艦艇自主導航設備特點比較及發(fā)展前景

陳建國

（海軍駐上海地區(qū)水聲導航系統(tǒng)軍事代表室 上海 201108）

艦艇自主導航設備特點比較及發(fā)展前景

陳建國

（海軍駐上海地區(qū)水聲導航系統(tǒng)軍事代表室 上海 201108）

自主導航；特點比較；發(fā)展前景

自主導航設備是現(xiàn)代艦艇必不可少的裝備，陀螺羅經(jīng)、平臺羅經(jīng)、慣性導航系統(tǒng)均為自主導航設備。從設備原理、特點、應用等方面對它們進行了全面比較和闡述，并根據(jù)現(xiàn)代戰(zhàn)爭對自主導航設備的要求，論述了它們未來各自的發(fā)展前景和方向。

0 引言

在艦艇航行中，自主導航設備不依賴外部信息，引導艦船航行到目的區(qū)域，并為武器系統(tǒng)提供艦船位置、速度、姿態(tài)等信息。本文所要闡述和比較的自主導航設備包括陀螺羅經(jīng)、平臺羅經(jīng)和慣性導航系統(tǒng)。陀螺羅經(jīng)是艦艇為保證航海安全而必備的導航設備，它僅為艦船提供航向信息；平臺羅經(jīng)主要裝備作戰(zhàn)艦艇，既為艦船導航系統(tǒng)提供艦船航向信息，也為作戰(zhàn)系統(tǒng)提供縱搖、橫搖信息；慣性導航系統(tǒng)作用與平臺羅經(jīng)相似，但除提供姿態(tài)信息外，還能自主提供位置和速度信息。

1 設備原理及主要特點

陀螺羅經(jīng)、平臺羅經(jīng)、慣性導航系統(tǒng)均屬于自主導航設備，都是基于陀螺的定向性和進動性原理工作的，但它們在應用模型上卻有較大區(qū)別。

陀螺羅經(jīng)（以阿瑪-勃朗系列羅經(jīng)為例）由陀螺儀、電磁擺、碗形齒輪、修正回路和跟蹤回路組成；若陀螺球偏離子午面，在地球自轉水平分量的作用下，陀螺主軸將偏離水平面，于是隨動球與陀螺球之間出現(xiàn)水平失調角，隨動球水平信號器敏感此失調角后，產生失調信號，水平隨動系統(tǒng)工作，使隨動球轉過一角度以跟蹤主軸的運動。此時，固定在隨動球上的電磁擺也跟著傾斜一角度，輸出比例于傾斜角的擺信號，此信號經(jīng)控制系統(tǒng)放大，輸出到水平力矩器及方位力矩器。方位力矩器給陀螺施加方位控制力矩(找北力矩)，水平力矩器施加水平阻尼力矩，從而使陀螺主軸進行阻尼振蕩而穩(wěn)定在當?shù)刈游缑鎯?。在結構上，隨動陀螺在垂直方向和北水平上是受控的，在驅動電機和碗型齒輪的驅動下工作，而東水平僅僅靠重力（配重）保持基本水平，不受電氣回路控制。其原理圖見圖1。

圖1 電控陀螺羅經(jīng)原理圖

在圖1中：

方位伺服回路傳遞系數(shù)：Ky（g·cm）；

水平伺服回路傳遞系數(shù)：Kz（g·cm）；

積分系數(shù)：Kc（g·cm）；

電磁擺敏感角：θ（rad）；

陀螺漂移：ωy（rad/s）；

航行速度：V（m/s）；

地球半徑：R（m）；

平臺羅經(jīng)一般包含陀螺儀和加速度計等敏感部件，它們相互正交安裝在常平架上，陀螺儀敏感垂直、東水平和北水平三個方向的角速度，加速度計敏感北水平和東水平方向的加速度；電氣部分包含修正回路和穩(wěn)定回路。以國內主要二自由度陀螺儀平臺羅經(jīng)為例，如圖2所示，臺體可繞內環(huán)軸旋轉，為方位軸；繞中環(huán)旋轉，為縱搖軸；繞外環(huán)旋轉，為橫搖軸。在每根旋轉軸上都安裝有力矩電機和多極旋轉變壓器，在方位軸上，并設有座標轉換器。北向陀螺（GN）和北向加速度計（AN）組成回路，實現(xiàn)指北和保持南北水平；東向陀螺（GE）和東向加速度計（AE）組成回路，實現(xiàn)東西水平；根據(jù)北陀螺、東陀螺的訊號器信號，通過穩(wěn)定回路、力矩電機使平臺在三軸方向跟蹤陀螺，從而實現(xiàn)了臺體的指北和保持水平。具體來說，和陀螺羅經(jīng)指北原理相似，如果北陀螺的主軸偏離水平面，主軸就會抬頭或低頭使臺體傾斜，修正回路工作，加速度計和加速度計控制回路組合起來，送出臺體傾斜角度訊號，這個訊號經(jīng)過電氣回路放大產生一個電流送給北陀螺的方位力矩器，也送到水平力矩器，從而產生力矩使陀螺主軸向反方向進動，恢復指北，并實現(xiàn)北水平。東水平實現(xiàn)原理也是一樣的。

圖2 平臺羅經(jīng)臺體結構原理圖

慣性導航系統(tǒng)分為平臺慣性導航系統(tǒng)和捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)。

平臺慣導系統(tǒng)物理結構上與平臺羅經(jīng)相同，初始對準模型與平臺羅經(jīng)相似，但在導航狀態(tài)則有大的不同；它的陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)使三軸平臺跟蹤地理坐標系，保持臺體上的加速度計保持水平，并分別穩(wěn)定指東指北。加速度計測量載體對東、北方向的分量，高速計算機將它對時間進行積分，得到在導航坐標系中的速度、位置。要使平臺跟蹤地理坐標系，需使平臺也以同樣的角速度相對慣性空間旋轉，并給陀螺施加控制電流，使三個陀螺分別產生的進動角速度（與平臺羅經(jīng)相同）見公式1：

在此基礎上，在敏感到東向和北向載體加速度后，速度和位置的解算模型見公式2：

公式中：

Ωx、ωy、ωz：陀螺進動角速度（rad/s）；

VE、VN：艦船東向、北向速度（m/s）；

αE、αN：艦船東向、北向加速度（m/s2）；

λ、φ：經(jīng)緯度（°）；

ωe：地球自轉角速度（rad/s）。

捷聯(lián)慣導系統(tǒng)（SINS）是在平臺慣導系統(tǒng)基礎上發(fā)展而來的，它是一種無框架系統(tǒng)。平臺慣導系統(tǒng)和捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的主要區(qū)別是：前者有實體的物理平臺，陀螺儀和加速度計置于穩(wěn)定的平臺上，與載體物理隔離，平臺跟蹤導航坐標系，以實現(xiàn)速度和位置解算，姿態(tài)信息直接取自于平臺環(huán)架上的旋轉變壓器；后者的陀螺和加速度計直接固連在載體上作為測量基準，它不再采用機電平臺，慣性平臺的功能由高速計算機完成，即在計算機內建立一個數(shù)學平臺取代物理平臺，載體導航信息通過計算機計算得到，這是捷聯(lián)慣導系統(tǒng)區(qū)別于平臺慣導系統(tǒng)的根本點。圖4為捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的基本原理框圖。與傳統(tǒng)的平臺慣導系統(tǒng)相比，捷聯(lián)慣導系統(tǒng)有如下優(yōu)點：

（1）捷聯(lián)慣導系統(tǒng)敏感元件便于安裝、維修和更換；

（2）捷聯(lián)慣導系統(tǒng)敏感元件易于重復布置，在慣性敏感元件級易于實現(xiàn)冗余技術，可提高性能和可靠性；

（3）捷聯(lián)慣導系統(tǒng)無常平架平臺，減小了系統(tǒng)體積。

近10年來，美國等發(fā)達國家艦艇用中等精度慣性導航系統(tǒng)已實現(xiàn)了由傳統(tǒng)平臺式向現(xiàn)代捷聯(lián)式的更新?lián)Q代。

2 設備性能特點比較

從第1章可以看出，陀螺羅經(jīng)、平臺羅經(jīng)、慣導系統(tǒng)它們都是自主導航系統(tǒng)，應用原理基本相似，但不完全相同，功能和精度也是從簡到難，從低到高。陀螺羅經(jīng)是一般的普航設備，其結構和應用原理相對簡單，航向精度也相對較低，廣泛應用于民用船舶和軍用艦艇。平臺羅經(jīng)的結構和數(shù)學模型較陀螺羅經(jīng)復雜，其功能和精度上介于陀螺羅經(jīng)和慣導系統(tǒng)之間，結構上與平臺慣導系統(tǒng)相同，主要應用于軍用艦艇，為艦艇各系統(tǒng)提供當前姿態(tài)，為導彈、火炮、雷達等設備提供穩(wěn)定平臺。慣導系統(tǒng)是隨導彈武器系統(tǒng)和潛艇技術的發(fā)展而發(fā)展的，它除提供艦艇姿態(tài)信息外，還能自主提供速度和位置信息，滿足了導彈超視距攻擊和潛艇長時間潛航的需求；慣導系統(tǒng)結構上與平臺羅經(jīng)相似，但對敏感元件輸出的處理方式卻不相同：平臺羅經(jīng)的加速度信號主要用于敏感重力加速度，為系統(tǒng)提供水平信息，艦艇的加速度信息作為有害信息必須濾除；慣導系統(tǒng)的加速度信號敏感的重力信息和艦艇加速度信息都是有用信息，重力加速度用來輔助陀螺系統(tǒng)進行初始對準，而艦艇加速度信息用來進行兩次積分運算，以求出載體速度和位置；因此，平臺羅經(jīng)和慣導系統(tǒng)主要用于軍用，而慣導系統(tǒng)無論是功能上還是精度上都比平臺羅經(jīng)更勝一籌。這三種艦艇自主導航設備比較見表1。

圖4 捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)基本原理框圖

表1 艦艇自主導航設備綜合比較

3 設備未來發(fā)展展望

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭對武器載體隱蔽性的要求越來越高，艦艇自主導航設備的需求量也越來越大；艦艇武器系統(tǒng)作戰(zhàn)性能不斷改善，對艦艇自主導航設備的要求也不斷提高。固態(tài)陀螺（光纖陀螺、激光陀螺、微機械陀螺等）動態(tài)性能好、可靠性高、啟動時間短的特點，決定了對傳統(tǒng)自主導航技術帶來極大的沖擊。陀螺羅經(jīng)作為艦艇普航設備，主要用于保障艦船的航行安全，因此，它的地位將不可動搖；但傳統(tǒng)機械陀螺具有羅經(jīng)啟動時間較長、可靠性一般的弱點，必然會被固態(tài)陀螺航向姿態(tài)系統(tǒng)所取代。傳統(tǒng)平臺羅經(jīng)的地位比較尷尬，它的弱點跟陀螺羅經(jīng)相似，其提供的信息與固態(tài)陀螺航向姿態(tài)系統(tǒng)相同，其精度也并無多大優(yōu)勢，這些特點決定了它也必然會被固態(tài)陀螺航向姿態(tài)系統(tǒng)取代。慣性導航系統(tǒng)作為提供信息最全的自主導航設備，廣泛應用于大中水面艦艇及潛艇，這些都是GPS、北斗、羅蘭C等無法替代的；隨著計算機技術的飛速發(fā)展以及大動態(tài)范圍固態(tài)陀螺儀的日益成熟，傳統(tǒng)中等精度慣導系統(tǒng)必然會被固態(tài)陀螺捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)取代，尤其是激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)。美國MK49型系列捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)自上世紀90年代以來開始裝備美國和北約各式潛艇和水面艦艇，環(huán)形激光陀螺捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)AN/WSN-7B型則于21世紀開始大規(guī)模生產并裝備美國海軍艦艇，代表了慣性導航技術發(fā)展的最新水平?，F(xiàn)在，國內激光、光纖陀螺技術已達到一定水平，捷聯(lián)系統(tǒng)集成技術早已成熟，相信用不了多久，光纖陀螺航向姿態(tài)系統(tǒng)、激光陀螺捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)將陸續(xù)裝備我海軍各型水面艦艇及潛艇，促成我海軍自主導航裝備發(fā)展的又一次飛躍。

［1］許江寧.陀螺原理［M］.國防工業(yè)出版社，2005.

［2］黃德鳴等.平臺羅經(jīng)［M］.國防工業(yè)出版社，1994.

［3］李滋剛等.捷聯(lián)式慣性技術及系統(tǒng)［M］.東南大學先進技術與裝備研究院，2007.

Characteristic comparison and development prospects of the ship autonomous navigation equipment

Chen Jianguo

autonomous navigation；characteristic comparison；development prospects

The autonomous navigation equipments，such as gyrocompass，stabilized gyrocompass and the inertial navigation，are absolutely necessary in modern ships and submarines.This paper describes and compares them in principles，characteristics and applications，then discusses their development prospects based on the requirement in the modern warfare.

U666.1

A

1001-9855（2011）01-0044-04

2010-06-01

陳建國（1971.07-），男，漢族，工程師，主要從事導航設備研究建造。