旋轉慣導的發展及應用

姬曉琴 陳文輝 楊 業

1. 宇航智能控制技術國家級重點實驗室，北京100854 2. 北京航天自動控制研究所，北京100854

慣性導航系統(簡稱慣導系統)利用陀螺儀和加速度計測量載體的角運動和線運動，并通過實時解算獲得載體的姿態、速度和位置信息。慣導系統有平臺式和捷聯式2類實現方案。由于慣性導航是一種完全自主的導航方式，在軍、民領域應用極為廣泛。慣導系統是現代各類載體GNC系統的核心設備，其精度的高低制約著整個載體精度和性能的提高。因此，提高慣導系統的精度始終是慣性導航技術的研究重點。

提高慣導系統精度通常可以采用2種技術途徑：1)直接提高慣性器件精度；2)采用誤差補償技術，降低慣性器件誤差對導航精度的影響。前者難度大、成本高且周期長，后者則相對簡單、快捷而實用[1]。

旋轉調制技術是較常用的一種誤差補償方法，即將慣性器件或者慣性測量組合(Inertial Measurement Unit，IMU)外面加上轉動和控制機構，利用翻轉或者旋轉將低頻變化的慣性器件誤差源調制為高頻信號，進而有效地補償慣性器件誤差對導航的影響[2]。旋轉方式根據旋轉部件可分為2類：1)殼體旋轉(元件級旋轉)，一般應用于靜電陀螺系統；2)是臺體旋轉(系統級旋轉)，即整個慣性測量組合同步旋轉[3]。

早在20世紀50年代末，就有學者提出了通過旋轉調制技術補償慣性器件漂移,提高導航精度的方法[4]。60到70年代，美、英和法等國艦船的平臺式慣導系統均采用了旋轉調制技術，主要實現方法有陀螺殼體旋轉法、附加陀螺監控法(陀螺監控殼體反轉法、陀螺監控轉子正反旋轉法、陀螺監控H調制法)和平臺旋轉法等[5]。70年代，旋轉調制技術應用于捷聯慣導和陀螺羅經[6]。80年代，旋轉調制技術用于激光陀螺，現已有多種成熟產品，并已應用于美國海軍、北約艦隊等多國武裝力量。90年代，開始將旋轉調制技術用于光纖陀螺，2009年第一套光纖陀螺三軸旋轉慣導系統產品問世。21世紀以后隨著微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)慣性技術的發展，已逐漸開展旋轉調制技術在MEMS陀螺尋北、航姿系統以及慣導系統中的應用研究[7]?？偟膩碚f，美國針對旋轉調制技術研究時間長，投資大，新研制和改進的旋轉慣導系統性能居世界前列，其雙軸旋轉調制方式的MK49和WSN-7A是目前世界上最先進的旋轉調制型捷聯慣導系統，其研制的三軸旋轉光纖慣導系統計劃應用于戰略核潛艇以及洲際彈道導彈中。下面對國內外的旋轉調制系統的發展和應用狀況進行簡要介紹。

1 平臺式慣導系統中的旋轉調制

1963年美國Rockwell國際公司Autoneties航海系統分公司首次將旋轉補償技術應用于MK2Mod3慣導系統中。美國Sperry公司生產的MK3Mod3及以后各型艦船慣導系統均采用了監控陀螺殼體反轉技術。美國1965年研制出的SGN-4型艦船慣性導航儀，1971年研制出的MAINS型艦船的慣導系統，以及1974年研制出的MINS型系統均采用監控陀螺殼體反轉技術。法國SAGEM公司從1981年開始研制小型化艦船慣導系統MINICIN，采用陀螺監控H調制技術，供水面艦艇和潛艇使用[8]。

20世紀70年代初，美國Delco公司研制出輪盤木馬IV(Carousel IV，C-IV)型四框架平臺慣性導航系統，該系統采用平臺旋轉技術，該系統是第一個成功將旋轉補償技術應用于系統結構的慣導系統，如圖1所示，系統的定位精度為1nmile/h[9]。輪盤木馬及其改進型先后裝備了多種型號的民航機和軍用運輸機，并被宇宙飛行器“大力神—Ⅲ”所采用[10]。

圖1 Carousel IV 慣性導航系統結構圖

2 捷聯式慣導系統中的旋轉調制

2.1 基于激光陀螺的旋轉慣導系統

2.1.1 AN/WSN-5L型船用單軸旋轉慣導系統

1984年，Litton公司在AN/WSN-5型液浮慣性導航系統的基礎上，開始研制激光陀螺慣性導航系統AN/WSN-5L。其IMU包含3個腔長為28cm的環形激光陀螺和1個A4 MOD IV D三軸加速度計。系統采用激光陀螺速率偏頻技術，旋轉部件具有1800°的活動度，工作時限于1440°，轉臺以±720°方式往返旋轉。該系統在1993年裝備了美國海軍阿里·伯克級DDG64號導彈驅逐艦[11]，定位精度1.0nmile/6h。

2.1.2 SLN型艦用雙軸旋轉慣導系統

2.1.3 MK39Mod3C與AN/WSN-7B單軸旋轉慣導系統[8,9,12,13]

上世紀80年代，美國Sperry航海公司利用改進

的磁鏡偏頻激光陀螺研制了單軸旋轉系統，并進行了相關海上試驗。其單軸系統采用單軸四位置轉停方案來補償光學陀螺的漂移，這也成了以后世界上所有成熟的單軸旋轉式慣導系統的主要調制方案。由于磁鏡偏頻激光陀螺精度較低，Sperry航海公司隨后開展了二頻機抖激光陀螺單軸旋轉調制慣導系統的研制工作。在90年代研制出的Mk39系列激光慣導系統已經被多個國家海軍選用于各種艦船平臺；隨后在MK39Mod3C基礎上又發展的改進型AN/WSN-7B單軸旋轉系統，已裝備美國海軍艦船及護衛艦。其中，MK39Mod3C使用Honeywell公司的DIG-20型三角形激光陀螺，WSN-7B使用該公司的GG1320環形激光陀螺，加表均使用QA-2000型，采用單軸四位置旋轉方案(-45°、-135°、+135°、+45°)，如圖2和3所示[12]。2個系統自主導航精度達到1nmile/24h，性能優良，價格低廉。

圖2 MK39MOD3C單軸旋轉慣導系統

圖3 AN/WSN-7B單軸旋轉慣導系統

2.1.4 MK49型雙軸旋轉慣導系統[8,12,14,15]

1989年11月，在Sperry航海公司研制的單軸旋轉慣導系統和Honeywell公司研制的SLN艦用激光陀螺導航儀的成功經驗基礎上，兩家公司合作研制了MK49高精度船用環形激光陀螺導航儀，采用雙軸轉位技術，當時稱其為艦用激光陀螺慣性導航系統(MARLIN)。該系統經過海試后，被選為北約組織的船用標準慣性導航系統[16-17]，大量裝備于水面艦艇和潛艇。系統由慣性測量裝置、電子柜、控制顯示器和減振裝置組成，其中慣性測量裝置中包括3個GG-1342環形激光陀螺、3個QA-2000石英撓性加速度計、1個高壓電源、溫控電路板和加熱元件。系統外觀如圖4所示，內部結構如圖5所示。2個旋轉軸(內框軸為方位軸、外框軸為橫滾軸)，系統繞這2個軸交替以180°旋轉，并在對稱位置旋轉、停留相同時間以抑制慣性器件慢變誤差，系統的定位精度達到0.39nmile/30h，另外，該系統還能進行自標定、自對準以及隔離基座晃動的干擾等。

圖4 MK49雙軸旋轉慣導系統

圖5 MK49雙軸旋轉慣導系統結構

2.1.5 AN/WSN-7A雙軸旋轉慣導系統[9,18]

20世紀90年代，Sperry航海公司在MK49的基礎上發展了AN/WSN-7A系統，于 1995 年開始列裝美國海軍，如圖6所示。系統慣性元件采用GG-1342型環形激光陀螺和QA-2000石英撓性加速度計，定位精度達到1nm/14d。AN/WSN-7系列慣性導航系統已成為美國海軍水面艦艇和潛艇的標準設備，2006年左右已經裝備美國海軍除裝載彈道導彈核潛艇以外的所有艦艇。

圖6 AN/WSN-7A雙軸旋轉慣導系統

2.1.6 PL41/MK4型單軸旋轉慣導系統[11,19]

諾格Litef公司為德國海軍潛艇導航研制出PL41/MK4 Mod1型激光陀螺單軸旋轉慣性導航系統，并于1988年進行了海上實驗。系統采用的是速率偏頻激光陀螺捷聯方案，IMU選用了3個腔長為28cm的環形激光陀螺和3個加速度計，具有平臺式系統的穩定性和捷聯式系統的簡單性、緊湊性和堅固性，其外觀如圖7所示。系統采用了Kalman濾波技術，初始對準時間為30min，定位精度為1nmile/8h。

之后，在Modl系統基礎上，發展了適用于潛艇使用的Mod2系統，采用腔長為18cm的環形激光陀螺ZLGTM，應用零位閉鎖技術，定位精度為1nmile/24h。

圖7 PL41/MK4型單軸旋轉慣導系統

2.1.7 水下機器人雙軸旋轉慣導系統(日本)

2007年，日本海洋科技研究中心(JAMSTEC)在其研制的水下機器人(URASHIMA)的導航定位系統中進行了誤差旋轉補償技術的研究。URASHIMA的導航系統采用激光陀螺捷聯慣導系統。試驗證明，當采用雙軸連續轉動方案時，系統的導航定位精度由0.2nmile/h提高到0.09nmile/h。系統試驗環境如圖8所示[8]。

圖8 水下機器人的雙軸旋轉慣導系統實驗結構圖

表1對國外典型激光陀螺旋轉慣導系統的應用情況、狀態進行了簡單的對比總結。

表1 國外典型激光陀螺船用慣導系統應用情況

2.2 基于光纖陀螺的旋轉慣導系統

2.2.1 三軸旋轉光纖陀螺慣導系統(美國)

圖9 三軸旋轉光纖陀螺慣導系統原理樣機

2.2.2 奧米伽單軸旋轉慣導系統(俄羅斯)

俄羅斯圣彼得堡電子儀器儀表所已開發出幾種單軸旋轉式光纖慣導系統，奧米伽是這一系列產品的典型代表，應用于民用船舶，如圖10所示。該慣導系統使用的是中低精度俄羅斯自研的光纖陀螺，該系統主要技術指標如表2所示[22-23]。

圖10 奧米伽單軸旋轉光陀螺慣導系統示意圖

3 國內旋轉慣導系統[12,24]

我國旋轉調制技術的研究工作開始于上世紀70年代，初期主要應用于靜電陀螺平臺系統的陀螺殼體翻轉技術，隨后該技術在陀螺羅經和尋北儀的研究領域得到應用。國內對于激光陀螺旋轉慣導系統研究的較多，已有工程樣機出現，對于旋轉光纖陀螺慣導系統的研究則起步較晚。國防科技大學在2007年研制出國內第一臺旋轉調制慣導系統，該系統采用繞方位軸連續旋轉的單軸旋轉方案，實驗室靜態定位誤差小于1nmile/24h，而船試定位誤差為17nmile/24h左右；在2008年和2009年又分別對四位置轉停的旋轉方案進行了車載系統實驗和船載系統實驗。該大學研制的90型二頻機抖激光陀螺單軸旋轉捷聯慣導系統最大峰值定位誤差均優于1nm/72h，其中多套最大峰值定位誤差優于2nm/10d，達到了單軸旋轉慣導系統的國際先進水平，已經走向成功應用[25]。目前，國防科學技術大學、北京航空航天大學及中航618所等科研單位對雙軸旋轉調制慣導系統的理論和樣機研制展開了深入研究，其中國防科技大學研制的90型二頻機抖激光陀螺雙軸旋轉慣導系統樣機靜態精度優于0.6nm/14d[26]。

表2 奧米伽單軸旋轉光纖陀螺慣導系統主要參數

4 旋轉調制關鍵技術

旋轉慣導與旋轉調制相關的關鍵技術主要有如下4個方面：

1)旋轉慣導誤差特性建模及補償技術

旋轉慣導系統是一種特殊的捷聯式慣導系統，在誤差源、誤差方程的表現形式上與捷聯式慣導系統有很多相似性。然而，由于旋轉調制技術的引入，各誤差項會受到旋轉機構周期性旋轉運動的調制，從而使得誤差傳播方式發生了變化。

2)旋轉慣導轉動方案

由于旋轉慣導的旋轉軸有單軸、雙軸和三軸旋轉模式，而轉動模式進一步可設計為連續旋轉、轉停交替等多種樣式，此外旋轉角速率、旋轉周期的設計也很重要，這些都對導航精度有直接影響，需要進行深入分析和研究。

3)旋轉機構及其旋轉控制技術研究

旋轉機構主要由支撐機構、執行元件、旋轉軸、旋轉環架、傳動裝置、傳感器和控制器等部分組成，其控制誤差主要有角度超調誤差和轉速波動，而此控制誤差對導航精度有較大影響。

4)載體角運動隔離技術

在旋轉慣導系統中，旋轉方案設計的旋轉機構的運動都是相對于導航坐標系的，但是在實際控制旋轉機構時，所有的旋轉控制都是相對于載體坐標系的。因此，若載體相對于導航坐標系發生角運動，則旋轉機構相對于導航坐標系的運動與旋轉方案設計的不完全相同，從而造成無法完全有效地調制慣性器件的誤差，降低旋轉調制的效果。

5 結論

國外旋轉調制慣導系統的成功應用表明采用旋轉調制技術是光學陀螺慣導系統實現更高導航精度的重要且有效的技術途徑。近年來，國內在光學陀螺旋轉慣導系統的理論及應用方面也開展了大量研究工作，取得了可喜的成果。但要滿足高精度的航海、航空以至航天領域長時間自主導航需求尚需加大應用研究的力度和深度。