旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)的發(fā)展及應(yīng)用

姬曉琴 陳文輝 楊 業(yè)

1. 宇航智能控制技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100854 2. 北京航天自動控制研究所，北京100854

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(簡稱慣導(dǎo)系統(tǒng))利用陀螺儀和加速度計測量載體的角運(yùn)動和線運(yùn)動，并通過實(shí)時解算獲得載體的姿態(tài)、速度和位置信息。慣導(dǎo)系統(tǒng)有平臺式和捷聯(lián)式2類實(shí)現(xiàn)方案。由于慣性導(dǎo)航是一種完全自主的導(dǎo)航方式，在軍、民領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。慣導(dǎo)系統(tǒng)是現(xiàn)代各類載體GNC系統(tǒng)的核心設(shè)備，其精度的高低制約著整個載體精度和性能的提高。因此，提高慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度始終是慣性導(dǎo)航技術(shù)的研究重點(diǎn)。

提高慣導(dǎo)系統(tǒng)精度通常可以采用2種技術(shù)途徑：1)直接提高慣性器件精度；2)采用誤差補(bǔ)償技術(shù)，降低慣性器件誤差對導(dǎo)航精度的影響。前者難度大、成本高且周期長，后者則相對簡單、快捷而實(shí)用[1]。

旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)是較常用的一種誤差補(bǔ)償方法，即將慣性器件或者慣性測量組合(Inertial Measurement Unit，IMU)外面加上轉(zhuǎn)動和控制機(jī)構(gòu)，利用翻轉(zhuǎn)或者旋轉(zhuǎn)將低頻變化的慣性器件誤差源調(diào)制為高頻信號，進(jìn)而有效地補(bǔ)償慣性器件誤差對導(dǎo)航的影響[2]。旋轉(zhuǎn)方式根據(jù)旋轉(zhuǎn)部件可分為2類：1)殼體旋轉(zhuǎn)(元件級旋轉(zhuǎn))，一般應(yīng)用于靜電陀螺系統(tǒng)；2)是臺體旋轉(zhuǎn)(系統(tǒng)級旋轉(zhuǎn))，即整個慣性測量組合同步旋轉(zhuǎn)[3]。

早在20世紀(jì)50年代末，就有學(xué)者提出了通過旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)補(bǔ)償慣性器件漂移,提高導(dǎo)航精度的方法[4]。60到70年代，美、英和法等國艦船的平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)均采用了旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)方法有陀螺殼體旋轉(zhuǎn)法、附加陀螺監(jiān)控法(陀螺監(jiān)控殼體反轉(zhuǎn)法、陀螺監(jiān)控轉(zhuǎn)子正反旋轉(zhuǎn)法、陀螺監(jiān)控H調(diào)制法)和平臺旋轉(zhuǎn)法等[5]。70年代，旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于捷聯(lián)慣導(dǎo)和陀螺羅經(jīng)[6]。80年代，旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)用于激光陀螺，現(xiàn)已有多種成熟產(chǎn)品，并已應(yīng)用于美國海軍、北約艦隊等多國武裝力量。90年代，開始將旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)用于光纖陀螺，2009年第一套光纖陀螺三軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)產(chǎn)品問世。21世紀(jì)以后隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)慣性技術(shù)的發(fā)展，已逐漸開展旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)在MEMS陀螺尋北、航姿系統(tǒng)以及慣導(dǎo)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[7]?？偟膩碚f，美國針對旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)研究時間長，投資大，新研制和改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)性能居世界前列，其雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制方式的MK49和WSN-7A是目前世界上最先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)調(diào)制型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，其研制的三軸旋轉(zhuǎn)光纖慣導(dǎo)系統(tǒng)計劃應(yīng)用于戰(zhàn)略核潛艇以及洲際彈道導(dǎo)彈中。下面對國內(nèi)外的旋轉(zhuǎn)調(diào)制系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用狀況進(jìn)行簡要介紹。

1 平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)調(diào)制

1963年美國Rockwell國際公司Autoneties航海系統(tǒng)分公司首次將旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用于MK2Mod3慣導(dǎo)系統(tǒng)中。美國Sperry公司生產(chǎn)的MK3Mod3及以后各型艦船慣導(dǎo)系統(tǒng)均采用了監(jiān)控陀螺殼體反轉(zhuǎn)技術(shù)。美國1965年研制出的SGN-4型艦船慣性導(dǎo)航儀，1971年研制出的MAINS型艦船的慣導(dǎo)系統(tǒng)，以及1974年研制出的MINS型系統(tǒng)均采用監(jiān)控陀螺殼體反轉(zhuǎn)技術(shù)。法國SAGEM公司從1981年開始研制小型化艦船慣導(dǎo)系統(tǒng)MINICIN，采用陀螺監(jiān)控H調(diào)制技術(shù)，供水面艦艇和潛艇使用[8]。

20世紀(jì)70年代初，美國Delco公司研制出輪盤木馬IV(Carousel IV，C-IV)型四框架平臺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用平臺旋轉(zhuǎn)技術(shù)，該系統(tǒng)是第一個成功將旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的慣導(dǎo)系統(tǒng)，如圖1所示，系統(tǒng)的定位精度為1nmile/h[9]。輪盤木馬及其改進(jìn)型先后裝備了多種型號的民航機(jī)和軍用運(yùn)輸機(jī)，并被宇宙飛行器“大力神—Ⅲ”所采用[10]。

圖1 Carousel IV 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)調(diào)制

2.1 基于激光陀螺的旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)

2.1.1 AN/WSN-5L型船用單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)

1984年，Litton公司在AN/WSN-5型液浮慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開始研制激光陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)AN/WSN-5L。其IMU包含3個腔長為28cm的環(huán)形激光陀螺和1個A4 MOD IV D三軸加速度計。系統(tǒng)采用激光陀螺速率偏頻技術(shù)，旋轉(zhuǎn)部件具有1800°的活動度，工作時限于1440°，轉(zhuǎn)臺以±720°方式往返旋轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)在1993年裝備了美國海軍阿里·伯克級DDG64號導(dǎo)彈驅(qū)逐艦[11]，定位精度1.0nmile/6h。

2.1.2 SLN型艦用雙軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)

2.1.3 MK39Mod3C與AN/WSN-7B單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)[8,9,12,13]

上世紀(jì)80年代，美國Sperry航海公司利用改進(jìn)

的磁鏡偏頻激光陀螺研制了單軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)海上試驗(yàn)。其單軸系統(tǒng)采用單軸四位置轉(zhuǎn)停方案來補(bǔ)償光學(xué)陀螺的漂移，這也成了以后世界上所有成熟的單軸旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的主要調(diào)制方案。由于磁鏡偏頻激光陀螺精度較低，Sperry航海公司隨后開展了二頻機(jī)抖激光陀螺單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣導(dǎo)系統(tǒng)的研制工作。在90年代研制出的Mk39系列激光慣導(dǎo)系統(tǒng)已經(jīng)被多個國家海軍選用于各種艦船平臺；隨后在MK39Mod3C基礎(chǔ)上又發(fā)展的改進(jìn)型AN/WSN-7B單軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，已裝備美國海軍艦船及護(hù)衛(wèi)艦。其中，MK39Mod3C使用Honeywell公司的DIG-20型三角形激光陀螺，WSN-7B使用該公司的GG1320環(huán)形激光陀螺，加表均使用QA-2000型，采用單軸四位置旋轉(zhuǎn)方案(-45°、-135°、+135°、+45°)，如圖2和3所示[12]。2個系統(tǒng)自主導(dǎo)航精度達(dá)到1nmile/24h，性能優(yōu)良，價格低廉。

圖2 MK39MOD3C單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)

圖3 AN/WSN-7B單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)

2.1.4 MK49型雙軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)[8,12,14,15]

1989年11月，在Sperry航海公司研制的單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)和Honeywell公司研制的SLN艦用激光陀螺導(dǎo)航儀的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，兩家公司合作研制了MK49高精度船用環(huán)形激光陀螺導(dǎo)航儀，采用雙軸轉(zhuǎn)位技術(shù)，當(dāng)時稱其為艦用激光陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(MARLIN)。該系統(tǒng)經(jīng)過海試后，被選為北約組織的船用標(biāo)準(zhǔn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[16-17]，大量裝備于水面艦艇和潛艇。系統(tǒng)由慣性測量裝置、電子柜、控制顯示器和減振裝置組成，其中慣性測量裝置中包括3個GG-1342環(huán)形激光陀螺、3個QA-2000石英撓性加速度計、1個高壓電源、溫控電路板和加熱元件。系統(tǒng)外觀如圖4所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。2個旋轉(zhuǎn)軸(內(nèi)框軸為方位軸、外框軸為橫滾軸)，系統(tǒng)繞這2個軸交替以180°旋轉(zhuǎn)，并在對稱位置旋轉(zhuǎn)、停留相同時間以抑制慣性器件慢變誤差，系統(tǒng)的定位精度達(dá)到0.39nmile/30h，另外，該系統(tǒng)還能進(jìn)行自標(biāo)定、自對準(zhǔn)以及隔離基座晃動的干擾等。

圖4 MK49雙軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)

圖5 MK49雙軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.5 AN/WSN-7A雙軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)[9,18]

20世紀(jì)90年代，Sperry航海公司在MK49的基礎(chǔ)上發(fā)展了AN/WSN-7A系統(tǒng)，于 1995 年開始列裝美國海軍，如圖6所示。系統(tǒng)慣性元件采用GG-1342型環(huán)形激光陀螺和QA-2000石英撓性加速度計，定位精度達(dá)到1nm/14d。AN/WSN-7系列慣性導(dǎo)航系統(tǒng)已成為美國海軍水面艦艇和潛艇的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，2006年左右已經(jīng)裝備美國海軍除裝載彈道導(dǎo)彈核潛艇以外的所有艦艇。

圖6 AN/WSN-7A雙軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)

2.1.6 PL41/MK4型單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)[11,19]

諾格Litef公司為德國海軍潛艇導(dǎo)航研制出PL41/MK4 Mod1型激光陀螺單軸旋轉(zhuǎn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，并于1988年進(jìn)行了海上實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)采用的是速率偏頻激光陀螺捷聯(lián)方案，IMU選用了3個腔長為28cm的環(huán)形激光陀螺和3個加速度計，具有平臺式系統(tǒng)的穩(wěn)定性和捷聯(lián)式系統(tǒng)的簡單性、緊湊性和堅固性，其外觀如圖7所示。系統(tǒng)采用了Kalman濾波技術(shù)，初始對準(zhǔn)時間為30min，定位精度為1nmile/8h。

之后，在Modl系統(tǒng)基礎(chǔ)上，發(fā)展了適用于潛艇使用的Mod2系統(tǒng)，采用腔長為18cm的環(huán)形激光陀螺ZLGTM，應(yīng)用零位閉鎖技術(shù)，定位精度為1nmile/24h。

圖7 PL41/MK4型單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)

2.1.7 水下機(jī)器人雙軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)(日本)

2007年，日本海洋科技研究中心(JAMSTEC)在其研制的水下機(jī)器人(URASHIMA)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)中進(jìn)行了誤差旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償技術(shù)的研究。URASHIMA的導(dǎo)航系統(tǒng)采用激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)。試驗(yàn)證明，當(dāng)采用雙軸連續(xù)轉(zhuǎn)動方案時，系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度由0.2nmile/h提高到0.09nmile/h。系統(tǒng)試驗(yàn)環(huán)境如圖8所示[8]。

圖8 水下機(jī)器人的雙軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

表1對國外典型激光陀螺旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用情況、狀態(tài)進(jìn)行了簡單的對比總結(jié)。

表1 國外典型激光陀螺船用慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用情況

2.2 基于光纖陀螺的旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)

2.2.1 三軸旋轉(zhuǎn)光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)(美國)

圖9 三軸旋轉(zhuǎn)光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)原理樣機(jī)

2.2.2 奧米伽單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)(俄羅斯)

俄羅斯圣彼得堡電子儀器儀表所已開發(fā)出幾種單軸旋轉(zhuǎn)式光纖慣導(dǎo)系統(tǒng)，奧米伽是這一系列產(chǎn)品的典型代表，應(yīng)用于民用船舶，如圖10所示。該慣導(dǎo)系統(tǒng)使用的是中低精度俄羅斯自研的光纖陀螺，該系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示[22-23]。

圖10 奧米伽單軸旋轉(zhuǎn)光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)示意圖

3 國內(nèi)旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)[12,24]

我國旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)的研究工作開始于上世紀(jì)70年代，初期主要應(yīng)用于靜電陀螺平臺系統(tǒng)的陀螺殼體翻轉(zhuǎn)技術(shù)，隨后該技術(shù)在陀螺羅經(jīng)和尋北儀的研究領(lǐng)域得到應(yīng)用。國內(nèi)對于激光陀螺旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)研究的較多，已有工程樣機(jī)出現(xiàn)，對于旋轉(zhuǎn)光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)的研究則起步較晚。國防科技大學(xué)在2007年研制出國內(nèi)第一臺旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣導(dǎo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用繞方位軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)的單軸旋轉(zhuǎn)方案，實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)定位誤差小于1nmile/24h，而船試定位誤差為17nmile/24h左右；在2008年和2009年又分別對四位置轉(zhuǎn)停的旋轉(zhuǎn)方案進(jìn)行了車載系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和船載系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。該大學(xué)研制的90型二頻機(jī)抖激光陀螺單軸旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)最大峰值定位誤差均優(yōu)于1nm/72h，其中多套最大峰值定位誤差優(yōu)于2nm/10d，達(dá)到了單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的國際先進(jìn)水平，已經(jīng)走向成功應(yīng)用[25]。目前，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)及中航618所等科研單位對雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣導(dǎo)系統(tǒng)的理論和樣機(jī)研制展開了深入研究，其中國防科技大學(xué)研制的90型二頻機(jī)抖激光陀螺雙軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)樣機(jī)靜態(tài)精度優(yōu)于0.6nm/14d[26]。

表2 奧米伽單軸旋轉(zhuǎn)光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)主要參數(shù)

4 旋轉(zhuǎn)調(diào)制關(guān)鍵技術(shù)

旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)與旋轉(zhuǎn)調(diào)制相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)主要有如下4個方面：

1)旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)誤差特性建模及補(bǔ)償技術(shù)

旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)是一種特殊的捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，在誤差源、誤差方程的表現(xiàn)形式上與捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)有很多相似性。然而，由于旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)的引入，各誤差項(xiàng)會受到旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)周期性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的調(diào)制，從而使得誤差傳播方式發(fā)生了變化。

2)旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)轉(zhuǎn)動方案

由于旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)的旋轉(zhuǎn)軸有單軸、雙軸和三軸旋轉(zhuǎn)模式，而轉(zhuǎn)動模式進(jìn)一步可設(shè)計為連續(xù)旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)停交替等多種樣式，此外旋轉(zhuǎn)角速率、旋轉(zhuǎn)周期的設(shè)計也很重要，這些都對導(dǎo)航精度有直接影響，需要進(jìn)行深入分析和研究。

3)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及其旋轉(zhuǎn)控制技術(shù)研究

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由支撐機(jī)構(gòu)、執(zhí)行元件、旋轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)環(huán)架、傳動裝置、傳感器和控制器等部分組成，其控制誤差主要有角度超調(diào)誤差和轉(zhuǎn)速波動，而此控制誤差對導(dǎo)航精度有較大影響。

4)載體角運(yùn)動隔離技術(shù)

在旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)方案設(shè)計的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動都是相對于導(dǎo)航坐標(biāo)系的，但是在實(shí)際控制旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)時，所有的旋轉(zhuǎn)控制都是相對于載體坐標(biāo)系的。因此，若載體相對于導(dǎo)航坐標(biāo)系發(fā)生角運(yùn)動，則旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相對于導(dǎo)航坐標(biāo)系的運(yùn)動與旋轉(zhuǎn)方案設(shè)計的不完全相同，從而造成無法完全有效地調(diào)制慣性器件的誤差，降低旋轉(zhuǎn)調(diào)制的效果。

5 結(jié)論

國外旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣導(dǎo)系統(tǒng)的成功應(yīng)用表明采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)是光學(xué)陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高導(dǎo)航精度的重要且有效的技術(shù)途徑。近年來，國內(nèi)在光學(xué)陀螺旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的理論及應(yīng)用方面也開展了大量研究工作，取得了可喜的成果。但要滿足高精度的航海、航空以至航天領(lǐng)域長時間自主導(dǎo)航需求尚需加大應(yīng)用研究的力度和深度。