艦船慣性導(dǎo)航技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

隋波

海軍駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧 大連 116021

1 成本需求

在滿足軍事應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)軍事目標(biāo)的前提下，必須考慮經(jīng)濟(jì)因素，即成本控制，包括人工成本和資本成本[1]。從這個(gè)角度看，為了在慣性導(dǎo)航的前提下達(dá)到所要求的性能，我們必須努力做到可靠、易用、小型化、低功耗、輕量化，所以我們應(yīng)該重視技術(shù)的應(yīng)用，如智能技術(shù)、數(shù)字技術(shù)等。降低產(chǎn)品生命周期成本不容忽視，這是技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力之一。

2 不同類型慣性導(dǎo)航的技術(shù)特點(diǎn)

復(fù)雜光電產(chǎn)品的質(zhì)量受到許多因素的制約。一般來(lái)說(shuō)，可分為兩個(gè)方面：一是慣性傳感器技術(shù)，如陀螺儀；二是系統(tǒng)技術(shù)。陀螺儀是慣性導(dǎo)航的核心設(shè)備，它從本質(zhì)上決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能水平。系統(tǒng)技術(shù)包括信息處理技術(shù)的方案安排和解碼方案的選擇原則、系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)、輔助導(dǎo)航信息集成技術(shù)的物理環(huán)境，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、可靠性、維護(hù)、測(cè)試、安全和可支持性等“五屬性”設(shè)計(jì)技術(shù)。

2.1 平臺(tái)與捷聯(lián)慣性導(dǎo)航

導(dǎo)航問(wèn)題在一定程度上解決了多坐標(biāo)系之間的關(guān)系。應(yīng)用于地面導(dǎo)航問(wèn)題時(shí)，必須解決矢量坐標(biāo)系、局部水平坐標(biāo)系和地心慣性坐標(biāo)系之間的關(guān)系。根據(jù)各種坐標(biāo)系的具體實(shí)現(xiàn)，慣性導(dǎo)航可分為多種類型。這是慣性產(chǎn)品設(shè)計(jì)的第一步，也是規(guī)劃和選擇的主要內(nèi)容。

根據(jù)平臺(tái)仿真的不同坐標(biāo)系，將平臺(tái)慣性導(dǎo)航進(jìn)一步劃分為幾何方程和半解析方程。幾何類型與所有物理仿真平臺(tái)兼容，并且具有復(fù)雜的幀結(jié)構(gòu)。通常需要在半解析方程中，通過(guò)物理平臺(tái)模擬局部水平或慣性坐標(biāo)系。另一個(gè)坐標(biāo)系是通過(guò)求解和計(jì)算坐標(biāo)系之間的關(guān)系來(lái)計(jì)算的。通過(guò)以上求解，得到了所有捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的坐標(biāo)系。

2.2 采用各種監(jiān)控技術(shù)的慣導(dǎo)

利用外部參考信息對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，不能從根本上消除誤差源的影響，不能完全消除外部信息，可以明顯削弱自主慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。因此，要從根本上解決慣性導(dǎo)航的“發(fā)散”現(xiàn)象[2]，就必須從慣性導(dǎo)航的內(nèi)部入手，盡量減小陀螺儀的漂移和影響。有兩種方法:第一種，是提高慣性傳感器的精度，如陀螺儀。第二種，陀螺儀監(jiān)測(cè)技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用包括旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)、陀螺多位置漂移位置監(jiān)測(cè)技術(shù)和陀螺儀H調(diào)制監(jiān)測(cè)技術(shù)。

第一種方法比第二種方法更加困難和昂貴，特別是當(dāng)設(shè)計(jì)和制造陀螺儀的技術(shù)達(dá)到一定水平時(shí)。第二種方法通過(guò)改變系統(tǒng)控制計(jì)算方案或增加現(xiàn)有的基于系統(tǒng)的陀螺儀監(jiān)測(cè)方法，具有較低的應(yīng)用成本，在相同的精度水平上，提高系統(tǒng)精度可以達(dá)到良好的效果。因此，提高慣性導(dǎo)航的性能水平是一種相對(duì)簡(jiǎn)單有效的方法。表1顯示了三種主要陀螺儀監(jiān)測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)。

表1 陀螺監(jiān)測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)

3 慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

就全球發(fā)展而言，現(xiàn)有的慣性傳感器已經(jīng)能夠滿足目前各種導(dǎo)航任務(wù)的精度要求[3]。未來(lái)的主要目標(biāo)是降低設(shè)備成本、體積/重量和功耗，包括以下方面。

(1)材料和工藝：制造商采用低勞動(dòng)密集型生產(chǎn)模式和批量加工技術(shù)來(lái)選擇新材料如硅、石英或鈮酸鋰，以產(chǎn)生惰性。

(2)成本：它包括產(chǎn)品本身的運(yùn)行成本和維護(hù)成本。由于大規(guī)模生產(chǎn)，慣性傳感器的成本也大幅度下降。

(3)體積：慣性傳感器正朝著輕量化、小型化和微型化的方向發(fā)展。一些新的慣性傳感器不會(huì)被肉眼識(shí)別。

(4)研究熱點(diǎn)：一方面，它專注于小型慣性器件的性能改進(jìn)和有效封裝。另一方面，它的重點(diǎn)是光學(xué)傳感器，特別是對(duì)于使用互聯(lián)網(wǎng)。

(5)期望：在所有精度水平上，可以實(shí)現(xiàn)體積小、成本低的慣性傳感器。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用直接取決于慣性傳感器的發(fā)展。慣性傳感器的成本、體積和功率影響著慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的參數(shù)。因此，慣性傳感器的發(fā)展需要平衡以下因素:精度、連續(xù)性、可靠性、成本、體積/重量和功耗。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，低成本、高精度、高性能的慣性傳感器將成為未來(lái)慣性器件研究的熱點(diǎn)。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，平臺(tái)導(dǎo)航系統(tǒng)將被捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)所取代。

慣性導(dǎo)航是唯一的自主導(dǎo)航模式，而純慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不依賴于任何外部信息。它仍將占據(jù)一個(gè)位置，將成為一個(gè)獨(dú)立而有意義的研究方向。