尤太華 禹春梅 杜建邦

北京航天自動(dòng)控制研究，北京 100854

隨著戰(zhàn)爭(zhēng)形勢(shì)以及作戰(zhàn)體系的不斷演變，實(shí)戰(zhàn)化與攻防對(duì)抗的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境以及協(xié)同作戰(zhàn)模式下精確打擊需求，對(duì)導(dǎo)彈武器的飛行控制提出了更高的要求，而慣性導(dǎo)航作為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制與精確制導(dǎo)不可缺少的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，面對(duì)越來(lái)越復(fù)雜的任務(wù)剖面與越來(lái)越高的精度需求該如何發(fā)展？

縱觀慣性導(dǎo)航的發(fā)展，依靠新概念測(cè)量原理與器件、先進(jìn)制造工藝、計(jì)算機(jī)三方面科學(xué)技術(shù)的支撐而不斷發(fā)展[1]，測(cè)量原理先后經(jīng)歷了從基于經(jīng)典牛頓力學(xué)到薩格奈克效應(yīng)、哥氏振動(dòng)效應(yīng)，再到現(xiàn)代量子力學(xué)的變革；以機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺支承為典型代表的制造工藝從滾珠軸承到液浮、氣浮，再到磁浮、靜電支承取得了不斷的進(jìn)步；計(jì)算機(jī)技術(shù)更是促進(jìn)了慣性導(dǎo)航從應(yīng)用精度到系統(tǒng)可靠性，再到平臺(tái)與捷聯(lián)多樣化、持續(xù)性的發(fā)展?；旌鲜綉T導(dǎo)正是在眾多技術(shù)發(fā)展中一種提升慣性導(dǎo)航使用性能的途徑，該技術(shù)目前已在大型艦艇、飛機(jī)導(dǎo)航中廣泛應(yīng)用，在更為復(fù)雜的彈載應(yīng)用環(huán)境下是否能夠滿足高可靠、高精度的導(dǎo)航需求，已成為各方關(guān)注與研究的熱點(diǎn)。本文從理論與工程實(shí)踐相結(jié)合的角度，對(duì)該技術(shù)的過(guò)去(起源與發(fā)展歷程)、現(xiàn)在(誤差抑制的機(jī)理)、以及將來(lái)(在彈載環(huán)境下如何應(yīng)用)進(jìn)行探討。

1 混合式慣導(dǎo)的起源與發(fā)展

1.1 混合式慣導(dǎo)的概念

對(duì)于混合式慣導(dǎo)，通常描述為集合平臺(tái)的結(jié)構(gòu)、捷聯(lián)的算法、旋轉(zhuǎn)調(diào)制誤差抑制等技術(shù)于一體的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。在不提高慣性器件精度要求的情況下，充分利用平臺(tái)框架穩(wěn)定控制，隔離載體角運(yùn)動(dòng)的干擾，為慣性儀表創(chuàng)造良好的工作環(huán)境，并結(jié)合捷聯(lián)算法在旋轉(zhuǎn)調(diào)制效應(yīng)下的誤差抑制，利用周期性的平均抵消來(lái)減小慣性器件誤差的積累，以提高導(dǎo)航精度。

根據(jù)應(yīng)用剖面與精度需求的不同，混合式慣導(dǎo)穩(wěn)定框架也不盡相同，有兩框架、三框架等形式；旋轉(zhuǎn)軸也不盡相同，有單軸旋轉(zhuǎn)、雙軸旋轉(zhuǎn)等形式；工作模式也不盡相同，有跟蹤當(dāng)?shù)厮健T性空間穩(wěn)定或旋轉(zhuǎn)調(diào)制等組合模式。歸根結(jié)底混合式慣導(dǎo)的方案與任務(wù)需求、應(yīng)用環(huán)境密切相關(guān)。

1.2 混合式慣導(dǎo)的起源與發(fā)展

該技術(shù)的萌芽為上世紀(jì)五十年代，最初發(fā)現(xiàn)慣性平臺(tái)系統(tǒng)中通過(guò)旋轉(zhuǎn)可以平均掉轉(zhuǎn)子的有害干擾力矩，進(jìn)而提高其性能。

該技術(shù)起源于上世紀(jì)60年代末，研究發(fā)現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)平均技術(shù)應(yīng)用于平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)可以有效抑制慣性儀表常值誤差，提高平臺(tái)導(dǎo)航精度，并將采用旋轉(zhuǎn)平均技術(shù)的此類平臺(tái)系統(tǒng)稱為旋轉(zhuǎn)式平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)。對(duì)于高精度需求，由靜電陀螺組成的慣導(dǎo)系統(tǒng)開始采用旋轉(zhuǎn)方式對(duì)器件誤差進(jìn)行抑制，在C-IV慣導(dǎo)系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)首次應(yīng)用，當(dāng)時(shí)該方案被稱為“輪盤木馬”，美軍曾大量采購(gòu)該系列慣導(dǎo)，應(yīng)用包括C-141運(yùn)輸機(jī)、C-5A運(yùn)輸機(jī)、波音KC-135加油機(jī)等。

該技術(shù)的發(fā)展開始于上世紀(jì)七十年代，隨著光學(xué)陀螺的出現(xiàn)與捷聯(lián)系統(tǒng)的興起，在1980年Sperry利用磁偏頻激光陀螺研制的單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)，采用四位置轉(zhuǎn)停(-45°、-135°、+45°、+135°順序轉(zhuǎn)動(dòng))，每個(gè)位置鎖定11min，旋轉(zhuǎn)速率為10°/s，隨后以二頻機(jī)抖陀螺在MK39Mod3A、3B的基礎(chǔ)上發(fā)展了MK39Mod3C單軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，自主導(dǎo)航精度達(dá)到1nm/24h以內(nèi)；1984年Litton研制的AN/WSN-5L船用環(huán)形激光陀螺慣導(dǎo)，采用速率偏頻技術(shù)，旋轉(zhuǎn)部件具有1800°的活動(dòng)度，工作時(shí)限于1440°，轉(zhuǎn)臺(tái)以±720°方式往返旋轉(zhuǎn)，該系統(tǒng)1993年裝備了美國(guó)海軍阿里·伯克級(jí)DDG64號(hào)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦；1984年Honeywell開始采用高精度GG1342環(huán)形激光陀螺進(jìn)行海上試驗(yàn)，由計(jì)算機(jī)控制繞每個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)±180°來(lái)消除慣性儀表的誤差，系統(tǒng)采用4h的對(duì)準(zhǔn)時(shí)間和16h的校準(zhǔn)時(shí)間；1985年Rockwell研制的環(huán)形激光陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)采用單軸旋轉(zhuǎn)方式，轉(zhuǎn)動(dòng)順序?yàn)橐?0°/s的速度轉(zhuǎn)動(dòng)6圈，然后反轉(zhuǎn)6圈，正反轉(zhuǎn)方式消除掉了環(huán)形激光陀螺的閉鎖問(wèn)題，同時(shí)還平均掉了陀螺和加表的誤差在水平方向上的分量；1988年Litef為德國(guó)海軍潛艇研制的PL41MK4型激光陀螺單軸旋轉(zhuǎn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，采用速率偏頻方案，選用3個(gè)腔長(zhǎng)28cm的環(huán)形激光陀螺，具有平臺(tái)式系統(tǒng)的穩(wěn)定性和捷聯(lián)式系統(tǒng)的簡(jiǎn)單性、緊湊性和堅(jiān)固性，系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間為30min，16h精確標(biāo)校陀螺零位，其中MOD2定位精度為1nm/24h；1989年Sperry與Honeywell合作研制了MK49高精度船用環(huán)形激光陀螺導(dǎo)航儀，當(dāng)時(shí)稱為MARLIN，選用Honeywell生產(chǎn)的GG1342二頻機(jī)抖激光陀螺，采用雙軸轉(zhuǎn)位180°旋轉(zhuǎn)，被選為北約12個(gè)國(guó)家海軍的船用標(biāo)準(zhǔn)慣導(dǎo)系統(tǒng)；二十世紀(jì)末Northrop Grumman在MK39Mod3C的基礎(chǔ)上發(fā)展了AN/WSN-7B，使用Honeywell DIG-20激光陀螺，精度優(yōu)于1nm/24h。隨后又在MK49的基礎(chǔ)上發(fā)展了雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)的AN/WSN-7A，在沒(méi)有GPS輔助的情況下能夠提供14天的導(dǎo)航能力。AN/WSN-7系列已成為美國(guó)海軍水面艦船和潛艇的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。1994年，光纖陀螺性能有了突破性進(jìn)展，美國(guó)啟動(dòng)光纖陀螺戰(zhàn)略核潛艇導(dǎo)航計(jì)劃，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)方案[2]。

目前該技術(shù)仍在持續(xù)發(fā)展，也呈現(xiàn)多樣性。在慣性儀表整體旋轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了各軸單表分別旋轉(zhuǎn)等模式；在慣性儀表正交安裝的模式上出現(xiàn)了斜置安裝以減小轉(zhuǎn)軸方向誤差影響等模式；在旋轉(zhuǎn)方式上也出現(xiàn)轉(zhuǎn)停和連續(xù)旋轉(zhuǎn)等多種形式。

1.3 混合式慣導(dǎo)的發(fā)展與應(yīng)用啟示

根據(jù)混合式慣導(dǎo)的發(fā)展與應(yīng)用情況可知：

(1)從技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，主流技術(shù)方向均為系統(tǒng)級(jí)旋轉(zhuǎn)模式，多為轉(zhuǎn)停方案，并且隨著精度需求的提升，儀表精度逐步提高，也從單軸旋轉(zhuǎn)逐步發(fā)展為雙軸、三軸旋轉(zhuǎn)，精度高，相應(yīng)系統(tǒng)復(fù)雜、造價(jià)貴，與其尺寸重量約束、重復(fù)利用、可維護(hù)維修等應(yīng)用特點(diǎn)相關(guān)。

(2)從任務(wù)的需求來(lái)看，目前的應(yīng)用均存在長(zhǎng)航時(shí)對(duì)高精度導(dǎo)航的要求，在慣性器件精度一定的條件下，隨著導(dǎo)航時(shí)間積累越長(zhǎng)，采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制誤差抑制的效果越明顯，并且初始準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，以減小初始姿態(tài)偏差的影響，彈載應(yīng)用中飛行時(shí)間相對(duì)較短，且初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間也短，不利于旋轉(zhuǎn)調(diào)制誤差抑制的體現(xiàn)。

(3)從應(yīng)用的場(chǎng)景來(lái)看，任務(wù)剖面中溫度與力學(xué)環(huán)境均相對(duì)穩(wěn)定，為旋轉(zhuǎn)調(diào)制提供了良好的環(huán)境，并可以利用外部信息進(jìn)行阻尼，以降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，另外工作模式也多為單一的旋轉(zhuǎn)調(diào)制，彈載應(yīng)用力學(xué)與溫度環(huán)境復(fù)雜，特別是存在大過(guò)載與大范圍機(jī)動(dòng)，隔離角運(yùn)動(dòng)干擾難度相對(duì)較大，并且彈載對(duì)尺寸重量以及可靠性有嚴(yán)格的要求。

對(duì)比分析可以看出，混合式慣導(dǎo)在彈載應(yīng)用將面臨著更高的費(fèi)效比要求、更為復(fù)雜的環(huán)境條件、以及更為嚴(yán)苛的可靠性等諸多挑戰(zhàn)。

2 混合式慣導(dǎo)誤差抑制的機(jī)理

2.1 混合式慣導(dǎo)工作原理

混合式慣導(dǎo)以捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法的機(jī)械編排為基礎(chǔ)，通過(guò)陀螺與加表分別敏感相對(duì)于慣性空間的角速度與比力，當(dāng)采用慣性器件整體旋轉(zhuǎn)調(diào)制，則利用旋變或光柵等高精度測(cè)角傳感器將其轉(zhuǎn)換為臺(tái)體坐標(biāo)系相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的輸出，穩(wěn)定框架不同于傳統(tǒng)慣性平臺(tái)，采用全數(shù)字方式進(jìn)行穩(wěn)定控制，根據(jù)導(dǎo)航坐標(biāo)系的選取可以將臺(tái)體控制為跟蹤當(dāng)?shù)氐仄交驊T性空間穩(wěn)定等工作模式[3]。典型的混合式慣導(dǎo)機(jī)械編排如下圖所示：

圖1 混合式慣導(dǎo)的典型機(jī)械編排

混合式慣導(dǎo)當(dāng)框架鎖緊時(shí)，其工作與傳統(tǒng)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航一致，上圖中矩陣E即為單位陣，加表與陀螺輸出經(jīng)矩陣M坐標(biāo)轉(zhuǎn)換在“數(shù)學(xué)平臺(tái)”積分輸出速度、位置與姿態(tài)；當(dāng)框架穩(wěn)定控制時(shí)，根據(jù)陀螺與測(cè)角傳感器的輸出可以計(jì)算出臺(tái)體姿態(tài)矩陣C，其接近單位陣，與框架穩(wěn)定控制精度有關(guān)，彈體姿態(tài)可以由臺(tái)體姿態(tài)與框架角傳感器精確給出，加表通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至導(dǎo)航坐標(biāo)系后直接積分得到速度、位置。混合式慣導(dǎo)主要通過(guò)平臺(tái)的空間穩(wěn)定與旋轉(zhuǎn)調(diào)制等技術(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)誤差、器件誤差進(jìn)行抑制。

2.2 空間穩(wěn)定模式下的誤差抑制

(1)相對(duì)于傳統(tǒng)捷聯(lián)的誤差抑制

混合式慣導(dǎo)相對(duì)于傳統(tǒng)捷聯(lián)慣導(dǎo)，其空間穩(wěn)定模式利用框架控制隔離載體角運(yùn)動(dòng)，可以有效抑制捷聯(lián)解算中不可交換性帶來(lái)的各種動(dòng)態(tài)誤差以及由于陀螺與加表非理想的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性不一致帶來(lái)的導(dǎo)航誤差。

混合式慣導(dǎo)將框架穩(wěn)定控制至導(dǎo)航坐標(biāo)系或其附近，對(duì)角運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了完全隔離或使得角運(yùn)動(dòng)處于較小范圍，從而抑制了慣性測(cè)量器件由于受到環(huán)境振動(dòng)或本身具有的角運(yùn)動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生的誤差，這是傳統(tǒng)捷聯(lián)慣導(dǎo)典型的動(dòng)態(tài)誤差。同時(shí)，在工程應(yīng)用中陀螺與加表存在非理想的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，并且二者可能存在不一致，特別是對(duì)于彈載應(yīng)用，當(dāng)再入機(jī)動(dòng)飛行時(shí)既有大的過(guò)載又有大范圍角運(yùn)動(dòng)激勵(lì)的情況下傳統(tǒng)捷聯(lián)解算則產(chǎn)生較大的導(dǎo)航誤差[4]，以某一型激光陀螺與加表的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、某一飛行軌跡為例說(shuō)明動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性不一致對(duì)導(dǎo)航的影響，仿真計(jì)算的速度偏差如圖所示：

(2)不同穩(wěn)定模式下誤差抑制差異

混合式慣導(dǎo)穩(wěn)定模式可以跟蹤導(dǎo)航坐標(biāo)系，也可以跟蹤推力矢量的方向。對(duì)于艦船或飛機(jī)應(yīng)用中多為跟蹤當(dāng)?shù)氐仄阶鴺?biāo)系，對(duì)于彈載應(yīng)用，可以跟蹤慣性空間或跟蹤推力矢量方向。對(duì)于慣性空間穩(wěn)定與推力跟蹤在不同的飛行剖面激勵(lì)下對(duì)誤差的抑制不同，慣性空間穩(wěn)定抑制的主要是陀螺誤差，推力跟蹤抑制的主要是加表誤差。二者的對(duì)比如下表所示：

圖2 加表與陀螺動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及導(dǎo)航速度誤差

表1 慣性空間穩(wěn)定與推力跟蹤對(duì)比

2.3 旋轉(zhuǎn)調(diào)制模式下的誤差抑制

2.3.1 旋轉(zhuǎn)調(diào)制誤差抑制的原理

對(duì)于旋轉(zhuǎn)調(diào)制誤差抑制的原理，在此以基于地理坐標(biāo)系的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航誤差方程、繞天向Z軸旋轉(zhuǎn)為例，分別從時(shí)域與頻域分析誤差抑制的機(jī)理。

地理系下捷聯(lián)慣性導(dǎo)航誤差方程：

(1)

(1)時(shí)域內(nèi)旋轉(zhuǎn)調(diào)制誤差抑制機(jī)理

(2)

如上式所示，姿態(tài)誤差與速度誤差中的水平分量均為三角函數(shù)的線性組合，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為2π或其整數(shù)倍時(shí)，水平分量積分為零，即通過(guò)繞Z軸的整圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，X和Y軸的儀表誤差引起的系統(tǒng)誤差經(jīng)積分后抵消了，沿Z軸方向的儀表誤差引起的系統(tǒng)誤差傳播規(guī)律卻沒(méi)有發(fā)生變化，也就是說(shuō)通過(guò)慣性測(cè)量單元的旋轉(zhuǎn)可以使與轉(zhuǎn)軸方向垂直的儀表誤差得到周期性的調(diào)制[5]。因此，時(shí)域內(nèi)旋轉(zhuǎn)調(diào)制誤差抑制的本質(zhì)為周期性的改變姿態(tài)陣的值，從而使陀螺與加表誤差在導(dǎo)航坐標(biāo)系下均值盡量接近零，以此來(lái)減少系統(tǒng)誤差的積累。

(2)頻域內(nèi)旋轉(zhuǎn)調(diào)制誤差抑制機(jī)理

將捷聯(lián)慣性導(dǎo)航誤差方程進(jìn)一步簡(jiǎn)化為靜基座，表示為狀態(tài)空間形式：

(3)

按照現(xiàn)代控制理論中非齊次定常系統(tǒng)的求解方法，方程的解可表示為：

(4)

該狀態(tài)方程的解是由兩部分組成，第一部分是系統(tǒng)自由運(yùn)動(dòng)引起的，它是系統(tǒng)初始狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，系統(tǒng)初始狀態(tài)誤差的傳播特性與傳統(tǒng)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航保持一致，其振蕩周期仍為舒拉周期、地球自轉(zhuǎn)周期、傅科周期；第二部分是由控制輸入引起的，它與輸入函數(shù)的性質(zhì)和大小有關(guān)，通過(guò)傳遞函數(shù)分析可知，旋轉(zhuǎn)調(diào)制后與傳統(tǒng)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)相比多了一對(duì)共軛極點(diǎn)，則對(duì)應(yīng)多了一項(xiàng)與旋轉(zhuǎn)角速率對(duì)應(yīng)的振蕩周期2π/ωz。由此可見(jiàn)系統(tǒng)引入旋轉(zhuǎn)調(diào)制就是改變了控制輸入，進(jìn)而改變了誤差在系統(tǒng)中的傳播規(guī)律。

以部分姿態(tài)和速度誤差為例，旋轉(zhuǎn)前后等效的器件誤差與姿態(tài)、速度誤差之間的頻域表示如2表所示：

表2 部分姿態(tài)與速度誤差的頻域表示

注：ωs為舒勒周期、ωie為地球自轉(zhuǎn)周期、ωz為旋轉(zhuǎn)周期

2.3.2 誤差抑制影響因素分析

(1)從捷聯(lián)慣性導(dǎo)航誤差方程的時(shí)域與頻域分析可以看出，初始基準(zhǔn)誤差包括初始姿態(tài)誤差與速度、位置誤差的傳播特性不受旋轉(zhuǎn)調(diào)制影響，其仍以狀態(tài)轉(zhuǎn)移進(jìn)行傳播，因此在工程中利用旋轉(zhuǎn)調(diào)制減小慣性器件工具誤差提高導(dǎo)航精度的同時(shí)，需要確保一定的初始基準(zhǔn)精度。

(2)根據(jù)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航誤差方程可知，旋轉(zhuǎn)調(diào)制不能對(duì)外部場(chǎng)進(jìn)行誤差抑制，包括引力場(chǎng)、磁場(chǎng)等引起的漂移誤差[6]，即誤差不是源自于慣性器件本身，而是由外部原因引起的，則旋轉(zhuǎn)調(diào)制不能將其調(diào)制平均為零。

(3)旋轉(zhuǎn)調(diào)制對(duì)誤差的抑制與慣性器件的性能有關(guān)，對(duì)于相關(guān)時(shí)間遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)動(dòng)周期的儀表慢變誤差，即在轉(zhuǎn)動(dòng)周期積分時(shí)間內(nèi)視為常值，其誤差可以被抑制，對(duì)相關(guān)時(shí)間小于轉(zhuǎn)動(dòng)周期的儀表誤差不能調(diào)制。

(4)旋轉(zhuǎn)調(diào)制是相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系進(jìn)行的平均調(diào)制，單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制了水平方向上慣性儀表的常值漂移，當(dāng)轉(zhuǎn)軸與水平不垂直時(shí)，只能部分調(diào)制，因此在工程應(yīng)用中對(duì)載體角運(yùn)動(dòng)的隔離程度影響旋轉(zhuǎn)誤差抑制的效果。

(5)單軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸向陀螺標(biāo)度因數(shù)引入的誤差的大小與轉(zhuǎn)動(dòng)的速率和轉(zhuǎn)動(dòng)形式有關(guān)，如果單向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，則標(biāo)度因數(shù)誤差會(huì)在旋轉(zhuǎn)軸向引起常值輸出誤差，通常采用正反轉(zhuǎn)的方式減小旋轉(zhuǎn)軸向標(biāo)度因數(shù)誤差的影響，正反轉(zhuǎn)可以抵消垂直于旋轉(zhuǎn)軸方向上的非對(duì)稱性標(biāo)度因數(shù)誤差，也可以抵消旋轉(zhuǎn)軸方向上由于轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的對(duì)稱性標(biāo)度因數(shù)誤差。

(6)單軸轉(zhuǎn)動(dòng)將垂直于轉(zhuǎn)軸方向上的安裝誤差角帶來(lái)的影響調(diào)制平均為零，但不能調(diào)制轉(zhuǎn)軸向上的影響。由于垂直于轉(zhuǎn)軸方向上的安裝誤差與轉(zhuǎn)動(dòng)的耦合作用，將產(chǎn)生附加的鋸齒波速度誤差，另外旋轉(zhuǎn)調(diào)制相對(duì)于傳統(tǒng)捷聯(lián)模式，由于旋轉(zhuǎn)帶來(lái)加表的尺寸效應(yīng)，工程應(yīng)用中應(yīng)減小該因素帶來(lái)的干擾加速度。

3 混合式慣導(dǎo)在彈載環(huán)境下應(yīng)用的思考

3.1 彈載環(huán)境下混合式慣導(dǎo)可用性問(wèn)題

對(duì)于混合式慣導(dǎo)在彈載環(huán)境下的可用性問(wèn)題，作為眾多慣性導(dǎo)航方式之一，從理論的角度，混合式慣導(dǎo)提高純慣性導(dǎo)航精度是可行的；從工程的角度，應(yīng)從彈載導(dǎo)航誤差因素與精度指標(biāo)鏈、系統(tǒng)約束與可靠性以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)一體化等角度綜合分析其費(fèi)效比，評(píng)價(jià)是否為該任務(wù)需求下的最佳實(shí)踐。

(1)彈載導(dǎo)航誤差因素與精度指標(biāo)鏈分析

根據(jù)任務(wù)需求充分論證實(shí)現(xiàn)精度指標(biāo)鏈閉合的各種導(dǎo)航方案，在綜合對(duì)比各種導(dǎo)航方案指標(biāo)滿足性、使用性需求、可靠性需求等方面的工程實(shí)現(xiàn)性的基礎(chǔ)上，精確提出對(duì)純慣性導(dǎo)航的精度指標(biāo)要求；以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步分析全任務(wù)剖面下的誤差因素，綜合評(píng)價(jià)各種誤差因素的占比，確保各種誤差分配的指標(biāo)協(xié)調(diào)匹配。譬如，彈載飛行時(shí)間相對(duì)于艦船或飛機(jī)應(yīng)用而言較短，實(shí)戰(zhàn)化條件下初始對(duì)準(zhǔn)的時(shí)間也較短，但初始基準(zhǔn)誤差以及長(zhǎng)時(shí)間飛行中擾動(dòng)引力帶來(lái)的誤差不能調(diào)制，目前彈載應(yīng)用中，其對(duì)導(dǎo)航精度的影響遠(yuǎn)大于慣性器件可被旋轉(zhuǎn)調(diào)制的誤差，因此，混合式慣導(dǎo)能否彈載應(yīng)用取決于在各種誤差因素與精度指標(biāo)鏈分析中能否確保其精度優(yōu)勢(shì)的充分體現(xiàn)。

(2)系統(tǒng)約束與可靠性的分析

彈載應(yīng)用不同于混合式慣導(dǎo)在艦船、飛機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)用，系統(tǒng)在尺寸重量等方面有嚴(yán)格的要求，但又與混合式慣導(dǎo)實(shí)現(xiàn)彈載全姿態(tài)控制、具有良好動(dòng)態(tài)響應(yīng)等對(duì)框架的要求，以及誤差抑制對(duì)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的要求等存在矛盾，并且不同于重復(fù)利用、可維護(hù)與維修，彈載應(yīng)用對(duì)混合式慣導(dǎo)的飛行可靠性遠(yuǎn)高于艦船、飛機(jī)等領(lǐng)域應(yīng)用的要求。另外，傳統(tǒng)的慣性平臺(tái)與慣組在多年的彈載應(yīng)用中設(shè)計(jì)、工藝、元器件等質(zhì)量問(wèn)題頻發(fā)，混合式慣導(dǎo)結(jié)合了慣性平臺(tái)與捷聯(lián)慣組，特別是在彈載復(fù)雜的環(huán)境下對(duì)其可靠性的要求仍將是一大挑戰(zhàn)。

(3)技術(shù)經(jīng)濟(jì)一體化的分析

對(duì)于彈載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的選用，必須針對(duì)并滿足應(yīng)用的需求，其中導(dǎo)航性能(尤其是精度與使用性)和價(jià)格成本是首要的兩個(gè)特性指標(biāo)。價(jià)格成本包含系統(tǒng)自身成本、維護(hù)成本等?；旌鲜綉T導(dǎo)在目前的慣性儀表精度條件下、相對(duì)于日益廣泛應(yīng)用的三自慣組以及其它輔助方式下的組合導(dǎo)航，性價(jià)比占優(yōu)是其在技術(shù)經(jīng)濟(jì)一體化形勢(shì)下能否應(yīng)用的關(guān)鍵。

3.2 彈載環(huán)境下混合式慣導(dǎo)研究的內(nèi)容

混合式慣導(dǎo)提高導(dǎo)航精度在理論上的研究比較多，而且在艦船、飛機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)用中也取得了成功，但對(duì)于彈載應(yīng)用還處于起步階段，應(yīng)在全面分析混合式慣導(dǎo)在彈載環(huán)境下應(yīng)用的費(fèi)效比以及彈載應(yīng)用特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，在工程研制中開展以下研究：

(1)基于飛行剖面與儀表特性的導(dǎo)航策略研究

彈載應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，不同于傳統(tǒng)的混合式慣導(dǎo)工作模式單一，在不同的激勵(lì)下慣性導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差不同，混合式慣導(dǎo)則需要基于儀表的特性、以及在飛行剖面多物理場(chǎng)耦合作用下誤差產(chǎn)生機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，研究如何充分利用空間穩(wěn)定、旋轉(zhuǎn)調(diào)制等技術(shù)提高系統(tǒng)的性能。重點(diǎn)開展基于飛行剖面的混合式慣導(dǎo)工作模式與模式切換策略、滿足不同工作模式控制要求的框架結(jié)構(gòu)、以及旋轉(zhuǎn)調(diào)制最優(yōu)轉(zhuǎn)位方案等研究，形成結(jié)合儀表誤差特性與沿飛行剖面?zhèn)鞑ヌ匦缘膶?dǎo)航方案，以充分發(fā)揮混合式慣導(dǎo)優(yōu)勢(shì)，有效提高導(dǎo)航精度。

圖3 混合式慣導(dǎo)工作模式示意圖

(2)彈載應(yīng)用環(huán)境下動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性研究

混合式慣導(dǎo)由于框架、轉(zhuǎn)位結(jié)構(gòu)以及減震等多個(gè)傳遞環(huán)節(jié)帶來(lái)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性，且輸出也經(jīng)過(guò)測(cè)角傳感器多個(gè)環(huán)節(jié)的坐標(biāo)變換，使得導(dǎo)航輸出信息具有復(fù)雜的頻譜成分與響應(yīng)特性。對(duì)于彈載應(yīng)用，混合式慣導(dǎo)除提供制導(dǎo)用質(zhì)心運(yùn)動(dòng)參數(shù)外，還需提供滿足彈體姿態(tài)控制幅相特性要求的繞心運(yùn)動(dòng)參數(shù)，特別是高動(dòng)態(tài)條件下對(duì)輸出信息的帶寬、實(shí)時(shí)性等提出了更高的要求，需重點(diǎn)開展高過(guò)載、大沖擊等力學(xué)環(huán)境下結(jié)構(gòu)與減震的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及針對(duì)不同工作模式下動(dòng)態(tài)特性的地面試驗(yàn)驗(yàn)證方法的研究。

(3)高可靠、全數(shù)字穩(wěn)定平臺(tái)控制技術(shù)的研究

混合式慣導(dǎo)的穩(wěn)定平臺(tái)不同于傳統(tǒng)平臺(tái)式慣導(dǎo)，為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度，其采用全數(shù)字控制，將正割分解器、方位坐標(biāo)分解器等部件的功能全由計(jì)算機(jī)代替，并且實(shí)現(xiàn)鎖定、旋轉(zhuǎn)、穩(wěn)定多種功能。對(duì)于彈載應(yīng)用，由于彈體動(dòng)態(tài)變化快且變化范圍大，對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)控制的可靠性與品質(zhì)提出了更高的要求，需重點(diǎn)開展針對(duì)全方位發(fā)射、主動(dòng)段滾轉(zhuǎn)、再入大范圍機(jī)動(dòng)等需求、不同框架結(jié)構(gòu)形式的全數(shù)字穩(wěn)定控制算法，特別是在彈載環(huán)境下、尺寸重量嚴(yán)格要求的條件下，減少框架環(huán)帶來(lái)的自由度損失，需研究與之對(duì)應(yīng)的解決方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)混合式慣導(dǎo)從技術(shù)起源與發(fā)展、誤差抑制機(jī)理以及彈載應(yīng)用環(huán)境下的特點(diǎn)與研究方向進(jìn)行了深入的分析，后續(xù)將繼續(xù)秉承科學(xué)上的創(chuàng)新、工程上的務(wù)實(shí)，深入分析彈載應(yīng)用環(huán)境下慣性導(dǎo)航誤差產(chǎn)生的機(jī)理，推進(jìn)混合式慣導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展與工程應(yīng)用，有效提升導(dǎo)彈武器的使用性能。