邱千鈞,郝翎鈞,陳 軼

(1.海軍駐北京地區(qū)軍事代表局,北京 100854;2.海軍研究院,上海 200436;3.海軍研究院,北京 100161)

慣性導(dǎo)航技術(shù)既不需要外界輸入信息,也不會(huì)對(duì)外界產(chǎn)生能量,是目前應(yīng)用最廣泛的自主式導(dǎo)航技術(shù)?；谂ｎD運(yùn)動(dòng)學(xué)定律,慣性導(dǎo)航技術(shù)的基本原理是將安裝于平臺(tái)的加速度計(jì)用于測(cè)量其加速度,采用積分的方法對(duì)測(cè)量出的加速度累積,從而計(jì)算推導(dǎo)出平臺(tái)的速度和位置。慣性導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是:① 隱蔽性好;② 穩(wěn)定性高;③ 噪聲低;④ 全天候工作;⑤ 短期精度高;⑥ 數(shù)據(jù)更新快;⑦ 導(dǎo)航信息連續(xù)性好。其缺點(diǎn)是:① 初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間長(zhǎng);② 長(zhǎng)期精度不高;③ 沒(méi)有時(shí)間信息。

對(duì)于慣性制導(dǎo)的導(dǎo)彈而言,制導(dǎo)系統(tǒng)的精度決定了其70%的命中精度;對(duì)于遠(yuǎn)程巡航導(dǎo)彈來(lái)說(shuō),慣導(dǎo)技術(shù)配合其他制導(dǎo)技術(shù)諸如星光導(dǎo)航技術(shù)、地圖匹配導(dǎo)航技術(shù)等,能夠使導(dǎo)彈航行數(shù)千千米以后依舊可以高精度命中目標(biāo);對(duì)于潛艇而言,其作戰(zhàn)使命任務(wù)要求導(dǎo)航系統(tǒng)具有高度的隱蔽性,那么，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)疑是潛艇的最佳選擇,也是目前適用于潛艇的最可靠導(dǎo)航系統(tǒng)。

因此,慣性導(dǎo)航技術(shù)在國(guó)防裝備領(lǐng)域中占據(jù)十分重要的地位,是眾多武器裝備的基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性技術(shù)之一。本文分別從艦艇、水面水下無(wú)人系統(tǒng)以及水中兵器三個(gè)方面介紹了慣性導(dǎo)航技術(shù)在海上裝備中的應(yīng)用,并據(jù)此給出了慣性導(dǎo)航技術(shù)的研究展望與發(fā)展建議。

1 慣性導(dǎo)航技術(shù)概述

制約和影響慣性導(dǎo)航技術(shù)的因素有很多,主要?dú)w納為兩方面,分別是慣性傳感器(主要包括陀螺儀和加速度計(jì))和系統(tǒng)技術(shù)(主要包括導(dǎo)航算法、對(duì)準(zhǔn)技術(shù)、標(biāo)定與校準(zhǔn)技術(shù)等)。對(duì)于慣性傳感器而言,加速度計(jì)的技術(shù)相對(duì)成熟且精度較高,陀螺儀作為慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心關(guān)鍵器件,制約著慣性傳感器的精度水平,決定了慣導(dǎo)系統(tǒng)的整體性能;對(duì)于系統(tǒng)技術(shù),會(huì)在后文根據(jù)不同的應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)行具體的介紹,在此不再贅述。

1.1 轉(zhuǎn)子陀螺儀

轉(zhuǎn)子陀螺儀主要原理是基于旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的陀螺效應(yīng),按照支承方式可以分為滾珠軸承自由陀螺儀、液浮陀螺儀、撓性陀螺儀和靜電陀螺儀等。

滾珠軸承自由陀螺儀是最基礎(chǔ)最經(jīng)典的陀螺儀。德國(guó)在二戰(zhàn)期間將其裝備于V-2導(dǎo)彈,為導(dǎo)彈指引航向定位打擊,是陀螺儀在軍事制導(dǎo)領(lǐng)域的初次應(yīng)用;1950年左右,美國(guó)麻省理工學(xué)院為了降低支承軸的摩擦力矩,選擇液體進(jìn)行支承,研制出了液浮陀螺儀,達(dá)到了慣性級(jí)(小于0.01°/h)精度;20世紀(jì)60年代,飛機(jī)導(dǎo)航需求推動(dòng)了撓性陀螺儀的問(wèn)世,撓性陀螺儀采用撓性接頭進(jìn)行支承,精度和液浮陀螺儀幾乎一致,但是其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的特點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈和飛機(jī)等眾多平臺(tái);20世紀(jì)50年代提出了靜電陀螺儀,在真空中選擇靜電支承,既消除了機(jī)械接觸,又克服了氣體阻力,幾乎沒(méi)有摩擦,精度很高,是轉(zhuǎn)子陀螺儀的革新發(fā)展,主要應(yīng)用于核潛艇以及遠(yuǎn)程飛機(jī)等長(zhǎng)航時(shí)平臺(tái)。

1.2 光學(xué)陀螺儀

光學(xué)陀螺儀的問(wèn)世是慣性傳感器技術(shù)發(fā)展的重大變革,其主要原理是薩奈克(Sagnac)效應(yīng),可以分為激光陀螺和光纖陀螺。

20世紀(jì)60年代,美國(guó)斯佩里(Sperry)公司率先制造出激光陀螺儀,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展,激光陀螺儀技術(shù)日漸成熟,精度也不斷提高。2019年9月,美國(guó)陸軍向Honeywell公司訂購(gòu)了價(jià)值三千多萬(wàn)美元的戰(zhàn)術(shù)先進(jìn)地面慣性導(dǎo)航裝置,該導(dǎo)航系統(tǒng)采用的是激光陀螺技術(shù);此外,美國(guó)海軍與諾格公司簽了2.1億美元的AN/WSN-7艦載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的采購(gòu)合同,要求2022年12月交付美國(guó)海軍,AN/WSN-7導(dǎo)航系統(tǒng)所采用的也是激光陀螺技術(shù)。激光陀螺儀是美國(guó)軍方的重要選擇之一,廣泛應(yīng)用于艦艇、戰(zhàn)車(chē)、導(dǎo)彈等軍用平臺(tái)。

20世紀(jì)70年代,美國(guó)猶他大學(xué)(The University of Utah)首次設(shè)計(jì)研制出光纖陀螺,光纖陀螺相比較于激光陀螺,成本偏低,精度更高,受到了民用市場(chǎng)的青睞和軍方用戶的高度重視。法國(guó)iXblue公司研制生產(chǎn)的Marins慣導(dǎo)系統(tǒng),采用的就是光纖陀螺技術(shù),Marins慣導(dǎo)系統(tǒng)裝備于法國(guó)海軍的“追風(fēng)”級(jí)輕型護(hù)衛(wèi)艦,目前，已超過(guò)650艘水面以及水下平臺(tái)配置了該慣導(dǎo)系統(tǒng)。

1.3 微機(jī)電陀螺儀

微機(jī)電(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)陀螺儀的主要原理是利用微納米技術(shù)測(cè)量科里奧利力,MEMS陀螺儀由于其成本低廉、體積較小、功耗不高、可靠性高，且易于批量生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì),受到了國(guó)內(nèi)外的重點(diǎn)關(guān)注。

1987年,美國(guó)德雷珀(Draper)實(shí)驗(yàn)室順利研制出MEMS陀螺儀,成了陀螺儀技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。美國(guó)聯(lián)合制導(dǎo)攻擊武器(Joint Direct Attack Munition,JDAM)采用了Honeywell公司生產(chǎn)的HG1700 MEMS陀螺;Honeywell公司研制出的新型兩軸MEMS陀螺GG5200已經(jīng)取代了機(jī)械陀螺,裝備于美國(guó)Stryker裝甲車(chē),其研制的三軸MEMS陀螺GG5300也成功裝備于“全球鷹”無(wú)人機(jī)與M1艾布拉姆斯(Abrams)主戰(zhàn)坦克;此外,美國(guó)BEI公司生產(chǎn)的QRS116高性能MEMS陀螺,也順利裝備于F-22猛禽戰(zhàn)斗機(jī);英國(guó)的海狼(Sea-Wolf)防空導(dǎo)彈和NLAW反坦克導(dǎo)彈(Next-generation Light Anti-tank Weapon)采用了SiRRS系列微機(jī)電陀螺。

1.4 半球諧振陀螺儀

半球諧振陀螺儀(Hemispherical Resonator Gyro,HRG)的基本原理是根據(jù)半球殼唇緣的徑向振動(dòng)駐波進(jìn)動(dòng)效應(yīng)來(lái)測(cè)量基座旋轉(zhuǎn),主要有精度較高、可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、壽命較長(zhǎng)、噪聲偏低等優(yōu)點(diǎn),具有廣闊的發(fā)展前景。美國(guó)、法國(guó)、俄羅斯處于HRG研究的領(lǐng)先地位,并將HRG廣泛應(yīng)用于海陸空天地等多個(gè)領(lǐng)域,英國(guó)和日本也在近年來(lái)開(kāi)展了對(duì)HRG的研究工作。

1965年,HRG的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與理論模型建立,HRG逐漸吸引學(xué)者和企業(yè)的關(guān)注;1975年,美國(guó)海軍航空系統(tǒng)司令部(Naval AirSystems Command,NAVAIR)開(kāi)啟了HRG的研發(fā)計(jì)劃,美國(guó)德科(Delco)公司于1979年、1982年和1983年分別成功研制出Block10、Block20以及Block30三種型號(hào)的HRG;20世紀(jì)90年代,德科公司研制的Carousel-404慣導(dǎo)系統(tǒng)與HRG158Y集成,成功裝備于漢莎航空的波音747飛機(jī)上,不僅運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng),平均位置精度高,而且全年沒(méi)有發(fā)生任何故障;法國(guó)的賽峰集團(tuán)于2018年研制出基于HRG的慣性導(dǎo)航儀ONYX,ONYX曾被譽(yù)為世界上最小、最準(zhǔn)確和最可靠的純慣性導(dǎo)航儀。

1.5 原子陀螺儀

隨著量子技術(shù)的發(fā)展,原子陀螺儀的出現(xiàn)翻開(kāi)了陀螺儀技術(shù)的嶄新篇章,具有超高精度、體積小、可靠性強(qiáng)的顯著優(yōu)勢(shì),展現(xiàn)出了廣闊的發(fā)展前景和巨大的應(yīng)用價(jià)值。原子陀螺儀根據(jù)工作原理可以歸納為干涉式原子陀螺儀和自旋式原子陀螺儀,干涉式主要是指原子干涉陀螺儀,自旋式又包含核磁共振陀螺儀和無(wú)自旋交換弛豫陀螺儀等。

1991年,美國(guó)斯坦福大學(xué)(Stanford University)的研究小組首次觀察到原子干涉儀產(chǎn)生的慣性效應(yīng),引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者和機(jī)構(gòu)的密切關(guān)注和濃厚興趣。目前,國(guó)外原子陀螺儀的研究已步入工程化研制階段,但是距離產(chǎn)業(yè)化尚存在一定的距離,仍然面臨諸多技術(shù)難題。

2 應(yīng)用于艦艇的慣性導(dǎo)航技術(shù)

慣性導(dǎo)航技術(shù)對(duì)于艦艇導(dǎo)航具有非常重要的意義。艦艇在海上航行需要實(shí)時(shí)知道艦位、航向、航速等信息,慣性導(dǎo)航技術(shù)能夠有效提供這些導(dǎo)航信息,既可以確保艦艇有效執(zhí)行航行任務(wù)、戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng),又能夠保證艦艇上的武器裝備等準(zhǔn)確發(fā)射、精準(zhǔn)命中。慣性導(dǎo)航技術(shù)滿足艦艇導(dǎo)航技術(shù)自主性、獨(dú)立性、隱蔽性的要求,具有全局性的作用,是艦艇航行作戰(zhàn)的前提依靠和保障支撐。

2.1 初始對(duì)準(zhǔn)技術(shù)

慣導(dǎo)系統(tǒng)充電開(kāi)啟,平臺(tái)的坐標(biāo)軸所指的方向是隨意的,通常情況下平臺(tái)不在水平面上,沒(méi)有明確的方位和位置。因此,慣導(dǎo)系統(tǒng)在開(kāi)始工作進(jìn)入導(dǎo)航模式之前,平臺(tái)的方向必須對(duì)準(zhǔn),這一過(guò)程即為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)。

初始對(duì)準(zhǔn)的精度會(huì)直接影響艦載武器系統(tǒng)的命中精度,是決定艦載武器系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素,同時(shí),初始對(duì)準(zhǔn)的時(shí)間又直接關(guān)系到艦載武器的反應(yīng)時(shí)間,是艦載武器系統(tǒng)性能的重要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)。由于艦艇需求較高的靈活機(jī)動(dòng)性，且艦載武器要求超高精度和快速響應(yīng),因此，初始對(duì)準(zhǔn)的時(shí)間需要盡可能短,且初始對(duì)準(zhǔn)的精度需要盡量高。

初始對(duì)準(zhǔn)按照基座的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以分為:靜基座對(duì)準(zhǔn)和動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn);按照對(duì)準(zhǔn)的階段可以分為:粗對(duì)準(zhǔn)和精對(duì)準(zhǔn)。對(duì)于復(fù)雜海況下航行的艦艇而言,初始對(duì)準(zhǔn)幾乎都是選擇動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)。

粗對(duì)準(zhǔn)指的是對(duì)平臺(tái)進(jìn)行粗略的初始對(duì)準(zhǔn),需要在盡可能短的時(shí)間內(nèi),對(duì)平臺(tái)進(jìn)行水平和方位上的粗調(diào),只需滿足一定的精度范圍即可。粗對(duì)準(zhǔn)是后續(xù)精對(duì)準(zhǔn)的基礎(chǔ),主要特點(diǎn)是對(duì)準(zhǔn)速度快,對(duì)準(zhǔn)時(shí)間少,但精度稍低。粗對(duì)準(zhǔn)主要用于航行時(shí)間短,精度要求低的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

精對(duì)準(zhǔn)指的是粗對(duì)準(zhǔn)之后,通過(guò)建立子慣導(dǎo)誤差方程,根據(jù)卡爾曼(Kalman)濾波算法估算誤差量，并減小誤差提高對(duì)準(zhǔn)精度的過(guò)程。與粗對(duì)準(zhǔn)不同的是,精對(duì)準(zhǔn)需要達(dá)到較高的對(duì)準(zhǔn)精度,對(duì)準(zhǔn)時(shí)間需要在滿足較高精度的前提下盡可能短。一般來(lái)說(shuō),精對(duì)準(zhǔn)主要用于航行時(shí)間長(zhǎng)、精度要求高的慣性導(dǎo)航系統(tǒng),通過(guò)縮小安裝誤差、時(shí)延誤差等,提高對(duì)準(zhǔn)精度以保證準(zhǔn)確命中目標(biāo)。精對(duì)準(zhǔn)方案按匹配方式的不同可以分為三種類型:測(cè)量參數(shù)匹配法、計(jì)算參數(shù)匹配法以及組合參數(shù)匹配法。

1971年,美國(guó)將計(jì)算參數(shù)匹配法應(yīng)用于B-52轟炸機(jī)所攜帶的巡航導(dǎo)彈AGM-86C和SRAM 導(dǎo)彈;此外,美國(guó)的Draper實(shí)驗(yàn)室將計(jì)算參數(shù)匹配法應(yīng)用于機(jī)載戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈;1978年,J.K.Kraemer等人所設(shè)計(jì)的計(jì)算參數(shù)匹配法在對(duì)準(zhǔn)時(shí)間上得到了顯著提高。然而,計(jì)算參數(shù)匹配法并不適用于機(jī)動(dòng)能力不強(qiáng)的艦船,會(huì)消耗過(guò)多的對(duì)準(zhǔn)時(shí)間。測(cè)量參數(shù)匹配法的相關(guān)算法于1983年由Schneider提出;Kain和Cloutier提出的測(cè)量參數(shù)匹配法應(yīng)用較為廣泛,并在飛機(jī)上完成了一系列試驗(yàn)。

然而,不管是測(cè)量參數(shù)匹配法還是計(jì)算參數(shù)匹配法,都是單一的參數(shù)匹配方法。為了避開(kāi)單一方法的缺陷,20世紀(jì)80年代末,Kain J和Cloutier J兩位學(xué)者提出了一種新的匹配方法——組合參數(shù)匹配法。相較于單一的匹配方法,組合參數(shù)匹配法的對(duì)準(zhǔn)精度不僅高,而且對(duì)準(zhǔn)時(shí)間也較少,因此被大量推廣使用。

2.2 傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)

慣導(dǎo)傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的定義是在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀況下,平臺(tái)上已完成初始對(duì)準(zhǔn)并開(kāi)始導(dǎo)航工作的高精度主慣導(dǎo)系統(tǒng)，將其導(dǎo)航定位信息傳遞給平臺(tái)上武器系統(tǒng)的子慣導(dǎo)系統(tǒng)。艦艇作戰(zhàn)平臺(tái)中的導(dǎo)彈類武器系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力和精準(zhǔn)命中性能主要是由傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)決定的。總結(jié)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)于傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的研究,重點(diǎn)聚集在傳遞對(duì)準(zhǔn)基礎(chǔ)理論、傳遞對(duì)準(zhǔn)模型與方法這兩大方面。

1)傳遞對(duì)準(zhǔn)基礎(chǔ)理論

傳遞對(duì)準(zhǔn)基礎(chǔ)理論主要包含兩個(gè)方面,分別是參數(shù)辨識(shí)方法和觀測(cè)分析理論與方法。

① 參數(shù)辨識(shí)方法

實(shí)現(xiàn)傳遞對(duì)準(zhǔn)所采用的主要方法就是參數(shù)辨識(shí)方法。因?yàn)閼T性導(dǎo)航系統(tǒng)屬于隨機(jī)系統(tǒng),在初始對(duì)準(zhǔn)期間,需要采用合適的參數(shù)辨識(shí)方法估計(jì)誤差狀態(tài),以便實(shí)施狀態(tài)反饋控制,目前常見(jiàn)的參數(shù)辨識(shí)方法有最小二乘法、卡爾曼濾波法等,自從卡爾曼濾波法成熟廣泛應(yīng)用之后,傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)基本上采用的就是卡爾曼濾波法。

② 觀測(cè)分析理論與方法

對(duì)于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)而言,一部分狀態(tài)變量或者誤差變量難以通過(guò)測(cè)量得到,因此,需要采用某種觀測(cè)理論或者觀測(cè)方法去分析。觀測(cè)分析理論與方法的好壞在很大程度上決定了傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的準(zhǔn)確率,研究重點(diǎn)主要包含兩個(gè)方面:首先,確定系統(tǒng)是否是完全可觀測(cè)的系統(tǒng)；其次,確定不完全可觀測(cè)系統(tǒng)中狀態(tài)變量的可觀測(cè)性。

2)傳遞對(duì)準(zhǔn)模型與方法

傳遞對(duì)準(zhǔn)的具體實(shí)現(xiàn)途徑就是傳遞對(duì)準(zhǔn)模型的構(gòu)建和傳遞對(duì)準(zhǔn)方法的設(shè)計(jì),模型和方法的質(zhì)量?jī)?yōu)劣確定了傳遞對(duì)準(zhǔn)的性能好壞。傳遞對(duì)準(zhǔn)模型與方法根據(jù)不同的參數(shù)匹配方法分為兩種類型:計(jì)算參數(shù)匹配法和測(cè)量參數(shù)匹配法。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算推導(dǎo)所得到的導(dǎo)航參數(shù)有速度和位置兩種,“速度匹配”和“位置匹配”屬于計(jì)算參數(shù)匹配法;慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的慣性器件測(cè)量所得到的導(dǎo)航參數(shù)有加速度和角速度兩種,“加速度匹配”和“角速度匹配”屬于測(cè)量參數(shù)匹配法,如圖1所示。計(jì)算參數(shù)匹配法和測(cè)量參數(shù)匹配法的相關(guān)技術(shù)已在2.1節(jié)做過(guò)介紹，在此不再贅述。

圖1 傳遞對(duì)準(zhǔn)模型與方法

總體而言,雖然傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)是艦載武器系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)的一項(xiàng)關(guān)鍵重要技術(shù),經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)達(dá)幾十年的研究與發(fā)展,現(xiàn)在已經(jīng)相對(duì)成熟和普及,但是,傳遞對(duì)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和快速性始終是武器裝備論證研制與設(shè)計(jì)生產(chǎn)的關(guān)鍵需求。根據(jù)當(dāng)前技術(shù)研究和發(fā)展趨勢(shì),提升傳遞對(duì)準(zhǔn)性能的切實(shí)可行途徑主要有深入地改進(jìn)濾波方法,努力地尋找更為有效的處理方法,充分地利用不同的輔助參考信息。

3 應(yīng)用于水面水下無(wú)人系統(tǒng)的慣導(dǎo)技術(shù)

3.1 水面無(wú)人艇慣導(dǎo)技術(shù)

水面無(wú)人艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)的導(dǎo)航技術(shù)要求USV能夠在海上自主航行,并且能夠適應(yīng)復(fù)雜的海上環(huán)境和惡劣的氣象狀況,因此，需要具備良好的可靠性以及抗干擾的能力。慣性導(dǎo)航技術(shù)能夠滿足USV導(dǎo)航的需求,其優(yōu)點(diǎn)使其成為USV導(dǎo)航技術(shù)的首要選擇。

USV在不同的航行和任務(wù)階段,所需要的導(dǎo)航和定位精度是不同的,尤其是USV出入港口碼頭或者是靠岸停泊時(shí),導(dǎo)航定位精度必須達(dá)到分米級(jí)別才能保證航行停泊安全,單純地依靠慣性導(dǎo)航技術(shù)是無(wú)法滿足長(zhǎng)航時(shí)的高精度導(dǎo)航需求的。因此,還需要利用輔助設(shè)備以及環(huán)境感知系統(tǒng)來(lái)輔助USV的慣性導(dǎo)航系統(tǒng),以保證滿足USV導(dǎo)航定位的精確性需求。由于不同的導(dǎo)航方法優(yōu)缺點(diǎn)各異,適用范圍和性能高低也不盡相同,所以,將慣性導(dǎo)航技術(shù)與其他導(dǎo)航技術(shù)聯(lián)合起來(lái)的組合導(dǎo)航技術(shù)是目前USV的主要導(dǎo)航定位技術(shù)。

捷聯(lián)慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航技術(shù)是USV組合導(dǎo)航技術(shù)中最常見(jiàn)、最基礎(chǔ)的導(dǎo)航技術(shù),基本能夠滿足USV導(dǎo)航定位的需求。軍用USV的導(dǎo)航技術(shù)尤其重視安全性和可靠性,因此,還要求軍用USV的捷聯(lián)慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)安裝高精度的慣導(dǎo)設(shè)備。

捷聯(lián)慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航有三種組合方式,分別是:松組合、緊組合和深組合。

松組合和緊組合的主要思想是接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào),從而抑制慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差累積;深組合的主要思想是具有反饋過(guò)程的緊組合,衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)依舊是壓制慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差累積,與緊組合不同的是慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航信息又作為反饋信息用以輔助衛(wèi)星導(dǎo)航的接收機(jī),達(dá)到環(huán)路跟蹤的效果。深組合是一種深度的“慣性導(dǎo)航與衛(wèi)星導(dǎo)航互相輔助”的組合導(dǎo)航技術(shù),既有慣性導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),又顯著克服了兩種導(dǎo)航技術(shù)的缺點(diǎn)。深組合依據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)反饋回路的不同又分為兩種類型:標(biāo)量深度組合和矢量深度組合。

總體而言,USV的導(dǎo)航技術(shù)面臨著兩大難題,分別是長(zhǎng)時(shí)間航行和復(fù)雜惡劣的海洋環(huán)境,這對(duì)USV導(dǎo)航技術(shù)的導(dǎo)航精度和可靠性帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。因此,以慣性導(dǎo)航技術(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合其他導(dǎo)航技術(shù)的組合導(dǎo)航技術(shù),既擁有慣性導(dǎo)航技術(shù)可靠性高的優(yōu)點(diǎn),又可以對(duì)慣性導(dǎo)航技術(shù)所帶的誤差進(jìn)行修正,進(jìn)而提高精度,必將成為未來(lái)USV導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 水下無(wú)人航行器慣導(dǎo)技術(shù)

與USV導(dǎo)航技術(shù)的需求類似,水下無(wú)人航行器(Unmanned Undersea Vehicle,UUV)在水下自主航行時(shí),需要面對(duì)比海上環(huán)境更加復(fù)雜和惡劣的水下環(huán)境,需要克服水下通信導(dǎo)航十分困難的難題,因此,UUV導(dǎo)航技術(shù)需要具備非常高的可靠性、導(dǎo)航精度以及極強(qiáng)的抗干擾能力。慣性導(dǎo)航技術(shù)可以滿足UUV導(dǎo)航的大部分需求。UUV慣性導(dǎo)航技術(shù)為UUV提供定位、姿態(tài)、位置和導(dǎo)航目標(biāo)信息,是UUV水下有效航行、順利完成任務(wù)的保障。UUV慣性導(dǎo)航利用慣性器件測(cè)量出水下平臺(tái)的三軸姿態(tài)以及加速度,將測(cè)量出的加速度對(duì)時(shí)間進(jìn)行兩次積分運(yùn)算，可以推導(dǎo)出UUV的航行位置。

由慣性導(dǎo)航技術(shù)的缺點(diǎn)可知,慣性器件所測(cè)量出的導(dǎo)航信息存在噪聲,不可避免地對(duì)位置數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差累積,致使慣導(dǎo)系統(tǒng)推導(dǎo)出的位置相較于真實(shí)位置存在漂移。一般來(lái)說(shuō),安裝于UUV上慣導(dǎo)系統(tǒng)的漂移率為1 km/h,安裝于核潛艇上的慣導(dǎo)系統(tǒng)所產(chǎn)生的偏差最低,可低至0.01 km/h。法國(guó)IXSEA公司研發(fā)出了一種目前世界上最為輕便的水下慣導(dǎo)系統(tǒng)PHINS,該水下慣導(dǎo)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 法國(guó)IXSEA公司開(kāi)發(fā)的水下慣性導(dǎo)航系統(tǒng)PHINS

水下慣性導(dǎo)航技術(shù)面臨十分復(fù)雜的難題,水下環(huán)境十分復(fù)雜、干擾眾多、慣性測(cè)量器件精度難以提升,因此,僅僅依靠慣性導(dǎo)航技術(shù)很難突破水下導(dǎo)航的難題與瓶頸,也難以勝任日益復(fù)雜的水下導(dǎo)航任務(wù)。因此,與USV導(dǎo)航技術(shù)類似,將慣性導(dǎo)航技術(shù)與其他導(dǎo)航技術(shù)聯(lián)合起來(lái)的組合導(dǎo)航技術(shù)是目前UUV的主要導(dǎo)航定位技術(shù),也是UUV導(dǎo)航技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

常用的慣性組合導(dǎo)航包括慣性/聲學(xué)組合導(dǎo)航、慣性/重力匹配組合導(dǎo)航、慣性/地磁匹配組合導(dǎo)航、慣性/視覺(jué)匹配組合導(dǎo)航以及慣性/地形匹配組合導(dǎo)航等。

UUV導(dǎo)航技術(shù)與USV導(dǎo)航技術(shù)相比,面臨更加復(fù)雜的水下環(huán)境,對(duì)導(dǎo)航精度和可靠性要求更高,此外,由于水介質(zhì)對(duì)電磁波的反射吸收等作用,衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)以及無(wú)線電導(dǎo)航技術(shù)難以應(yīng)用于USV導(dǎo)航技術(shù)。與USV導(dǎo)航技術(shù)類似的是,與慣性導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合的組合導(dǎo)航技術(shù)是未來(lái)UUV導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),此外,未來(lái)的UUV應(yīng)用會(huì)逐漸走向集群化,協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)也將成為未來(lái)UUV導(dǎo)航技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

4 應(yīng)用于水中兵器的慣導(dǎo)技術(shù)

水中兵器的慣性導(dǎo)航技術(shù)與UUV的慣性導(dǎo)航技術(shù)類似,也面臨復(fù)雜和惡劣的水下環(huán)境,需要克服水下干擾眾多、通信導(dǎo)航困難的難題,因此,結(jié)合慣性導(dǎo)航技術(shù)的組合導(dǎo)航技術(shù)是水中兵器導(dǎo)航技術(shù)的主要方式。

水中兵器的組合導(dǎo)航技術(shù)種類較多,目前,水中兵器最常見(jiàn)的組合導(dǎo)航技術(shù)是多普勒慣性組合導(dǎo)航技術(shù)。多普勒慣性組合導(dǎo)航技術(shù)通過(guò)安裝于水中兵器的多普勒計(jì)程儀(Doppler Velocity Log,DVL)測(cè)出高精度的水下航行速度信息,從而抑制慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差的累積和發(fā)散。該組合導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合了慣性導(dǎo)航技術(shù)和水下聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),具有精度高和自主性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),是現(xiàn)在應(yīng)用廣泛技術(shù)較為成熟的水下導(dǎo)航技術(shù)。多普勒慣性組合導(dǎo)航技術(shù)按照耦合方式的不同主要分為松耦合和緊耦合2種。松耦合組合方式指的是把DVL推導(dǎo)出的水下平臺(tái)速度信息與慣導(dǎo)系統(tǒng)得出的速度、位置等導(dǎo)航信息進(jìn)行融合處理;緊耦合組合方式指的是直接把DVL的原始測(cè)量數(shù)據(jù)與慣導(dǎo)系統(tǒng)得出的速度、位置等導(dǎo)航信息進(jìn)行融合處理。

多普勒慣性組合導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)主要分為以下三個(gè)方面:數(shù)據(jù)融合處理、標(biāo)定技術(shù)和DVL數(shù)據(jù)失效處理。

1)數(shù)據(jù)融合處理

應(yīng)用于水中兵器組合導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理主要包括兩大方面,分別是數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)融合處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理指的是僅處理單個(gè)測(cè)量設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)融合處理指的是對(duì)多個(gè)測(cè)量設(shè)備的多源測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。由于水中兵器的多普勒慣性組合導(dǎo)航技術(shù)存在DVL以及慣性器件兩種測(cè)量設(shè)備,因此,多普勒慣性組合導(dǎo)航技術(shù)的核心部分就是數(shù)據(jù)融合處理,數(shù)據(jù)融合所采用的處理方法主要是基于時(shí)域的卡爾曼濾波法。

2)標(biāo)定技術(shù)

標(biāo)定技術(shù)主要分為兩方面,分別是安裝誤差的標(biāo)定以及刻度系數(shù)的標(biāo)定。

① 安裝誤差的標(biāo)定

慣導(dǎo)系統(tǒng)和DVL安裝于水下平臺(tái)不可避免地存在安裝誤差,導(dǎo)致這兩種導(dǎo)航系統(tǒng)的坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系難以完全重合,如果不對(duì)安裝誤差進(jìn)行標(biāo)定,會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)航誤差不斷累積。為了解決這個(gè)難題,需要對(duì)安裝誤差進(jìn)行標(biāo)定,慣導(dǎo)系統(tǒng)的標(biāo)定可以采用初始對(duì)準(zhǔn)技術(shù),而DVL則需要采用標(biāo)定技術(shù)解決安裝誤差標(biāo)定問(wèn)題。

② 刻度系數(shù)的標(biāo)定

由于水下環(huán)境復(fù)雜,DVL在水下會(huì)受到水壓、水溫、鹽度和噪聲等因素的影響,且DVL發(fā)射出的聲信號(hào)由于水介質(zhì)的物理特性會(huì)出現(xiàn)散射和衰減等現(xiàn)象,導(dǎo)致DVL測(cè)量出的速度相比于真實(shí)值存在一定的偏差。因此,可以引入一個(gè)刻度系數(shù),針對(duì)這個(gè)刻度系數(shù)采用標(biāo)定技術(shù),就能夠解決DVL的速度誤差修正問(wèn)題。目前，解決DVL的速度誤差修正問(wèn)題的方法主要有最小二乘法和卡爾曼濾波法等。

3)DVL數(shù)據(jù)失效處理

① 原因分析

DVL的測(cè)速原理是:DVL中的聲吶設(shè)備是主動(dòng)聲吶,主動(dòng)聲吶向外界發(fā)射聲波,然后，接收發(fā)射聲波的反射信號(hào),該信號(hào)會(huì)受到周?chē)晫W(xué)環(huán)境的影響,可能會(huì)產(chǎn)生以下四種DVL失效情況:

a)水下平臺(tái)航行時(shí)發(fā)射出的聲學(xué)信號(hào)受到海洋生物的遮擋,DVL的聲波無(wú)法到達(dá)海底;

b)當(dāng)海底的地質(zhì)為強(qiáng)吸聲介質(zhì)如淤泥時(shí),DVL的聲波到達(dá)海底，信號(hào)會(huì)被吸收，也無(wú)法被反射回來(lái);

c)水下平臺(tái)航行時(shí)遭遇到海底深溝,水下平臺(tái)與深溝的距離超出了DVL的測(cè)量范圍;

d)水下平臺(tái)航行時(shí)產(chǎn)生大的俯仰運(yùn)動(dòng)或者大的角度轉(zhuǎn)向時(shí),DVL的部分波束接收不到反射信號(hào)。

② 解決辦法

解決水下多普勒慣性組合導(dǎo)航技術(shù)中DVL數(shù)據(jù)短期失效問(wèn)題的方法有兩種,分別是隔離法和替換法。隔離法指的是當(dāng)DVL數(shù)據(jù)失效時(shí),直接隔離DVL,使多普勒慣性組合導(dǎo)航變?yōu)閱我坏膽T性導(dǎo)航,慣導(dǎo)誤差無(wú)法抑制,致使導(dǎo)航精度降低;替換法指的是將DVL的失效數(shù)據(jù)替換掉。替換法的核心思想是設(shè)計(jì)出載體相對(duì)于水底的速度估計(jì)器,達(dá)到替換DVL失效測(cè)速數(shù)據(jù)的效果。

5 研究展望與發(fā)展建議

本文介紹了慣性導(dǎo)航技術(shù)的重要意義和應(yīng)用需求,分別從艦艇、水面水下無(wú)人系統(tǒng)以及水中兵器三個(gè)方面介紹了慣性導(dǎo)航技術(shù)在海上裝備中的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的巨大進(jìn)步以及國(guó)防裝備的博弈競(jìng)爭(zhēng),慣性導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,在慣性導(dǎo)航技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天,正確認(rèn)知與思考慣性導(dǎo)航技術(shù)尤為必要,在此給出慣性導(dǎo)航技術(shù)的研究展望與發(fā)展建議。

1)需求牽引和技術(shù)推進(jìn)相結(jié)合

需求和技術(shù)是指導(dǎo)慣性導(dǎo)航發(fā)展的兩盞明燈。對(duì)于慣性導(dǎo)航而言,需求主要反映在成本和精度兩大方面,成本和精度始終是慣導(dǎo)技術(shù)追求的目標(biāo),牽引慣性導(dǎo)航向低成本、高精度的方向不斷發(fā)展;重要性難題的攻關(guān)與關(guān)鍵性技術(shù)的突破,也推動(dòng)了慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。將需求牽引和技術(shù)推進(jìn)相結(jié)合,共同促進(jìn)慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步。

2)將量子技術(shù)融入慣性導(dǎo)航技術(shù)

量子時(shí)代的到來(lái)推動(dòng)了慣性導(dǎo)航技術(shù)的進(jìn)步,將量子技術(shù)應(yīng)用于慣性測(cè)量器件中的量子無(wú)源導(dǎo)航是慣導(dǎo)技術(shù)的重點(diǎn)研究方向和主要研究熱點(diǎn)。量子無(wú)源導(dǎo)航技術(shù)相較于傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航技術(shù),具有難以比擬的高精度、低誤差、強(qiáng)抗干擾能力的巨大優(yōu)勢(shì),對(duì)于國(guó)防裝備和武器系統(tǒng)具有十分重要的戰(zhàn)略價(jià)值。針對(duì)量子技術(shù)所面臨的難題,需要投入更多的研究成本,爭(zhēng)取早日攻關(guān)量子無(wú)源導(dǎo)航技術(shù)。

3)智能化融入將為慣導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)新活力

如今,智能化迎來(lái)了空前的發(fā)展和廣泛的普及,這也為慣性導(dǎo)航技術(shù)帶來(lái)了新的契機(jī)。智能化的融入為慣性導(dǎo)航技術(shù)帶來(lái)更加完善的模型和方法,設(shè)計(jì)出更加便利的算法和軟件,將為慣性導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)新活力。

4)重視慣導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域的高端人才戰(zhàn)略

慣性導(dǎo)航技術(shù)集數(shù)學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)于一體,是典型的多學(xué)科交叉技術(shù),需要引入各學(xué)科專業(yè)的高端人才和重要專家,培養(yǎng)大國(guó)工匠和專業(yè)學(xué)者,制定適當(dāng)?shù)募?lì)政策,重視慣導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域的高端人才戰(zhàn)略,以促進(jìn)慣性導(dǎo)航技術(shù)的蓬勃發(fā)展。