宋海凌，馬溢清

(海軍裝備研究院，北京 1000161)

0 引言

慣性技術(shù)是利用牛頓經(jīng)典力學(xué)和近代物理學(xué)原理進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)/軌跡測(cè)量與控制的應(yīng)用技術(shù)，涉及數(shù)學(xué)、力學(xué)、精密機(jī)械、自動(dòng)控制、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)、光學(xué)、精密加工工藝、材料等學(xué)科［1］，主要研究?jī)?nèi)容包括慣性?xún)x表、慣性系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航、慣性制導(dǎo)、慣性測(cè)量等。

在國(guó)防武器裝備技術(shù)體系中，慣性技術(shù)是天基、空基、?；完懟鶛C(jī)動(dòng)裝備導(dǎo)航定位、制導(dǎo)控制、穩(wěn)瞄穩(wěn)像、姿態(tài)測(cè)量和過(guò)載傳感的核心技術(shù)。慣性?xún)x表是慣性技術(shù)的基礎(chǔ)，陀螺和加速度計(jì)的技術(shù)狀態(tài)和水平是制約慣性技術(shù)研究?jī)?nèi)容的核心。

慣性技術(shù)的發(fā)展迄今為止已經(jīng)有100多年的歷史。從1908年安修茨研制出世界上第一臺(tái)擺式陀螺羅經(jīng)，到目前的基于哥氏效應(yīng)和薩格奈克效應(yīng)的微機(jī)電陀螺，慣性技術(shù)在軍民領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)陀螺來(lái)講，包括機(jī)械式陀螺、激光陀螺、光纖陀螺、撓性陀螺、微機(jī)電陀螺在內(nèi)的不同精度的陀螺在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。對(duì)加速度計(jì)而言，機(jī)械懸浮式、機(jī)械再平衡式和諧振式、石英撓性加速度計(jì)、微機(jī)電加速度計(jì)等應(yīng)用都非常廣泛。

根據(jù)慣性?xún)x表精度不同，慣性產(chǎn)品分為戰(zhàn)略、導(dǎo)航、戰(zhàn)術(shù)和商業(yè)等4個(gè)級(jí)別。圖1，2分別給出了陀螺和加速度計(jì)的精度范圍［2］。

1 慣性技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1．1 慣性技術(shù)的發(fā)展歷程

由于陀螺儀是慣性導(dǎo)航的核心部件，因此，可以按各種類(lèi)型陀螺出現(xiàn)的先后、理論的建立和新型傳感器制造技術(shù)的出現(xiàn)，將慣性技術(shù)的發(fā)展劃分為4代［1，3］。

第1代慣性技術(shù)指1930年以前的慣性技術(shù)。基于牛頓經(jīng)典力學(xué)原理，以機(jī)械框架式陀螺為典型代表，其特點(diǎn)是陀螺精度低，由其組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)陋，但對(duì)基礎(chǔ)理論進(jìn)行了驗(yàn)證和初步應(yīng)用，同時(shí)為后續(xù)慣性技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

第2代慣性技術(shù)開(kāi)始于20世紀(jì)40年代火箭發(fā)展的初期，其研究?jī)?nèi)容從慣性?xún)x表技術(shù)發(fā)展擴(kuò)大到慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用。以機(jī)械浮子式陀螺和擺式加速度計(jì)為典型代表，其特點(diǎn)是種類(lèi)多、精度高、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜。典型產(chǎn)品是美國(guó)MX洲際導(dǎo)彈用三浮儀表平臺(tái)系統(tǒng)，加速度測(cè)量誤差1×10－7g，陀螺漂移 1．5 ×10－5(°)/h。

第3代慣性技術(shù)基于薩格奈克效應(yīng)，以光學(xué)陀螺為典型代表，其特點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間短、動(dòng)態(tài)范圍大、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、易于維護(hù)、使用壽命長(zhǎng)。典型產(chǎn)品是美國(guó)Sperry公司研制成功MK39系列和MK49型激光陀螺捷聯(lián)式艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，精度范圍覆蓋了1n mile/8 h至1n mile/72 h。

第4代慣性技術(shù)基于哥氏效應(yīng)和薩格奈克效應(yīng)，以微機(jī)電、微光機(jī)電陀螺和加速度計(jì)為典型代表，其特點(diǎn)是體積小、成本低、中低精度、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、易于大批量生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化。典型產(chǎn)品是美國(guó)霍尼韋爾公司的HG1900系列微機(jī)電慣測(cè)裝置產(chǎn)品，陀螺精度達(dá)到20(°)/h。

1．2 國(guó)外慣性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

1．2．1 發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用情況［4－6］

國(guó)外慣性技術(shù)的發(fā)展已進(jìn)入光電和微機(jī)電時(shí)代。光學(xué)陀螺技術(shù)已基本成熟，并在各類(lèi)領(lǐng)域內(nèi)獲得了廣泛應(yīng)用［7－8］。20世紀(jì)90年代興起的微機(jī)電慣性技術(shù)的研究也初見(jiàn)成效，不但在商業(yè)領(lǐng)域內(nèi)獲得成功應(yīng)用，而且逐漸進(jìn)入了軍事領(lǐng)域。

在航天領(lǐng)域，隨著航天技術(shù)發(fā)展，對(duì)裝載在衛(wèi)星、飛船、運(yùn)載火箭上的慣性器件及系統(tǒng)在精度、使用壽命、體積、功耗等方面的要求日益提高。當(dāng)前在該領(lǐng)域典型應(yīng)用的技術(shù)產(chǎn)品主要包括光纖陀螺、半球諧振陀螺和部分傳統(tǒng)的機(jī)電陀螺等，精度范圍0.001～0.1(°)/h，主要為載體提供速度、姿態(tài)等導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制信息，為保持長(zhǎng)時(shí)間高精度工作，通常與星光敏感器組合使用。

在航空領(lǐng)域，慣性技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)歷了液浮、撓性、光學(xué)類(lèi)3個(gè)階段。目前在該領(lǐng)域液浮類(lèi)慣性器件及系統(tǒng)已很少使用，典型產(chǎn)品主要包括激光陀螺、光纖陀螺，精度范圍0.005～0.1(°)/h，主要為載體提供導(dǎo)航與姿態(tài)控制信息。

在航海領(lǐng)域，慣性系統(tǒng)由于裝備對(duì)象不同，相應(yīng)產(chǎn)品性能存在較大差異。以應(yīng)用于核潛艇為代表的高精度系統(tǒng)從液浮陀螺平臺(tái)系統(tǒng)發(fā)展到靜電陀螺導(dǎo)航儀，并輔助以重力無(wú)源導(dǎo)航技術(shù)。美軍已用激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)(AN/WSN－7A)代替靜電陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)(AN/WSN－3)，系統(tǒng)定位精度優(yōu)于1n mile/14 d。

在制導(dǎo)彈藥、無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域，精度較低，因此，低精度為主的小型光學(xué)陀螺及系統(tǒng)、石英類(lèi)、硅類(lèi)微機(jī)電陀螺等得以廣泛的應(yīng)用，陀螺精度范圍一般為1 ～100(°)/h。

在導(dǎo)彈領(lǐng)域，由于導(dǎo)彈的性能要求不同，相應(yīng)的慣性產(chǎn)品性能存在較大差異。例如，戰(zhàn)略導(dǎo)彈一般為高精度慣性系統(tǒng)，以傳統(tǒng)機(jī)電型陀螺及平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)為主，同時(shí)輔助以星光導(dǎo)航技術(shù)，陀螺精度范圍優(yōu)于0．001(°)/h。對(duì)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈而言，應(yīng)用在巡航導(dǎo)彈、空空導(dǎo)彈等各類(lèi)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的中低等精度系統(tǒng)主要為光學(xué)陀螺及捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，陀螺精度范圍0.01～10(°)/h;而應(yīng)用在航空制導(dǎo)炸彈、制導(dǎo)炮彈以低精度系統(tǒng)為主，陀螺精度范圍一般為1～100(°)/h。

1．2．2 趨勢(shì)分析［9－11］

國(guó)外慣性技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)以下特點(diǎn):

(1)各國(guó)慣性技術(shù)研究呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展趨勢(shì)

美國(guó)在大部分慣性技術(shù)方面領(lǐng)導(dǎo)了這個(gè)世界，并在精度、對(duì)準(zhǔn)、尺寸、質(zhì)量、可靠性、成本與數(shù)字處理方面正在逐步改進(jìn)。然而法國(guó)、以色列、英國(guó)、中國(guó)和俄羅斯正在迅速的減小這個(gè)差距，俄、中已生產(chǎn)出常規(guī)慣性產(chǎn)品，并在激光陀螺和光纖陀螺上擁有初步的生產(chǎn)能力。全球共有22個(gè)國(guó)家具有開(kāi)發(fā)或應(yīng)用慣性技術(shù)的能力，美國(guó)防部將這種能力分為有限能力、部分能力、大部分能力和全部能力4個(gè)等級(jí)，如表 1［7］所示。

表1 慣性技術(shù)能力劃分Table 1 Capability division of inertial navigation technology

(2)慣性系統(tǒng)的精度日益提高

以陀螺和加速度計(jì)為代表的慣性器件技術(shù)是慣性技術(shù)中的基礎(chǔ)和核心內(nèi)容，在強(qiáng)大的需求牽引下，國(guó)外慣性器件和系統(tǒng)精度日益提高。

激光陀螺技術(shù)已經(jīng)成熟，研究重點(diǎn)為降低成本和小型化。如 Honeywell公司的數(shù)字激光陀螺GG1320AN，在陸用戰(zhàn)車(chē)、民用航空、運(yùn)載火箭等不同領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

光纖陀螺正逐漸成熟，在部分應(yīng)用中已取代激光陀螺，并朝著更高精度方向發(fā)展。如 Northrop Grumman公司研制的以L(fǎng)N－251為代表的光纖捷聯(lián)慣性系統(tǒng)，導(dǎo)航精度達(dá)到0．8n mile/h。

微機(jī)電陀螺已在戰(zhàn)術(shù)級(jí)領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。Honeywell公司的HG1900系列微機(jī)電慣性測(cè)量組合，陀螺零偏穩(wěn)定性為1～30(°)/h，標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性300×10－6。微機(jī)電加速度計(jì)的精度與機(jī)械擺式再平衡加速度計(jì)的精度相仿，共同占據(jù)于低、中端應(yīng)用領(lǐng)域，擺式積分陀螺加速度計(jì)仍占據(jù)高端的應(yīng)用領(lǐng)域。

高精度的機(jī)電陀螺仍然占據(jù)著極高精度的應(yīng)用領(lǐng)域。如戰(zhàn)略導(dǎo)彈和核潛艇等武器裝備。

(3)慣性系統(tǒng)的成本呈現(xiàn)逐步降低趨勢(shì)

近年來(lái)，國(guó)外慣性器件及系統(tǒng)成本持續(xù)降低，主要原因有以下幾點(diǎn):

1)新原理、新技術(shù)的應(yīng)用使慣性產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)與維護(hù)成本不斷降低成為可能。在同等精度下，目前廣泛應(yīng)用的光學(xué)陀螺、振動(dòng)陀螺及微機(jī)電陀螺與早期的機(jī)電式陀螺相比，器件組成數(shù)量明顯減少，單只器件成本大幅降低。

2)慣性系統(tǒng)的系列化產(chǎn)品。如Northrop Grumman公司以高精度光纖陀螺為重要標(biāo)志的LN－251慣導(dǎo)系統(tǒng)研制成功后，又相繼推出了適應(yīng)飛機(jī)導(dǎo)航的LN－260和適應(yīng)陸用的LN－270系列化產(chǎn)品，系列化和模塊化有效降低了成本。

(4)慣性系統(tǒng)快速反應(yīng)能力不斷增強(qiáng)

慣導(dǎo)系統(tǒng)的準(zhǔn)備時(shí)間是影響精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)快速反應(yīng)能力的重要指標(biāo)。限制武器系統(tǒng)反應(yīng)速度的主要因素是慣導(dǎo)的初始對(duì)準(zhǔn)方法。動(dòng)平臺(tái)下慣性系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)技術(shù)是解決快速初始對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)。目前，國(guó)外大部分慣性產(chǎn)品均具備運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)能力，而且對(duì)準(zhǔn)時(shí)間得到顯著的縮短。

(5)小型化、低功耗的慣性器件發(fā)展成果顯著［7，12］

慣性器件零部件的減少使得慣導(dǎo)系統(tǒng)、慣性測(cè)量裝置的體積不斷減小，功耗不斷降低，以光學(xué)陀螺為核心的光學(xué)慣導(dǎo)系統(tǒng)體積不斷變小。如Kearfott公司的T－10三軸激光陀螺僅有高爾夫球大小。

(6)慣性系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可靠性高，維修性好

隨著光學(xué)陀螺、微機(jī)電器件的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)的復(fù)雜性明顯降低，慣導(dǎo)器件及系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)能力大幅度提高，可承受的沖擊振動(dòng)量級(jí)更大、工作溫度范圍更寬，也更加適應(yīng)精確制導(dǎo)武器的需求。

國(guó)外激光慣導(dǎo)系統(tǒng)基本可靠性MTBF值基本已超過(guò)1萬(wàn)h，光纖慣導(dǎo)系統(tǒng)MTBF超過(guò)2萬(wàn)h。

(7)新型慣性技術(shù)不斷涌現(xiàn)

自20世紀(jì)90年代至今，隨著納米技術(shù)、原子光學(xué)技術(shù)、超導(dǎo)材料技術(shù)以及儀器儀表測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，以納米級(jí)結(jié)構(gòu)效應(yīng)、原子干涉技術(shù)及超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)為基礎(chǔ)的納機(jī)電系統(tǒng)、激光原子干涉陀螺技術(shù)和超導(dǎo)陀螺技術(shù)等日益引起廣泛關(guān)注。

綜上所述，經(jīng)過(guò)多年的持續(xù)發(fā)展，發(fā)達(dá)國(guó)家大部分慣性技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)品狀態(tài)，各種慣性器件、儀表的成本得到持續(xù)降低，新型慣性技術(shù)不斷涌現(xiàn)，發(fā)展勢(shì)頭迅猛。

1．3 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

在撓性陀螺及系統(tǒng)技術(shù)方面，由撓性陀螺組成的平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)、捷聯(lián)慣測(cè)裝置已廣泛應(yīng)用在各種戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略導(dǎo)彈、作戰(zhàn)飛機(jī)、航天飛機(jī)以及空間飛行器中，但在動(dòng)態(tài)適應(yīng)性、陀螺壽命、可靠性等方面與國(guó)外相比還存在一定差距。

在激光陀螺及系統(tǒng)技術(shù)方面，由激光陀螺組成的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于海陸空天各種制導(dǎo)武器及武器平臺(tái)的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)。

在導(dǎo)彈武器領(lǐng)域，采用光纖陀螺組成的慣導(dǎo)系統(tǒng)已成功應(yīng)用于部分精確制導(dǎo)武器。還需在啟動(dòng)時(shí)間、環(huán)境適應(yīng)性等方面進(jìn)一步深入研究。

2 海軍武器裝備對(duì)慣性技術(shù)的需求

2．1 海軍武器裝備對(duì)慣性?xún)x表和系統(tǒng)的需要特點(diǎn)

(1)高精度、高動(dòng)態(tài)

超聲速巡航導(dǎo)彈、超空泡魚(yú)雷等新型武器裝備在動(dòng)態(tài)特性不斷提高的同時(shí)，自主精確打擊能力也在逐步提升，慣性系統(tǒng)需要長(zhǎng)時(shí)間提供高精度的導(dǎo)航信息，對(duì)慣性器件和慣性系統(tǒng)的要求主要體現(xiàn)在高精度、高動(dòng)態(tài)等方面。

(2)自主性及隱蔽性

慣性系統(tǒng)應(yīng)具有自主、隱蔽、連續(xù)、精確和可靠的使用特征，能夠保證在各種條件下長(zhǎng)期、自主、安全、準(zhǔn)確、隱蔽地動(dòng)作。為確保武器裝備不依賴(lài)于外界信息支持而獨(dú)立作戰(zhàn)的能力，必須盡量減少電磁輻射。對(duì)采用組合導(dǎo)航的系統(tǒng)，也需要保證在外界信息全部中止時(shí)，仍然能夠滿(mǎn)足武器裝備對(duì)導(dǎo)航信息的最低需求。

(3)更短的準(zhǔn)備時(shí)間

各類(lèi)巡航導(dǎo)彈、反艦導(dǎo)彈、反輻射導(dǎo)彈、防空導(dǎo)彈等構(gòu)成了信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的主戰(zhàn)裝備，迫切需要提高快速反應(yīng)和機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)能力，最快的應(yīng)用只允許有幾秒鐘的反應(yīng)時(shí)間，所以要求陀螺能瞬時(shí)啟動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)，滿(mǎn)足制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的需要。

(4)更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性

武器裝備的使用環(huán)境復(fù)雜，力學(xué)、電磁、溫度、空間等條件惡劣，因此慣性系統(tǒng)必須具有很好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠適應(yīng)各種高動(dòng)態(tài)環(huán)境條件，并應(yīng)有足夠的可靠性。

(5)高可靠性、更長(zhǎng)的貯存壽命和性能保持期

武器裝備通常都要求慣性系統(tǒng)具有較高的可靠性，降低對(duì)使用維護(hù)保障的難度。對(duì)于長(zhǎng)期貯存的武器裝備，要求慣性器件能在長(zhǎng)期貯存條件下始終保持性能穩(wěn)定，具有較高的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，免標(biāo)定。

(6)微型化、低功耗

對(duì)未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)可能產(chǎn)生重大影響的新概念武器如動(dòng)能武器、人工智能武器以及戰(zhàn)場(chǎng)上大量應(yīng)用的中近程戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、制導(dǎo)炸彈、制導(dǎo)炮彈、無(wú)人飛機(jī)等，宜采用微體積、低功耗的微機(jī)電慣性器件及系統(tǒng)。

(7)高性能/價(jià)格比

隨著武器裝備對(duì)慣性系統(tǒng)的需求逐步擴(kuò)大，慣性系統(tǒng)應(yīng)具有較低的成本、較高的性能/價(jià)格比，以適應(yīng)批量裝備的要求。

2．2 海軍武器裝備對(duì)慣性技術(shù)的需求分析

海軍武器裝備特別是戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，對(duì)慣性技術(shù)產(chǎn)品需求特點(diǎn)為:啟動(dòng)時(shí)間短、動(dòng)態(tài)范圍大、抗強(qiáng)沖擊、中高精度、較小的體積和質(zhì)量，而且，由于裝載量大，對(duì)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性要求較高。

2．2．1 對(duì)精度的要求

海軍戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈對(duì)慣性?xún)x表及導(dǎo)航系統(tǒng)的精度要求跟武器系統(tǒng)的使用任務(wù)、戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能要求等直接相關(guān)。戰(zhàn)術(shù)級(jí)、導(dǎo)航級(jí)和戰(zhàn)略級(jí)在海軍武器裝備中都有相應(yīng)的需求。

在常規(guī)彈藥上加裝的制導(dǎo)裝置，精度要求多為戰(zhàn)術(shù)級(jí)低端。該精度的慣性?xún)x表在常規(guī)制導(dǎo)彈藥上有著廣闊的應(yīng)用背景。

無(wú)人機(jī)將在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)發(fā)揮非常重要的作用。近年來(lái)，作為偵察、干擾和制導(dǎo)武器的發(fā)射平臺(tái)，無(wú)人機(jī)得到了快速的發(fā)展。無(wú)人機(jī)會(huì)成為戰(zhàn)術(shù)級(jí)中低端慣性?xún)x表重要的裝載平臺(tái)。

2．2．2 對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的要求

戰(zhàn)術(shù)武器裝備使用環(huán)境復(fù)雜，貯存周期長(zhǎng)，可靠性要求高，飛行條件下的噪聲、過(guò)載、溫度等條件惡劣，因此，要求慣性系統(tǒng)必須具有很高的性能并具有較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

2．2．3 其他要求

武器成本高一直是制約海軍精確制導(dǎo)武器大量裝備與使用的關(guān)鍵問(wèn)題之一。對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)而言，合理的價(jià)格仍然是重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。體積小、質(zhì)量輕、功耗低等也是海軍精確制導(dǎo)武器非常關(guān)注的問(wèn)題。此外，慣性系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力也是武器裝備關(guān)注的重點(diǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

海軍使命任務(wù)的不斷提高對(duì)武器裝備的能力提出了更高的要求。為適應(yīng)作戰(zhàn)能力的需要，要求作戰(zhàn)平臺(tái)和作戰(zhàn)武器需具備復(fù)雜環(huán)境下自主導(dǎo)航、中遠(yuǎn)程精確打擊、靈敏及時(shí)準(zhǔn)確定位的能力，同時(shí)，對(duì)成本、可靠性、穩(wěn)定性等提出了更高的要求。

慣性技術(shù)是現(xiàn)代精確打擊武器實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、精確打擊、準(zhǔn)確定位的核心信息源。慣性技術(shù)產(chǎn)品作為掌握和控制信息能力的關(guān)鍵因素，其工作的精確性、連續(xù)性、完整性、易用性等，對(duì)武器裝備的精度、機(jī)動(dòng)性、快速性、靈活性和生存能力等都有決定性的影響。

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