慣性導(dǎo)航技術(shù)的新進(jìn)展及其發(fā)展趨勢(shì)

任賜杰

摘 ? 要：慣性導(dǎo)航技術(shù)自20世紀(jì)30年代被提出以來得到迅速發(fā)展，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和相關(guān)傳感器元器件技術(shù)不斷完善。人們希望進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，從而降低成本、提升導(dǎo)航性能。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)向著小型化、功能化的方向發(fā)展，文章主要針對(duì)慣性導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行分析，在解析慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，分析慣性導(dǎo)航技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的影響因素，提出慣性導(dǎo)航技術(shù)未來的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：慣性導(dǎo)航技術(shù);應(yīng)用領(lǐng)域;發(fā)展趨勢(shì)

慣性導(dǎo)航技術(shù)作為一項(xiàng)綜合性技術(shù)，不僅涉及精密機(jī)械、微電子等學(xué)科，還涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及光學(xué)、材料等領(lǐng)域。近年來對(duì)慣性導(dǎo)航技術(shù)的需求急劇增長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展也為慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展提供了基礎(chǔ)，推動(dòng)慣性導(dǎo)航技術(shù)不斷發(fā)展。

1 ? ?慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展歷程

慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展分為4個(gè)階段，具體歷程如圖1所示。

1.1 ?第一代慣性導(dǎo)航技術(shù)

20世紀(jì)30年代之前的慣性導(dǎo)航技術(shù)屬于第一代慣性導(dǎo)航技術(shù)范疇。1687年，慣性導(dǎo)航技術(shù)在牛頓三大定律的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，1852年，人們第一次提出陀螺的概念，分析了其原理并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了展望。1908年，安修茨（Hermann Anschütz-Kaempfe）研制出擺式陀螺，這也是第一臺(tái)該種類型儀器。1910年，舒勒（Max Schuler）進(jìn)一步發(fā)展慣性導(dǎo)航技術(shù)，提出調(diào)諧原理。第一代慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展為整個(gè)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

1.2 ?第二代慣性導(dǎo)航技術(shù)

20世紀(jì)40年代第二代慣性導(dǎo)航技術(shù)是和火箭發(fā)展同步興起的，其不再局限于單純的慣性導(dǎo)航技術(shù)，隨之，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)。慣性導(dǎo)航技術(shù)最早應(yīng)用于德國(guó)V-II火箭，這也是慣性導(dǎo)航技術(shù)的首次應(yīng)用。20世紀(jì)50年代中期，0.5 n mile/h的單自由度液浮陀螺平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)被提出并研制成功。經(jīng)過20年建設(shè)，0.005 ?/h的G6B4型動(dòng)壓陀螺于1968年提出并研制成功。在技術(shù)理論研究方面也取得了重大突破，典型代表是支承懸浮技術(shù)和激光技術(shù)（1960年）、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航（Strapdown Inertial Navigation System，SINS）理論，這些技術(shù)和理論基礎(chǔ)的發(fā)展均為慣性技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1.3 ?第三代慣性導(dǎo)航技術(shù)

20世紀(jì)70年代，新型加速度計(jì)、陀螺儀的出現(xiàn)推動(dòng)了新型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS）的興起，正式進(jìn)入第三代導(dǎo)航技術(shù)，新型慣性導(dǎo)航設(shè)備和技術(shù)不斷發(fā)展要求進(jìn)一步提高INS性能。這一期間各種類型的陀螺發(fā)展理論提出，不同陀螺具有不同特征，靜電陀螺（Electrostatic Gyroscope，ESG）漂移達(dá)10～4 ?/h，動(dòng)力調(diào)諧陀螺（Dynamic Tuned Gyroscope，DTG）具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特征，漂移量級(jí)可達(dá)0.01 ?/h，環(huán)形激光陀螺（Ring Laser Gyro，RLG）和干涉式光纖陀螺（Interferometric fiber optic gyroscope，IFOG）主要應(yīng)用于民航領(lǐng)域。另外，以粒子陀螺、超導(dǎo)體陀螺以及固態(tài)陀螺為代表的新興陀螺儀表也開始出現(xiàn)并逐漸得到應(yīng)用。在20世紀(jì)80年代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的背景下，微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）開始興起。

1.4 ?第四代慣性技術(shù)

新型慣性技術(shù)（21世紀(jì)）作為第四代慣性技術(shù)發(fā)展階段，具有高可靠性、高精度、小型化、數(shù)字化、低成本的特征，新型慣性技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。陀螺儀精度不斷提高，新型固態(tài)陀螺儀也不斷成熟，具有代表性的RLG，F(xiàn)OG，MEMS等新型固態(tài)陀螺儀的偏移量可達(dá)10～6 ?/h;數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)了SINS的發(fā)展，短期中精度、低成本特征顯著，呈現(xiàn)出取代平臺(tái)式系統(tǒng)的趨勢(shì)。在整個(gè)慣性技術(shù)發(fā)展過程中，大量的科研機(jī)構(gòu)以及實(shí)驗(yàn)室作出了極大貢獻(xiàn)。

2 ? ?慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展及設(shè)計(jì)的主要影響因素

2.1 ?成本性能及導(dǎo)航性能滿足需求

慣性導(dǎo)航技術(shù)具有顯著特征，最顯著的特征和特性指標(biāo)是導(dǎo)航性能以及成本價(jià)格。對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)而言，價(jià)格成本不僅局限于系統(tǒng)本身的成本，還涉及慣性系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)成本等。導(dǎo)航性能的最主要指標(biāo)是精確性，另外還包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的易操作性以及連續(xù)完整性。因此，在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中，需要結(jié)合實(shí)際需求，明確系統(tǒng)導(dǎo)航性能需求，保證其性能優(yōu)越性。同時(shí)還應(yīng)該充分考慮慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的成本和價(jià)格，使價(jià)格合理。

2.2 ?應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中會(huì)因?yàn)閼?yīng)用領(lǐng)域的不同而導(dǎo)致應(yīng)用環(huán)境的巨大差異，在設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中必須充分考慮應(yīng)用環(huán)境的實(shí)際情況，將應(yīng)用環(huán)境和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)相結(jié)合，包括系統(tǒng)可靠性、能耗性以及可用性等，保證設(shè)計(jì)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在應(yīng)用環(huán)境中適應(yīng)性良好。

2.3 ?系統(tǒng)通用性

上文提出慣性導(dǎo)航系統(tǒng)環(huán)境適用性問題，主要是由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，因此，在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用中，還必須要充分考慮其通用性問題，能夠應(yīng)用于不同領(lǐng)域和不同環(huán)境中。

3 ? ?慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域概述

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)相比，具有極強(qiáng)的抗干擾能力，以用戶實(shí)際導(dǎo)航需求為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)與應(yīng)用，目前在眾多領(lǐng)域中開始引用發(fā)展這一技術(shù)。最開始慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要應(yīng)用于軍用領(lǐng)域，近年來，慣性導(dǎo)航技術(shù)開始進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)展。由原來的船舶、航空、飛行器、艦艇等領(lǐng)域擴(kuò)展到星球探測(cè)、海洋勘探以及隧道、鐵路和大地測(cè)量等領(lǐng)域，在兒童玩具、智能機(jī)器人等領(lǐng)域中也開始應(yīng)用慣性導(dǎo)航技術(shù)。雖然不同領(lǐng)域中對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的具體應(yīng)用存在差異，對(duì)設(shè)備性能需求也有所不同，但最終目的和方法具有一致性。就海洋和航天領(lǐng)域而言，對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用精度要求較高，一般該系統(tǒng)連續(xù)工作時(shí)間較長(zhǎng);以空間站、衛(wèi)星為代表的航天器對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)壽命要求較高;軍事領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域?qū)T性導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性和精度要求較高。

4 ? ?慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 ?總體發(fā)展趨勢(shì)

（1）對(duì)導(dǎo)航精度要求較高的領(lǐng)域和場(chǎng)所，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有不可替代的作用，對(duì)于無法接收全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）信號(hào)的場(chǎng)所，高可靠性慣性導(dǎo)航系統(tǒng)也具有很好的適用性。

（2）GNSS技術(shù)快速發(fā)展，代替了部分INS的應(yīng)用領(lǐng)域。我國(guó)在關(guān)于GNSS的研究中，還不斷引入新技術(shù)，提高該系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性與精度。

（3）要想實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，往往將INS系統(tǒng)和其他導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合，目前技術(shù)成熟的組合導(dǎo)航系統(tǒng)代表是GNSS/INS，自該系統(tǒng)被提出以來得到了廣泛應(yīng)用。

（4）在民用市場(chǎng)快速發(fā)展背景下，對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的需求進(jìn)一步提高，成本低、一體化、小型化的組合導(dǎo)航設(shè)備成為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢(shì)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)面對(duì)這一發(fā)展機(jī)遇，也面臨極大挑戰(zhàn)。

4.2 ?工藝和材料

在分析中提出慣性導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航性能是重要因素，而導(dǎo)致性能指標(biāo)差異的關(guān)鍵因素是工藝和材料。當(dāng)前在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引入自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)，采用批量處理技術(shù)發(fā)展該系統(tǒng)。另外，在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)生產(chǎn)材料選擇中，不局限于傳統(tǒng)石英和硅片，應(yīng)該結(jié)合光電材料發(fā)展建設(shè)新型高精度傳感器。

4.3 ?生產(chǎn)成本

在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用中必須考慮成本因素，不僅要降低生產(chǎn)成本，包括傳感器等組成設(shè)備的成本也要盡可能降低，還應(yīng)盡可能選擇質(zhì)量好、精度高的元器件，以減少慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的操作、維護(hù)、保養(yǎng)費(fèi)用。

4.4 ?體積

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的測(cè)量傳感器向著重量輕、體積小的方向發(fā)展，未來一些慣性傳感器甚至無法用肉眼識(shí)別，例如奈姆斯機(jī)電系統(tǒng)（Nano-Electromechanical System，NEMS）和光學(xué)NEMS等。

5 ? ?結(jié)語

在未來慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展中，小體積、低成本、高性能是必然發(fā)展趨勢(shì)。在系統(tǒng)發(fā)展的同時(shí)應(yīng)不斷提高傳感器的精度和性能，尤其在新世紀(jì)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和高科技的發(fā)展、普及使得慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不斷發(fā)展，能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航方式完全自主化的系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。

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