陀螺儀在導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)上的應(yīng)用前景展望

摘 要 從20世紀(jì)40年代初V2火箭問世至今，導(dǎo)彈武器有了無語倫比的發(fā)展演變，作為導(dǎo)彈武器配套的瞄準(zhǔn)設(shè)備和瞄準(zhǔn)技術(shù)也隨之發(fā)展進(jìn)步，陀螺儀作為導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)的核心技術(shù)目前正得到越來越廣泛的應(yīng)用。文章從陀螺儀技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀開始詳細(xì)介紹了陀螺儀的基本原理及發(fā)展趨勢，導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)的方式及設(shè)備，并對陀螺儀在導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)上的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 陀螺儀；導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)；光纖陀螺

中圖分類號：TJ76 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）16-0089-02

所有的導(dǎo)彈在發(fā)射的時(shí)候，要求彈體和相應(yīng)的控制系統(tǒng)的各個傳感器 都要有精確的垂直定位和方向定位，目的是能夠使彈道式導(dǎo)彈的彈道順利通過目標(biāo)，在導(dǎo)彈的發(fā)射準(zhǔn)備期間，能夠確保彈體和控制系統(tǒng)傳感器的各軸線在空間處于應(yīng)有指向的工作稱為導(dǎo)彈的瞄準(zhǔn)過程。方位瞄準(zhǔn)系統(tǒng)是彈道導(dǎo)彈的重要組成部分。它直接影響導(dǎo)彈的橫向命中精度。在方位瞄準(zhǔn)中，陀螺定向經(jīng)緯儀能自主自動尋找北并測出與射向的方位角，作為陀螺定向經(jīng)緯儀的核心部件，高精度的陀螺儀對導(dǎo)彈的發(fā)射精度起了越來越重要的作用。

1 陀螺儀的發(fā)展概況及應(yīng)用

陀螺儀作為一種儀器，是用來測定姿態(tài)用的，傳統(tǒng)的陀螺儀具有剛體轉(zhuǎn)子，剛體轉(zhuǎn)子可以高速旋轉(zhuǎn)，這樣陀螺儀就能夠測出運(yùn)載體的姿態(tài)，而現(xiàn)在已經(jīng)有了沒有剛體轉(zhuǎn)子的陀螺儀，它的功能和傳統(tǒng)的陀螺儀功能一樣。

1.1 發(fā)展概況

第一套能顯示地球轉(zhuǎn)動的儀器是由法國科學(xué)家傅科在1852年制作的，叫陀螺儀。

1914年，在飛機(jī)的電動穩(wěn)定裝置上還始使用陀螺儀作為基準(zhǔn)，1920年，在各種運(yùn)載體上都能夠見到陀螺儀的身影，陀螺儀作成重要元件用來測定運(yùn)載體的姿態(tài)、角速度、角加速度、方位等。從1940年，在導(dǎo)彈上開始使用陀螺儀。但直到1950年，在構(gòu)造和原理上來說，陀螺儀沒有什么較大的改進(jìn)，還是沿用博科在1914年制作的陀螺儀，所以它的精度也不是很高。但是1950年以后，隨著轉(zhuǎn)子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了液浮、磁浮、動壓、靜電等轉(zhuǎn)子技術(shù)，使得陀螺儀的結(jié)構(gòu)有了很大的改變，精度也得到了很大的提高。到1975年，有了激光陀螺儀，由于機(jī)械摩擦和重力加速度都不會影響它的精度，同時(shí)，激光陀螺儀也有良好的抗震性，所以在導(dǎo)彈的慣導(dǎo)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。

1.2 原理與結(jié)構(gòu)

如圖1陀螺儀主要結(jié)構(gòu)有轉(zhuǎn)子、內(nèi)外環(huán)和基座三部分。

轉(zhuǎn)子安裝在內(nèi)環(huán)上作高速旋轉(zhuǎn)，內(nèi)外環(huán)之間有軸承連接，基座和外環(huán)之間通過軸承相連。這樣轉(zhuǎn)子就有了3個方向的自由度，因而我們把它又叫三自由度陀螺儀。由于轉(zhuǎn)子可以向任意方向轉(zhuǎn)動，所以叫做自由轉(zhuǎn)子陀螺儀。陀螺儀的轉(zhuǎn)子和電動機(jī)的轉(zhuǎn)子具有相同的功能，為保證陀螺儀具有較高的精度，要求轉(zhuǎn)子具有很大的角動量，為此需要把轉(zhuǎn)子放在定子的外部。除此以外，還需要用同步電機(jī)作為陀螺電機(jī)，在控制系統(tǒng)中的使用的陀螺儀還要安裝角度傳感器，圖中的兩個輸出軸上都裝有角度傳感器。為特定狀態(tài)下使用陀螺儀，將力矩器裝在內(nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸上，可以修正陀螺儀的工作狀態(tài)。

1.3 陀螺儀的應(yīng)用方向

現(xiàn)代陀螺儀作為一種慣性導(dǎo)航儀器，能夠精確地確定運(yùn)動物體的方位，因此在很多領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用，比如航天，航海，導(dǎo)彈等領(lǐng)域。在航空，航海，航天和國防中得到廣泛的應(yīng)用，陀螺儀技術(shù)的發(fā)展對我們的工業(yè)，國防等高科技的發(fā)展具有極為重要的意義。傳統(tǒng)意義上的陀螺儀一般是指機(jī)械式的陀螺儀，它對工藝結(jié)構(gòu)的要求很高，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度受到了很多因素的影響。自1970年開始，現(xiàn)代陀螺儀技術(shù)有了全新的發(fā)展。1976年有人提出了光纖陀螺儀的基本理論，1980年后，現(xiàn)代光纖陀螺儀就有了很大的發(fā)展，和機(jī)械式陀螺儀相比，光纖陀螺儀具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高等優(yōu)勢，所以已經(jīng)在許多方面取代了機(jī)械式陀螺儀，在現(xiàn)在導(dǎo)航儀器中占有非常重要的地位。

現(xiàn)代光纖陀螺儀分為兩種，一種是干涉式陀螺儀，另一種是諧振式陀螺儀，這兩種陀螺儀都是由塞格尼克的理論發(fā)展起來的，其原理是：當(dāng)我們讓一束光在一個環(huán)形的通道中傳播時(shí)，如果給通道本身一個轉(zhuǎn)動速度，那么當(dāng)光束沿著通道轉(zhuǎn)動的方向傳播時(shí)，所需要的時(shí)間要比沿著相反的方向轉(zhuǎn)播的時(shí)間要多。即當(dāng)環(huán)形通道轉(zhuǎn)動時(shí)，光束的光程會產(chǎn)生變化。利用這種變化，如果我們使不同方向上前進(jìn)的光束之間產(chǎn)生干涉，那么我們就可以測量環(huán)路的轉(zhuǎn)動速度，利用這個原理就可以制造出干涉式光纖陀螺儀。如果我們利用光程的變化來實(shí)現(xiàn)在環(huán)路中不斷循環(huán)的光之間的干涉，即通過調(diào)整光纖通道的光的諧振頻率來測量通道的轉(zhuǎn)動速度，那么就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個原理可以看出，干涉式陀螺儀要求的光源可以有較大的頻譜寬度，因?yàn)樗趯?shí)現(xiàn)干涉時(shí)的光程差小，而諧振式的陀螺儀要求的光源必須有很好的單色性，因?yàn)樗墓獬滩钶^大。

陀螺儀最早的應(yīng)用是在航海上，隨著科技的不斷發(fā)展，在航空和航天等領(lǐng)域中也有陀螺儀的身影。陀螺儀最重要的功能是它在自動控制系統(tǒng)中作為信號傳感器，給控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的方位、水平等信號，這樣就可以使飛機(jī)按要求的航線飛行。而在導(dǎo)彈的制導(dǎo)中，利用陀螺儀提供的信號，就可以控制導(dǎo)彈的姿態(tài)和軌道。在列車、船舶等領(lǐng)域，也可以利用陀螺儀提供的信號，使列車和船舶行駛的更加平穩(wěn)。在礦山，石油和導(dǎo)彈發(fā)射井等方面，更離不開陀螺儀提供的方位基準(zhǔn)。所以陀螺廣應(yīng)用范圍廣，在國防和民用建設(shè)中起著非常大的作用。

2 導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)的方式及設(shè)備

導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)系統(tǒng)主要包括以下6個部分：①方位瞄準(zhǔn)設(shè)備、②基準(zhǔn)標(biāo)定設(shè)備、③射向變換設(shè)備、④尋北定向設(shè)備、⑤水平檢查設(shè)備、⑥檢測訓(xùn)練設(shè)備等。

導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)時(shí)，先講瞄準(zhǔn)車開進(jìn)發(fā)射場坪，將瞄準(zhǔn)車內(nèi)的瞄準(zhǔn)儀對準(zhǔn)瞄準(zhǔn)點(diǎn)，在距離瞄準(zhǔn)車60-120 m處放置標(biāo)桿儀，將瞄準(zhǔn)儀對準(zhǔn)標(biāo)桿儀，然后裝定射擊方位角，通過旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈的彈體，可以將彈上直角棱鏡和瞄準(zhǔn)儀處于準(zhǔn)直狀態(tài)，這樣就可以完成粗瞄，導(dǎo)彈加注推進(jìn)劑后就可以進(jìn)行精確瞄準(zhǔn)[3]。endprint

1）方位瞄準(zhǔn)設(shè)備。作為地面瞄準(zhǔn)的核心設(shè)備，方位瞄準(zhǔn)設(shè)備的功能是得到方位基準(zhǔn)和射向，同時(shí)把得到的信息傳遞到彈上的棱鏡上去。這樣的儀器包括光電瞄準(zhǔn)儀、激光瞄準(zhǔn)儀、光學(xué)自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀等。

2）標(biāo)定基準(zhǔn)設(shè)備。標(biāo)定基準(zhǔn)設(shè)備的功能是給出基準(zhǔn)的方位角，比如說反射直角棱鏡裝置、標(biāo)桿儀等。標(biāo)桿儀可以用來標(biāo)定基準(zhǔn)方向，使用時(shí)可以放置在基準(zhǔn)點(diǎn)G上（見圖2），用標(biāo)桿儀上的標(biāo)桿代替基準(zhǔn)點(diǎn)。

反射直角棱鏡的鏡面法線也可以用來標(biāo)定基準(zhǔn)方向，如果是在地下發(fā)射井中，那么可以將平面鏡安裝在井壁上，這樣就可以儲存基準(zhǔn)方向。如果在潛艇上，那么在艇慣導(dǎo)處的反射直角棱鏡的鏡面法線就可以為瞄準(zhǔn)儀建立原始方位參考基準(zhǔn)。

3）射向變換設(shè)備。一般來說射向變換的設(shè)備是將其中的一部分裝在導(dǎo)彈的尾端面中心上，比如角變換儀，可以為射向變換提供傳遞基準(zhǔn)；射向變換的另一部分放在地面上，比如自準(zhǔn)直儀，其作用是監(jiān)視放置角變換儀上的基準(zhǔn)直角棱鏡，角變換儀和準(zhǔn)直儀相互配合完成導(dǎo)彈的射向變換。

4）尋北定向設(shè)備。陀螺定向經(jīng)緯儀就是尋北定向設(shè)備，它能夠自動的尋找北方，而且能夠測出與射向的方位角。陀螺定向經(jīng)緯儀是導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)中的必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，它一般放置在光電瞄準(zhǔn)儀附近，可以將真北信息傳送給光電瞄準(zhǔn)儀，有時(shí)陀螺經(jīng)緯儀也配置在瞄準(zhǔn)點(diǎn)上，可以用來檢查或賦予基準(zhǔn)方向。

3 陀螺儀在導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)上的應(yīng)用前景展望

隨著軍事需求和電子技術(shù)的發(fā)展，慣性技術(shù)也在不斷的進(jìn)步，慣性器件的發(fā)展又使慣性技術(shù)進(jìn)一步得到發(fā)展，作為導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)的核心部件的陀螺儀，也隨著慣性技術(shù)的進(jìn)步而不斷的進(jìn)步和發(fā)展。

目前，國外慣性器件的發(fā)展大致分為三個階段，第一個階段為機(jī)電式陀螺儀，第二個階段為激光式陀螺儀，第三個階段是光纖式陀螺儀。機(jī)電式陀螺儀又分為液浮式、氣浮式、靜電式、和動力調(diào)節(jié)式四種，這些技術(shù)在國外應(yīng)用非常廣泛。據(jù)資料顯示美國生產(chǎn)的液浮式陀螺儀的隨機(jī)漂移已經(jīng)達(dá)到0.001°/h，它的靜電式陀螺儀的隨機(jī)漂移也達(dá)到0.001°/h，而它的動力調(diào)諧式陀螺儀的隨機(jī)漂移可達(dá)0.006°/h。德國和法國航天和導(dǎo)彈上主要應(yīng)用的是動力調(diào)諧式陀螺儀，利用動力調(diào)諧式陀螺儀組成平臺和捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)。而美國在航空和航天上主要使用的是激光陀螺技術(shù)，利用激光陀螺儀組成捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，它穩(wěn)定性可以達(dá)0.01°/h。由于激光陀螺儀具有誤差小動態(tài)范圍較大的優(yōu)點(diǎn)，激光陀螺儀更加的適用。然而光纖陀螺儀更易于集成化，因而作為捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的慣性器件具有很強(qiáng)的競爭力。目前光纖陀螺的發(fā)展越來越表現(xiàn)為集成化、數(shù)字化、模塊化的趨勢，在美國、德國等國家得到非常廣泛的應(yīng)用。利用光纖陀螺儀作為慣性器件的慣導(dǎo)系統(tǒng)裝載在被測載體上，可以很快的給出載體在地理坐標(biāo)系中所處的方位角，因此在導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)和隧道建設(shè)等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。光纖陀螺儀相對于傳統(tǒng)的陀螺儀有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：可以瞬時(shí)啟動，具有很高的MTBF和較低的功耗，體積小重量輕等。因此光纖陀螺儀的慣導(dǎo)系統(tǒng)正在逐漸取代傳統(tǒng)的陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)為載體提供初始姿態(tài)測量[4-5]。光纖陀螺儀在國外的應(yīng)用領(lǐng)域見表1。

由表1可以看出，無論是中短程導(dǎo)彈，遠(yuǎn)程導(dǎo)彈，還是戰(zhàn)略導(dǎo)彈，在瞄準(zhǔn)系統(tǒng)上都離不開光纖陀螺儀，因此我們可以測到未來捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的遠(yuǎn)景市場，無可爭議地將被光纖陀螺儀占領(lǐng)，這是客觀發(fā)展趨勢，國際上光纖陀螺的發(fā)展證明這一趨勢。

3 結(jié)論

總之，隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展，在不就的將來，陀螺儀技術(shù)尤其是光纖陀螺技術(shù)將大量的應(yīng)用于導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)技術(shù)，這將大大提高整個導(dǎo)彈的機(jī)動性和快速反應(yīng)能力。整個導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的精度，瞄準(zhǔn)所需的時(shí)間和自動化的程度也將越來越高，而隨著光纖陀螺技術(shù)的不斷發(fā)展，以中高精度光纖陀螺為核心器件的地面定位系統(tǒng)會更加廣泛的應(yīng)用于導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中。

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作者簡介

林為才（1973-），男，吉林敦化人，2003年畢業(yè)與長春光機(jī)所研究生部，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為長春光機(jī)所光電測控部副研究員，主要從事光電瞄準(zhǔn)方面研究。endprint