慣性導(dǎo)航技術(shù)的新進展及其發(fā)展趨勢

譚祖鋒

摘要??? 慣性導(dǎo)航是一門包含了諸多學(xué)科和領(lǐng)域的綜合型技術(shù)，入精密儀器、機械制造、計算機、自動化控制、電子等等。隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進步，各式各樣的導(dǎo)航需求也越來越多，在很大程度上促進了慣性導(dǎo)航技術(shù)的不斷進步和發(fā)展。本文以船舶導(dǎo)航為例，探討了慣性導(dǎo)航技術(shù)的新應(yīng)用，并對其發(fā)展趨勢進行了展望。希望通過本文的研究和分析，可以對我國慣性導(dǎo)航技術(shù)的進一步應(yīng)用起到一定的借鑒意義和促進作用。

【關(guān)鍵詞】慣性導(dǎo)航技術(shù) 新應(yīng)用 發(fā)展趨勢

在慣性導(dǎo)航中，陀螺儀是其中的核配件，因此我們可以將慣性當(dāng)行技術(shù)的發(fā)展按照陀螺儀的研究和出現(xiàn)順序?qū)T性導(dǎo)航技術(shù)分為四個發(fā)展時期從目前的情況來看，慣性技術(shù)的發(fā)展正處在第四代的發(fā)展時期，其根本目標是高精度、低成本、微型化、數(shù)字化、范圍化以及高度可靠性的實現(xiàn)。

1 慣性導(dǎo)航技術(shù)在艦船導(dǎo)航中的最新應(yīng)用

1908年3月，誕生了世界上最早的一臺陀螺羅經(jīng)，并第一次應(yīng)用到航海領(lǐng)域，發(fā)展至今，陀螺儀已經(jīng)有了百年之久的發(fā)展歷史，目前已初步成熟。目前來說，世界上最先進的艦船慣性導(dǎo)航技術(shù)主要有兩種，分別為ESG導(dǎo)航儀以及基于RLG和FOG的慣性導(dǎo)航技術(shù)。具體內(nèi)容如下：

首先是ESG導(dǎo)航儀，這種導(dǎo)航技術(shù)可以有效的滿足類似于潛艇類高級艦船的的自主式慣性導(dǎo)航技術(shù)。但是從其系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及制作的成本來看，是處于相對較高的水平的，因此也導(dǎo)致了這種慣性導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用和普及范圍相對較窄。

除此之外是基于RLG和FOG技術(shù)的慣性導(dǎo)航技術(shù)，這項導(dǎo)航技術(shù)可以在很大程度上滿足大多數(shù)船舶航海導(dǎo)航的精確性要求，目前正逐漸的取代轉(zhuǎn)子式陀螺儀。

早在上世紀八十年代，Sperry Marine公司就開始了關(guān)于激光式艦用陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)系統(tǒng)的研究和制造，發(fā)展到至今也取得了突破性的進展，即目前被廣泛應(yīng)用在北大西洋公約組織的艦船和潛艇的標準RLG艦用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)-Sperry MK49以及在美國海軍的潛艇、航空母艦等廣泛應(yīng)用的以第3代RLG技術(shù)為根基的MK39 3A型慣性導(dǎo)航技術(shù)，其中特別是MK39 3A型慣性導(dǎo)航技術(shù)不僅可以滿足艦艇對導(dǎo)航的精準性及可靠性需求，同時還可以最大程度的為其火力控制系統(tǒng)提供更加精準的位置、姿態(tài)、方向和速度等信息和數(shù)據(jù)。目前的MK39慣性導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)被世界上多達24個國家采用。

2 慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展前景

2.1 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展及設(shè)計的主要影響因素

2.1.1 具有針對性且可以充分滿足各項需求

對于慣性導(dǎo)航技術(shù)來說，其最重要的兩個特性指標主要是成本價格、導(dǎo)航性能。其中價格成本主要包括整個系統(tǒng)自身的成本、維護保養(yǎng)成本等;而導(dǎo)航的性能則是包括導(dǎo)航的精確性、連續(xù)完整性以及易操作性等方面。正因為如此，在目前大多數(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用中既要考慮合理的價格，又要重視其性能的優(yōu)越性。

2.1.2 實際應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)性

在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，系統(tǒng)的可用性、能耗、可靠性等方面可能會受到應(yīng)用環(huán)境的影響。

2.1.3 系統(tǒng)的通用性方面

盡可能的保證慣性導(dǎo)航技術(shù)可以試用在更多的應(yīng)用領(lǐng)域，通用性更高。

2.2 慣性測量系統(tǒng)中傳感器的發(fā)展趨勢分析

從目前的現(xiàn)狀來看，現(xiàn)有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的慣性傳感器已經(jīng)可以最大程度的充分滿足當(dāng)前各式各樣導(dǎo)航任務(wù)的要求和標準。但是從某種程度來說，其成本、體積以及能耗等方面在很大程度上影響著慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相應(yīng)的參數(shù)指標。因此，傳感器未來發(fā)展的主要方向和目標就是降低成本、縮小體積、減小重量、減少能耗等方面，具體內(nèi)容如下：

2.2.1 工藝和材料方面

一方面是工藝方面，相關(guān)的生產(chǎn)商要轉(zhuǎn)變高勞動密度型生產(chǎn)模式為低勞動密集型，采用自動化生產(chǎn)和批量處理技術(shù);另一方面是生產(chǎn)材料方面，盡可能的選用硅片、石英或者是結(jié)合光電材料等來制造傳感器。

2.2.2 生產(chǎn)成本

主要包括生產(chǎn)產(chǎn)品的成本以及操作或維護保養(yǎng)等費用。隨著自動化生產(chǎn)和批量生產(chǎn)的普及和應(yīng)用，傳感器的成本越來越低。

2.2.3 體積

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的測量傳感器向著重量輕、體積小的方向發(fā)展，未來甚至一些慣性傳感器甚至無法用肉眼識別，例如NEMS和光學(xué)NEMS等。

2.2.4 研究熱點

一般來說，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)器件的研究主要集中在三個方面：

（1）小型MEMS慣性器件的性能提升;

（2）其膠裝的有效性;

（3）光學(xué)傳感器的研究，如采用集成光學(xué)的FOG的研究。

2.2.5 總的發(fā)展趨勢

不管是任意凈度級別的慣性器件，都可以實現(xiàn)體積小、價格低以及性能優(yōu)越等方面。

3 結(jié)束語

總而言之，在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及其相關(guān)器件的研究和制造方面，在未來很長的一段時間里，體積小、價格低的MEMS慣性傳感器且精度高和性能高的FOG必然會受到全世界相關(guān)方面的焦點和關(guān)注！特別是在進入21世紀以來，計算機技術(shù)以及其他高科技技術(shù)的高速發(fā)展和應(yīng)用，捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誕生并得到了極大的普及和應(yīng)用，逐漸的替代了平臺式的導(dǎo)航系統(tǒng)。從目前的情況來看，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是目前全世界唯一一種可以實現(xiàn)導(dǎo)航方式完全自主化的導(dǎo)航系統(tǒng)，其可以不依賴任何的外界信息就可以充分的滿足各方面的需要，未來其必將會得到更深層次的應(yīng)用。從目前的形式來看，隨著對高性能自主導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用需求不斷增強以及多模GNSS技術(shù)的大范圍普及和應(yīng)用，未來組合導(dǎo)航系統(tǒng)也會逐漸的取代純粹的INS成為全國乃至全世界的主要導(dǎo)航手段之一。

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