軍用飛機(jī)慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展

■ 王小陽 李駿 趙琛

軍用機(jī)載導(dǎo)航領(lǐng)域?qū)?dǎo)航系統(tǒng)有高精度、自主性和抗干擾的要求，特別是在復(fù)雜電子戰(zhàn)環(huán)境下，要求導(dǎo)航系統(tǒng)必須具備不依賴衛(wèi)星、無線電導(dǎo)航的高精度自主導(dǎo)航能力，持續(xù)輸出位置、速度、姿態(tài)等導(dǎo)航信息。機(jī)載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為主要的自主導(dǎo)航手段，近年來不斷取得技術(shù)上的突破和進(jìn)展。

1 軍用機(jī)載慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展歷程

機(jī)載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)最早起始于20世紀(jì)50年代，最先以平臺式慣導(dǎo)的形式出現(xiàn)，1950年5月美國北美航空公司奧拓奈蒂克斯分公司在C-47軍用運(yùn)輸機(jī)上裝備XN1純慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，揭開了機(jī)載慣性導(dǎo)航的帷幕，隨后于1961年，美國在F-104戰(zhàn)斗機(jī)配裝了首個戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)載平臺式液浮陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)LN3。

1965年，英國皇家航空研究院（RAE）根據(jù)撓性支撐的概念研制出撓性陀螺原理樣機(jī)，即動力調(diào)諧式陀螺。相對于液浮陀螺，動力調(diào)諧式陀螺結(jié)構(gòu)簡單成本低廉響應(yīng)迅速，經(jīng)過不斷改善和完善，精度不斷提高，在20世紀(jì)70年代開始，以動力調(diào)諧陀螺為基礎(chǔ)的平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)大量出現(xiàn)并裝備與研制的第三代戰(zhàn)斗機(jī)上均裝備了動力調(diào)諧陀螺基平臺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，如美國F15戰(zhàn)機(jī)裝備的LN30系統(tǒng)，F(xiàn)16戰(zhàn)機(jī)裝備的SKN-2416系統(tǒng)和法國幻影-2000戰(zhàn)機(jī)裝備的Uliss52系統(tǒng)等。

另一類新興起的支承陀螺是1952年美國伊利諾依大學(xué)提出的靜電陀螺分支，靜電陀螺經(jīng)過改進(jìn)與完善，最大漂移誤差一般低于，主要用于遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸平臺，如美國的B-52與F-117A等。

20世紀(jì)60年代年，光學(xué)技術(shù)與計算技術(shù)迅速發(fā)展，激光陀螺和光纖陀螺等光學(xué)陀螺的出現(xiàn)，引領(lǐng)了機(jī)載慣導(dǎo)由平臺式向捷聯(lián)式轉(zhuǎn)換的浪潮，光學(xué)陀螺以奈克效應(yīng)為原理，以其簡單的結(jié)構(gòu)與減小的體積，逐漸取代了原本的機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺，同時以多圈光纖環(huán)形成大等效面積閉合光路的思路為基礎(chǔ)的光纖陀螺也開始出現(xiàn)。光學(xué)陀螺引領(lǐng)機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)從平臺式向捷聯(lián)式更替，是軍事領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的陀螺與導(dǎo)航系統(tǒng)類別，如美國利登、霍尼韋爾等公司的LN-100G、LN-260、LN-270等捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)產(chǎn)品，法國SAGEM公司的SIGMA 95L系統(tǒng)等，均大量列裝于現(xiàn)役飛機(jī)、艦船和潛艇等裝備平臺。

微機(jī)電系統(tǒng)MEMS技術(shù)大大縮小了慣性系統(tǒng)陀螺儀和加速度計的體積、成本等，盡管精度較低，但是以其低廉的成本可以實現(xiàn)超大批量的生產(chǎn)，是另一類機(jī)載慣導(dǎo)的發(fā)展方向，在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈領(lǐng)域被廣泛使用，如諾格公司的LN200IMU產(chǎn)品單元等。2019年4月，霍尼韋爾公司公布了其用于平臺穩(wěn)定的MEMS陀螺性能，具有的零偏穩(wěn)定性與的角度隨機(jī)游走。MEMS陀螺精度不斷提高，有望實現(xiàn)光纖陀螺的替代方案。

進(jìn)入21世紀(jì)以后，科學(xué)家開始展開對以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的冷原子陀螺儀和核磁共振陀螺等原子陀螺的研究工作，面向未來超高精度的導(dǎo)航需求，隨著研究的不斷深入，原子陀螺儀已逐漸開始從實驗室走向工程化并最終邁向?qū)嶋H應(yīng)用。

2 軍用機(jī)載慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展

2.1 平臺慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展

平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)，是在載體上利用實體的慣性平臺跟蹤導(dǎo)航坐標(biāo)系實現(xiàn)導(dǎo)航的慣性系統(tǒng)，其核心是慣性平臺，也稱為“陀螺穩(wěn)定平臺”，陀螺儀與加計均安裝在平臺上，通過計算信息對力矩器施矩，使物理平臺跟隨導(dǎo)航坐標(biāo)系。

1908年德國科學(xué)家安修茨以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)設(shè)計出世界上第一臺擺式轉(zhuǎn)子陀螺儀，揭開了陀螺儀技術(shù)發(fā)展的帷幕，20世紀(jì)50年代，為減小轉(zhuǎn)子陀螺儀的摩擦，出現(xiàn)了液浮陀螺，1955年，定位精度為0.5nm/h的的單自由度液浮陀螺平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)研制成功，使陀螺漂移達(dá)到慣性級要求，1958年，裝備有液浮陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)的核潛艇經(jīng)過96小時潛航從北極冰層下穿越北極時，實際位置和計算為止僅差幾海里。由于液浮陀螺成本高昂，制造維護(hù)不便，20世紀(jì)60年代開始，出現(xiàn)了動力調(diào)諧陀螺和靜電陀螺等撓性支承陀螺。

1952年靜電陀螺的設(shè)計概念被提出，利用高壓靜電場支承球形轉(zhuǎn)子一般的機(jī)械支承，很大程度上見笑了陀螺的干擾力矩，1963年霍尼韋爾公司研制成功核潛艇使用的靜電陀螺平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)，并于1970年應(yīng)用于北極星和海神核潛艇上。靜電陀螺平臺式飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度為0.04～0.1nm/h。

1962年出現(xiàn)了動力調(diào)諧式撓性陀螺，其結(jié)構(gòu)簡單，功耗低、體積小。1966年KearFott公司研制出撓性陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)，并應(yīng)用于導(dǎo)彈與飛機(jī)，此外美國Sperry公司的MGL-80微型陀螺也廣泛應(yīng)用于平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)中。

之后，隨著光學(xué)陀螺技術(shù)的興起，以撓性陀螺為基礎(chǔ)的平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)開始逐漸退出主流，到了20世紀(jì)80年代后期，國外平臺式慣性系統(tǒng)相關(guān)的開發(fā)工作基本終止。

2.2 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)80年代開始，隨著慣性器件性能及計算水平的提升，捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)逐漸取代平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)，成為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)依靠算法建立起導(dǎo)航坐標(biāo)系，以數(shù)學(xué)平臺的形式替換原有的物理平臺，結(jié)構(gòu)簡單、體積小重量輕、可靠性高，還可以通過余度技術(shù)提高系統(tǒng)容錯能力，捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)開始逐漸取代平臺式慣導(dǎo)，成為主流機(jī)載慣導(dǎo)類別。

1982年，美國霍尼韋爾公司批量生產(chǎn)出GG1342激光陀螺。美國利頓公司以此為基礎(chǔ)生產(chǎn)出LTN-92系列激光捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，成為新一代標(biāo)準(zhǔn)機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)，1984年美國空軍發(fā)布捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)SNU84-1，開始進(jìn)行機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)升級工作。隨著美國GPS衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的部署，慣性衛(wèi)星組合導(dǎo)航開始引起研究者的研究，20世紀(jì)末，美國空軍在以利登公司研制生產(chǎn)出的LN-100G與霍尼韋爾公司的H764G激光陀螺基捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，嵌入GPS接收機(jī)芯片，在導(dǎo)彈防御系統(tǒng)預(yù)警衛(wèi)星及軍用飛機(jī)上大量應(yīng)用。

光纖陀螺技術(shù)起步相對激光陀螺稍晚，1976年美國學(xué)者V.Vali首次提出利用多圈光纖環(huán)形成大等效面積閉合光路的思路，此后光纖陀螺儀研究得到迅猛發(fā)展，盡管同時期光纖陀螺精度低于激光陀螺，主要適配一些中低精度場合，但隨著光纖制造技術(shù)與光學(xué)器件性能的提升，光纖陀螺更低廉的價格與功耗體積等優(yōu)勢逐漸顯露。目前國際上以光纖陀螺為基礎(chǔ)的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)已能滿足戰(zhàn)略武器的裝機(jī)要求，如裝備于美國海軍的E-2鷹眼預(yù)警機(jī)。2019年5月，美國Northrop Grumman公司研制出的的光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)SeaFIND，擁有與MK39環(huán)形激光陀螺系列慣性產(chǎn)品相同的性能，且體積質(zhì)量大大減小。干涉性光纖陀螺慣性系統(tǒng)性能逐漸接近激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)，并開始應(yīng)用于戰(zhàn)略武器。

2.3 旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)的發(fā)展

由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理限制，誤差會隨時間不斷累積，長時間獨立工作時難以保證慣導(dǎo)定位精度，通過工藝手段提高陀螺儀和加速度計的精度面臨技術(shù)難度高，迭代周期長等問題。針對這一問題出現(xiàn)了激光陀螺旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)，將系統(tǒng)慣性測量單元IMU繞一軸或多軸周期性旋轉(zhuǎn)，使得短時間數(shù)據(jù)平臺某些常值誤差積分或均值趨于零，提高長時間工作精度。

20世紀(jì)80年代，Levinson首次提出旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)，指出在方位軸上增加連續(xù)或者周期的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，可以有效抑制慣性器件常值漂移造成的誤差發(fā)散問題，1963年，美國Sperry公司基于此開始研發(fā)平臺式旋轉(zhuǎn)調(diào)制系統(tǒng)，70年代初期，美國Delco公司研制出輪盤木馬IV型四框架憑條慣導(dǎo)系統(tǒng)，定位精度達(dá)到1nm/h，90年代Sperry公司研制出MK39Mod3C和WSN-7B單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制系統(tǒng)，可以達(dá)到24h內(nèi)1nm的位置精度，已裝備美國海軍艦隊及護(hù)衛(wèi)艦。

在系統(tǒng)單軸旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動下，非旋轉(zhuǎn)軸方向的器件誤差可以有效被調(diào)制補(bǔ)償，但是原理上旋轉(zhuǎn)軸方向的器件誤差無法調(diào)制，限制了系統(tǒng)精度，為了解決此問題研究者們開始研制雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制系統(tǒng)，1989年，美國Sperry公司與霍尼韋爾公司聯(lián)合研制了MK49雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制高精度船用環(huán)形激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)，大量裝備于水面艦艇和潛艇，作為北約組織的船用標(biāo)準(zhǔn)慣性系統(tǒng)，20世紀(jì)90年代，美國Sperry公司研究出WSN-7A雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制系統(tǒng)，系統(tǒng)具有超過14天的修正周期，于1995年開始列裝美國海軍，到2006年左右已經(jīng)裝備美國海軍除裝載彈道導(dǎo)彈核潛艇以外的所有艦艇。

1994年，美國啟動了戰(zhàn)略核潛艇用高精度光纖陀螺慣性導(dǎo)航計劃，開始研制三軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制系統(tǒng)。2005年，初步研制出產(chǎn)品，光纖陀螺常值漂移為0.00023°/h，2009年第一套正式產(chǎn)品問世?？梢詫?個軸向的常值漂移，安裝偏角和刻度系數(shù)誤差進(jìn)行有效調(diào)制，系統(tǒng)長時間誤差理論上僅僅受到陀螺儀和加速度計隨機(jī)游走的影響。

2.4 組合導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展

二戰(zhàn)時期的羅蘭、臺卡等陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)可以看做是GPS的發(fā)展雛形，1978年2月，美國發(fā)射了第一顆GPS衛(wèi)星，開始進(jìn)行GPS衛(wèi)星組網(wǎng)，20世紀(jì)末，隨著美國全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPS的逐漸組網(wǎng)完善，美國開始展開慣性衛(wèi)星組合導(dǎo)航研究。之后俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo、中國北斗等全球或區(qū)域性衛(wèi)星系統(tǒng)組網(wǎng)工作緊接著不斷開展，衛(wèi)星導(dǎo)航、差分衛(wèi)星導(dǎo)航等精度的不斷提高，慣性衛(wèi)星組合技術(shù)日趨成熟，成為目前應(yīng)用最廣泛，最主流的組合導(dǎo)航技術(shù)。目前慣性衛(wèi)星組合導(dǎo)航的研究方向主要為提高衛(wèi)星抗干擾、防欺騙等技術(shù)，提高系統(tǒng)可靠性。

慣性/天文組合導(dǎo)航是根據(jù)天體在天球上的精確坐標(biāo)和地球運(yùn)動規(guī)律，利用天體信息修正慣導(dǎo)信息的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，目前應(yīng)用于遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、戰(zhàn)略轟炸機(jī)、空天飛機(jī)等武器裝備或系統(tǒng)。1999年科索沃戰(zhàn)爭，美軍出動的B2-A遠(yuǎn)程轟炸機(jī)裝備了NAS-26慣性天文組合系統(tǒng)，2006年11月，Northrop Grumman公司推出了LN-120G星際導(dǎo)航系統(tǒng)，天文組合導(dǎo)航位置精度900m/18h，航向精度 ，目前服役于美軍RC-135戰(zhàn)略偵察機(jī)。

3 我國軍用機(jī)載慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展

3.1 平臺慣性導(dǎo)航技術(shù)

1969年，我國航空工業(yè)某研究所開始研制我國第一套機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)523慣導(dǎo)系統(tǒng)，在歷經(jīng)長達(dá)10年左右的技術(shù)攻關(guān)試驗測試后，523液浮陀螺與液浮加計基平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)研制完成，系統(tǒng)精度為2海里/小時（CEP），主要指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)慣導(dǎo)系統(tǒng)研制的先進(jìn)水平。之后通過對硬件和可靠性上進(jìn)行改進(jìn)，研制了面向某運(yùn)輸機(jī)運(yùn)的534平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)。

在液浮陀螺之后，我國于1975年左右開始展開對動力調(diào)諧陀螺原理樣機(jī)的研究，1986年2月，航空工業(yè)某所研制的3套563S撓性平臺式機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)并在安-26飛機(jī)上進(jìn)行裝機(jī)試飛，導(dǎo)航精度約2海里/小時，為今后進(jìn)一步改進(jìn)國產(chǎn)慣導(dǎo)的研制和引進(jìn)吸收國外慣導(dǎo)技術(shù)打下了良好的基礎(chǔ)，也為國產(chǎn)飛機(jī)提供慣導(dǎo)系統(tǒng)配套開辟了良好前景。

1985年開始，我國開始研制裝機(jī)使用的慣導(dǎo)563平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)，經(jīng)過10余年的研制迭代，563系統(tǒng)于1994年被航定委批準(zhǔn)設(shè)計定型，成為第一個裝備軍機(jī)的國產(chǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)，解決了國內(nèi)軍用機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)的有無問題。為了提高實戰(zhàn)性能，我國開始著手研制一個性能與美國空軍標(biāo)準(zhǔn)慣導(dǎo)相當(dāng)?shù)暮娇諔T導(dǎo)系統(tǒng)573慣導(dǎo)系統(tǒng)。1999年，573慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計定型，試飛定位誤差0.77海里/小時，大大提高了慣導(dǎo)系統(tǒng)的實戰(zhàn)性能。

3.2 激光捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)

與國外發(fā)展潮流相同，激光陀螺及其激光捷聯(lián)導(dǎo)航系統(tǒng)是繼撓性器件慣導(dǎo)系統(tǒng)之后的更新?lián)Q代產(chǎn)品，1995年航空工業(yè)某研究所研制出漂移為0.12°/h的單軸抖動激光陀螺實驗室樣機(jī)。2000年，我國在此基礎(chǔ)上研制出國產(chǎn)化三軸塞曼激光陀螺組合樣機(jī)，研究應(yīng)用于空空導(dǎo)彈的激光陀螺，拉開了激光陀螺產(chǎn)品的序幕，“九五”末，航空工業(yè)某所研制的的5207激光陀螺三個軸的精度優(yōu)于0.05°/h，單軸精度達(dá)到0.03°/h。

2001開始，針對激光陀螺的研究逐漸進(jìn)入導(dǎo)航主業(yè)。2005年高精度抖動激光陀螺5213完成測試驗證，由研制轉(zhuǎn)向批生產(chǎn)，陀螺工程樣機(jī)精度達(dá)到0.005°/h，主要應(yīng)用于593激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，裝備于我國某型強(qiáng)擊機(jī)。2009年，小型化的抖動激光陀螺5219、GD116、GD138等研發(fā)成功，為我國有人機(jī)、無人機(jī)等新一代航姿系統(tǒng)提供了性能優(yōu)異的核心傳感器。此后的五年，抖動激光陀螺成活率取得重大突破、精度水平得以全面提升標(biāo)志著激光陀螺全譜系已建成。

2012年，航空工業(yè)某研究所研制出213J1激光捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，具有慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航能力，采用深組合(EGI)方案，使用機(jī)上任務(wù)系統(tǒng)按隱身要求設(shè)計的衛(wèi)星射頻信號實現(xiàn)“慣性/衛(wèi)星”組合導(dǎo)航。

3.3 長航時高精度慣性導(dǎo)航技術(shù)

2007年，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制出了國內(nèi)第一臺旋轉(zhuǎn)調(diào)制系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗測試，之后又開展了激光陀螺單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)至系統(tǒng)的研究工作，目前已完成位置精度1nm/8h的單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制系統(tǒng)。

此外國內(nèi)多家單位也先后展開了旋轉(zhuǎn)調(diào)制系統(tǒng)的研究工作，如中船、北航等，2007年，航空工業(yè)某研究所也開展了長航時高精度YG19雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制激光慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的研制，目前已擁有了單軸、雙軸、三軸旋轉(zhuǎn)方案的538新系列旋轉(zhuǎn)調(diào)制激光捷聯(lián)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)品譜系，位置精度可以達(dá)到500m/8h。

整體上來看，國內(nèi)機(jī)載慣導(dǎo)技術(shù)的研究起步晚于國外，目前我國軍用機(jī)載慣性導(dǎo)航技術(shù)與國外先進(jìn)水平相比還有較大差距，慣導(dǎo)產(chǎn)品在精度、可靠性與壽命上與霍尼韋爾等公司產(chǎn)品相比還有一段需要追趕的路程。