军用飞机惯性导航技术的发展

2021-04-14王小阳李骏赵琛

中国军转民 2021年17期

■ 王小阳李骏赵琛

军用机载导航领域对导航系统有高精度、自主性和抗干扰的要求，特别是在复杂电子战环境下，要求导航系统必须具备不依赖卫星、无线电导航的高精度自主导航能力，持续输出位置、速度、姿态等导航信息。机载惯性导航系统作为主要的自主导航手段，近年来不断取得技术上的突破和进展。

1 军用机载惯性导航技术的发展历程

机载惯性导航系统最早起始于20世纪50年代，最先以平台式惯导的形式出现，1950年5月美国北美航空公司奥拓奈蒂克斯分公司在C-47军用运输机上装备XN1纯惯性导航系统，揭开了机载惯性导航的帷幕，随后于1961年，美国在F-104战斗机配装了首个战斗机机载平台式液浮陀螺惯性导航系统LN3。

1965年，英国皇家航空研究院（RAE）根据挠性支撑的概念研制出挠性陀螺原理样机，即动力调谐式陀螺。相对于液浮陀螺，动力调谐式陀螺结构简单成本低廉响应迅速，经过不断改善和完善，精度不断提高，在20世纪70年代开始，以动力调谐陀螺为基础的平台式惯导系统大量出现并装备与研制的第三代战斗机上均装备了动力调谐陀螺基平台惯性导航系统，如美国F15战机装备的LN30系统，F16战机装备的SKN-2416系统和法国幻影-2000战机装备的Uliss52系统等。

另一类新兴起的支承陀螺是1952年美国伊利诺依大学提出的静电陀螺分支，静电陀螺经过改进与完善，最大漂移误差一般低于，主要用于远程战略轰炸平台，如美国的B-52与F-117A等。

20世纪60年代年，光学技术与计算技术迅速发展，激光陀螺和光纤陀螺等光学陀螺的出现，引领了机载惯导由平台式向捷联式转换的浪潮，光学陀螺以奈克效应为原理，以其简单的结构与减小的体积，逐渐取代了原本的机械转子陀螺，同时以多圈光纤环形成大等效面积闭合光路的思路为基础的光纤陀螺也开始出现。光学陀螺引领机载惯导系统从平台式向捷联式更替，是军事领域应用最为广泛的陀螺与导航系统类别，如美国利登、霍尼韦尔等公司的LN-100G、LN-260、LN-270等捷联惯导系统产品，法国SAGEM公司的SIGMA 95L系统等，均大量列装于现役飞机、舰船和潜艇等装备平台。

微机电系统MEMS技术大大缩小了惯性系统陀螺仪和加速度计的体积、成本等，尽管精度较低，但是以其低廉的成本可以实现超大批量的生产，是另一类机载惯导的发展方向，在战术导弹领域被广泛使用，如诺格公司的LN200IMU产品单元等。2019年4月，霍尼韦尔公司公布了其用于平台稳定的MEMS陀螺性能，具有的零偏稳定性与的角度随机游走。MEMS陀螺精度不断提高，有望实现光纤陀螺的替代方案。

进入21世纪以后，科学家开始展开对以量子力学为基础的冷原子陀螺仪和核磁共振陀螺等原子陀螺的研究工作，面向未来超高精度的导航需求，随着研究的不断深入，原子陀螺仪已逐渐开始从实验室走向工程化并最终迈向实际应用。

2 军用机载惯性导航技术的发展

2.1 平台惯性导航技术的发展

平台式惯导系统，是在载体上利用实体的惯性平台跟踪导航坐标系实现导航的惯性系统，其核心是惯性平台，也称为“陀螺稳定平台”，陀螺仪与加计均安装在平台上，通过计算信息对力矩器施矩，使物理平台跟随导航坐标系。

1908年德国科学家安修茨以牛顿力学为基础设计出世界上第一台摆式转子陀螺仪，揭开了陀螺仪技术发展的帷幕，20世纪50年代，为减小转子陀螺仪的摩擦，出现了液浮陀螺，1955年，定位精度为0.5nm/h的的单自由度液浮陀螺平台惯导系统研制成功，使陀螺漂移达到惯性级要求，1958年，装备有液浮陀螺惯导系统的核潜艇经过96小时潜航从北极冰层下穿越北极时，实际位置和计算为止仅差几海里。由于液浮陀螺成本高昂，制造维护不便，20世纪60年代开始，出现了动力调谐陀螺和静电陀螺等挠性支承陀螺。

1952年静电陀螺的设计概念被提出，利用高压静电场支承球形转子一般的机械支承，很大程度上见笑了陀螺的干扰力矩，1963年霍尼韦尔公司研制成功核潜艇使用的静电陀螺平台惯导系统，并于1970年应用于北极星和海神核潜艇上。静电陀螺平台式飞机导航系统的定位精度为0.04～0.1nm/h。

1962年出现了动力调谐式挠性陀螺，其结构简单，功耗低、体积小。1966年KearFott公司研制出挠性陀螺惯导系统，并应用于导弹与飞机，此外美国Sperry公司的MGL-80微型陀螺也广泛应用于平台式惯导系统中。

之后，随着光学陀螺技术的兴起，以挠性陀螺为基础的平台式惯导系统开始逐渐退出主流，到了20世纪80年代后期，国外平台式惯性系统相关的开发工作基本终止。

2.2 捷联惯性导航技术的发展

20世纪80年代开始，随着惯性器件性能及计算水平的提升，捷联式惯导系统逐渐取代平台式惯导系统，成为惯性导航系统的主流产品。捷联式惯导系统依靠算法建立起导航坐标系，以数学平台的形式替换原有的物理平台，结构简单、体积小重量轻、可靠性高，还可以通过余度技术提高系统容错能力，捷联式惯导系统开始逐渐取代平台式惯导，成为主流机载惯导类别。

1982年，美国霍尼韦尔公司批量生产出GG1342激光陀螺。美国利顿公司以此为基础生产出LTN-92系列激光捷联惯性导航系统，成为新一代标准机载惯导系统，1984年美国空军发布捷联惯性导航系统标准SNU84-1，开始进行机载惯导系统升级工作。随着美国GPS卫星网络的部署，惯性卫星组合导航开始引起研究者的研究，20世纪末，美国空军在以利登公司研制生产出的LN-100G与霍尼韦尔公司的H764G激光陀螺基捷联式惯性导航系统中，嵌入GPS接收机芯片，在导弹防御系统预警卫星及军用飞机上大量应用。

光纤陀螺技术起步相对激光陀螺稍晚，1976年美国学者V.Vali首次提出利用多圈光纤环形成大等效面积闭合光路的思路，此后光纤陀螺仪研究得到迅猛发展，尽管同时期光纤陀螺精度低于激光陀螺，主要适配一些中低精度场合，但随着光纤制造技术与光学器件性能的提升，光纤陀螺更低廉的价格与功耗体积等优势逐渐显露。目前国际上以光纤陀螺为基础的捷联惯导系统已能满足战略武器的装机要求，如装备于美国海军的E-2鹰眼预警机。2019年5月，美国Northrop Grumman公司研制出的的光纤惯性导航系统SeaFIND，拥有与MK39环形激光陀螺系列惯性产品相同的性能，且体积质量大大减小。干涉性光纤陀螺惯性系统性能逐渐接近激光陀螺惯导系统，并开始应用于战略武器。

2.3 旋转调制技术的发展

由于惯性导航系统原理限制，误差会随时间不断累积，长时间独立工作时难以保证惯导定位精度，通过工艺手段提高陀螺仪和加速度计的精度面临技术难度高，迭代周期长等问题。针对这一问题出现了激光陀螺旋转调制技术，将系统惯性测量单元IMU绕一轴或多轴周期性旋转，使得短时间数据平台某些常值误差积分或均值趋于零，提高长时间工作精度。

20世纪80年代，Levinson首次提出旋转调制技术，指出在方位轴上增加连续或者周期的旋转运动，可以有效抑制惯性器件常值漂移造成的误差发散问题，1963年，美国Sperry公司基于此开始研发平台式旋转调制系统，70年代初期，美国Delco公司研制出轮盘木马IV型四框架凭条惯导系统，定位精度达到1nm/h，90年代Sperry公司研制出MK39Mod3C和WSN-7B单轴旋转调制系统，可以达到24h内1nm的位置精度，已装备美国海军舰队及护卫舰。

在系统单轴旋转的运动下，非旋转轴方向的器件误差可以有效被调制补偿，但是原理上旋转轴方向的器件误差无法调制，限制了系统精度，为了解决此问题研究者们开始研制双轴旋转调制系统，1989年，美国Sperry公司与霍尼韦尔公司联合研制了MK49双轴旋转调制高精度船用环形激光陀螺惯导系统，大量装备于水面舰艇和潜艇，作为北约组织的船用标准惯性系统，20世纪90年代，美国Sperry公司研究出WSN-7A双轴旋转调制系统，系统具有超过14天的修正周期，于1995年开始列装美国海军，到2006年左右已经装备美国海军除装载弹道导弹核潜艇以外的所有舰艇。

1994年，美国启动了战略核潜艇用高精度光纤陀螺惯性导航计划，开始研制三轴旋转调制系统。2005年，初步研制出产品，光纤陀螺常值漂移为0.00023°/h，2009年第一套正式产品问世。可以对3个轴向的常值漂移，安装偏角和刻度系数误差进行有效调制，系统长时间误差理论上仅仅受到陀螺仪和加速度计随机游走的影响。

2.4 组合导航技术的发展

二战时期的罗兰、台卡等陆基无线电导航系统可以看做是GPS的发展雏形，1978年2月，美国发射了第一颗GPS卫星，开始进行GPS卫星组网，20世纪末，随着美国全球卫星导航系统GPS的逐渐组网完善，美国开始展开惯性卫星组合导航研究。之后俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo、中国北斗等全球或区域性卫星系统组网工作紧接着不断开展，卫星导航、差分卫星导航等精度的不断提高，惯性卫星组合技术日趋成熟，成为目前应用最广泛，最主流的组合导航技术。目前惯性卫星组合导航的研究方向主要为提高卫星抗干扰、防欺骗等技术，提高系统可靠性。

惯性/天文组合导航是根据天体在天球上的精确坐标和地球运动规律，利用天体信息修正惯导信息的组合导航系统，目前应用于远程导弹、战略轰炸机、空天飞机等武器装备或系统。1999年科索沃战争，美军出动的B2-A远程轰炸机装备了NAS-26惯性天文组合系统，2006年11月，Northrop Grumman公司推出了LN-120G星际导航系统，天文组合导航位置精度900m/18h，航向精度，目前服役于美军RC-135战略侦察机。

3 我国军用机载惯性导航技术的发展

3.1 平台惯性导航技术

1969年，我国航空工业某研究所开始研制我国第一套机载惯导系统523惯导系统，在历经长达10年左右的技术攻关试验测试后，523液浮陀螺与液浮加计基平台式惯导系统研制完成，系统精度为2海里/小时（CEP），主要指标达到国内惯导系统研制的先进水平。之后通过对硬件和可靠性上进行改进，研制了面向某运输机运的534平台式惯导系统。

在液浮陀螺之后，我国于1975年左右开始展开对动力调谐陀螺原理样机的研究，1986年2月，航空工业某所研制的3套563S挠性平台式机载惯导系统并在安-26飞机上进行装机试飞，导航精度约2海里/小时，为今后进一步改进国产惯导的研制和引进吸收国外惯导技术打下了良好的基础，也为国产飞机提供惯导系统配套开辟了良好前景。

1985年开始，我国开始研制装机使用的惯导563平台式惯导系统，经过10余年的研制迭代，563系统于1994年被航定委批准设计定型，成为第一个装备军机的国产惯导系统，解决了国内军用机载惯导系统的有无问题。为了提高实战性能，我国开始着手研制一个性能与美国空军标准惯导相当的航空惯导系统573惯导系统。1999年，573惯性导航系统设计定型，试飞定位误差0.77海里/小时，大大提高了惯导系统的实战性能。

3.2 激光捷联惯性导航技术

与国外发展潮流相同，激光陀螺及其激光捷联导航系统是继挠性器件惯导系统之后的更新换代产品，1995年航空工业某研究所研制出漂移为0.12°/h的单轴抖动激光陀螺实验室样机。2000年，我国在此基础上研制出国产化三轴塞曼激光陀螺组合样机，研究应用于空空导弹的激光陀螺，拉开了激光陀螺产品的序幕，“九五”末，航空工业某所研制的的5207激光陀螺三个轴的精度优于0.05°/h，单轴精度达到0.03°/h。

2001开始，针对激光陀螺的研究逐渐进入导航主业。2005年高精度抖动激光陀螺5213完成测试验证，由研制转向批生产，陀螺工程样机精度达到0.005°/h，主要应用于593激光捷联惯导系统，装备于我国某型强击机。2009年，小型化的抖动激光陀螺5219、GD116、GD138等研发成功，为我国有人机、无人机等新一代航姿系统提供了性能优异的核心传感器。此后的五年，抖动激光陀螺成活率取得重大突破、精度水平得以全面提升标志着激光陀螺全谱系已建成。

2012年，航空工业某研究所研制出213J1激光捷联惯性导航系统，具有惯性/卫星组合导航能力，采用深组合(EGI)方案，使用机上任务系统按隐身要求设计的卫星射频信号实现“惯性/卫星”组合导航。