣導系統已快達到其服役期限，而原來的一些靜電陀螺制造工藝基礎即將丟失，原有系統的可維護性越來越差，同時光學陀螺旋轉調制式慣導系統的成本較低，系統結構也相對簡單，理論上系統的精度僅僅受限于光學陀螺的隨機游走系數，所以受到美國軍方的大力重視。

在誤差自補償技術的發展過程中，除了使用旋轉機構對陀螺/加速度計誤差進行調制之外，在某些特定情況下，載體的旋轉也可對其進行調制，如彈體高速旋轉的導彈和載體不斷旋轉的石油管道探測裝置。文獻 ［19］介紹的管道探測器 （常稱為“管道豬”，用來測繪管道行程或探測管道傷痕）即屬于后者。在石油/天然氣輸送管道內，管道豬在油或氣的推動下旋轉前進，這種旋轉可調制管道豬內的慣導系統的陀螺/加速度計誤差，提高了管道豬的定位精度。

綜上所述，繼臺爾柯公司研制旋轉調制式捷聯慣導系統之后，Litton等公司利用激光陀螺及各種形式的誤差自補償技術研制了高精度的捷聯慣導系統，這些技術包括激光陀螺速率偏頻、單軸指向技術、雙軸指向技術，各有特色;利用載體旋轉調制陀螺/加速度計誤差是誤差自補償技術在特定環境下的應用。

4 結論

國內自2000年左右開始高度重視誤差自補償技術研究，目前已取得可觀的研究成果［20－26］。

國防科大具有激光陀螺儀技術優勢，在國內較早開展旋轉調制激光慣導的研究［23］。針對速率偏頻激光陀螺的應用，從系統角度對激光陀螺速率偏頻系統中存在的特有問題，諸如速率偏頻三軸激光陀螺輸出的調制方程、角速率解調的條件方程以及有關參量的精度、偏頻速率的選擇、偏頻臺回轉加速度的確定、偏頻臺回轉定位等方面進行了研究探討，并通過比較提出了“偏頻臺導航系統”方法。

文獻［24］比較了器件級和系統級旋轉調制方式的工程可實現性，提出一種連續8次翻轉180°的旋轉方案，確保一個調制周期平均掉所有誤差項。目前國內多家大學及研究所在從事旋轉調制式捷聯慣性導航系統技術研究。

國外的旋轉式慣導系統從最初的平臺式系統到目前多種捷聯式系統，已經發展了半個世紀，國外艦艇慣導系統標配含有電磁/多普勒計程儀，精度和性能都有大幅度提高。而我國由于激光陀螺儀技術成熟較晚，旋轉調制式捷聯慣導系統技術研究剛剛成熟，目前正處于工程化試驗階段。

總體來說，國內對誤差自補償技術的應用已經開始，目前大家更多關注旋轉調制方案等單項技術研究，缺乏系統級技術研究及試驗，比如艦艇慣導與電磁/多普勒計程儀變阻尼技術、碼頭自標定技術，牽引啟動技術等研究還不夠深入。

誤差自補償技術，尤其是旋轉調制技術，可以以較低的成本換取較高的系統精度，特別適合艦艇 （潛艇）這類需要長時間自主導航的低動態航行載體，也可為某些精度要求甚高的系統提供一種技術方案，相應的還可縮短系統準備時間，故有廣闊的應用前景，值得我們深入研究。

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