面向戰(zhàn)略導(dǎo)彈的新一代慣性系統(tǒng)

焦?jié)傻?，魏宗康，高榮榮

(北京航天控制儀器研究所，北京100039)

0 引言

實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略導(dǎo)彈的高精度、高可靠和實(shí)戰(zhàn)化是新形勢高強(qiáng)度對抗條件下攝戰(zhàn)統(tǒng)一的迫切需要，是體系作戰(zhàn)的必然要求，也是提升毀傷效能的最佳手段，而慣性系統(tǒng)是現(xiàn)階段制約我國戰(zhàn)略導(dǎo)彈精度和實(shí)戰(zhàn)化水平提升的關(guān)鍵因素。為提高慣性制導(dǎo)精度，采用慣性平臺系統(tǒng)是國內(nèi)外遠(yuǎn)程導(dǎo)彈慣性器件的主流方案，其優(yōu)點(diǎn)是通過框架及伺服回路隔離載體的角運(yùn)動從而消除掉加速度計中的動態(tài)誤差。目前，我國戰(zhàn)略導(dǎo)彈配套的慣性平臺系統(tǒng)有靜壓氣浮平臺、液浮平臺、靜壓液浮平臺以及三浮平臺等[1]，面臨的長期熱待機(jī)、快速啟動等實(shí)戰(zhàn)化水平要求越來越嚴(yán)苛。另外，為實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)功能，慣性平臺在兩框架三軸平臺基礎(chǔ)上再增加一個隨動框架以克服 “框架鎖定”，帶來的問題是體積增大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜[2-4]。相對平臺系統(tǒng)，捷聯(lián)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、全姿態(tài)解算的優(yōu)點(diǎn)。隨著光學(xué)陀螺儀精度的提高以及 “三自”激光慣組解決了不拆彈自標(biāo)定的問題后，捷聯(lián)系統(tǒng)已在部分戰(zhàn)略導(dǎo)彈中得到了應(yīng)用，并與慣性平臺在預(yù)研項(xiàng)目中形成了全面競爭格局。需要注意的是，“三自”激光慣組雖然通過增加框架解決了零次項(xiàng)和一次項(xiàng)等低階誤差系數(shù)的自標(biāo)定問題，但在飛行過程中框架處于鎖定狀態(tài)，不能隔離彈體的角運(yùn)動，加速度計動態(tài)誤差會直接影響落點(diǎn)精度。

綜上分析，平臺系統(tǒng)和捷聯(lián)系統(tǒng)各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)且具有互補(bǔ)性。比如：1)平臺系統(tǒng)從物理上隔離角運(yùn)動，而捷聯(lián)系統(tǒng)動態(tài)誤差較大；2)捷聯(lián)系統(tǒng)無框架即可實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)，而平臺系統(tǒng)只有采用三框架四軸結(jié)構(gòu)形式才具備全姿態(tài)功能。如何能實(shí)現(xiàn)平臺系統(tǒng)與捷聯(lián)系統(tǒng)二者之間優(yōu)勢融合、缺點(diǎn)規(guī)避，既能做到小體積、全姿態(tài)，又能實(shí)現(xiàn)動態(tài)誤差的物理隔離呢？我國未來遠(yuǎn)程戰(zhàn)略導(dǎo)彈將重點(diǎn)提升突防能力、機(jī)動性等應(yīng)用性能，需要在高動態(tài)環(huán)境下進(jìn)一步提升純慣性制導(dǎo)精度。針對平臺系統(tǒng)和捷聯(lián)系統(tǒng)的局限性，本文首次提出了一種可同時滿足高精度、全姿態(tài)、小體積的新一代慣性系統(tǒng)——速率平臺，該系統(tǒng)將推動我國遠(yuǎn)程戰(zhàn)略導(dǎo)彈武器性能的跨越式發(fā)展。

1 三類慣性系統(tǒng)的局限性

我國慣性系統(tǒng)的發(fā)展歷程簡化示意圖如圖1所示。20世紀(jì)60年代，第一代液體近程地地彈道導(dǎo)彈采用位置捷聯(lián)系統(tǒng)；20世紀(jì)80年代，實(shí)現(xiàn)全程飛行的中遠(yuǎn)程液體戰(zhàn)略導(dǎo)彈采用靜壓氣浮平臺系統(tǒng)；20世紀(jì)90年代，靜壓液浮平臺系統(tǒng)得到應(yīng)用；20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)前10年，捷聯(lián)系統(tǒng)快速發(fā)展，撓性捷聯(lián)系統(tǒng)、光纖陀螺捷聯(lián)系統(tǒng)和激光陀螺捷聯(lián)系統(tǒng)相繼應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈；在最近10年，三浮平臺系統(tǒng)與三自激光慣組在戰(zhàn)略導(dǎo)彈飛行中試驗(yàn)成功。從慣性系統(tǒng)的發(fā)展歷程可以看出，慣性系統(tǒng)可以劃分為三代產(chǎn)品：位置捷聯(lián)、位置平臺和速率捷聯(lián)。

圖1 我國慣性系統(tǒng)發(fā)展歷程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the inertial system development progress in China

1.1 位置捷聯(lián)系統(tǒng)

位置捷聯(lián)系統(tǒng)的定義為：利用位置陀螺儀測量載體姿態(tài)角的捷聯(lián)系統(tǒng)。位置捷聯(lián)系統(tǒng)的水平陀螺儀和垂直陀螺儀為兩框架陀螺儀，高速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子具有定軸性并在理想狀態(tài)下相對慣性系保持穩(wěn)定[5]。位置捷聯(lián)系統(tǒng)根據(jù)陀螺儀框架角度傳感器可直接測量出載體相對慣性系的角度信息，不需要數(shù)學(xué)解算，這是其優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)轉(zhuǎn)子和框架的支承方式，位置陀螺儀的典型產(chǎn)品有滾珠軸承框架式陀螺儀、靜壓氣浮兩自由度陀螺儀等。

位置捷聯(lián)系統(tǒng)雖然是第一個真正意義上的導(dǎo)航系統(tǒng)，具有開創(chuàng)性，但存在的問題是：

1)由于陀螺儀開環(huán)工作，干擾力矩引起的進(jìn)動使得轉(zhuǎn)子軸相對慣性空間發(fā)生變化。因此，陀螺儀漂移值較大，只能短時間工作。

2)當(dāng)陀螺儀內(nèi)框架角為90°時，轉(zhuǎn)子軸、內(nèi)框架軸和外框架軸處于一個平面，“框架自鎖”使得兩自由度陀螺儀功能失效，不能全姿態(tài)工作。

3)由于加速度計直接與載體固連，動態(tài)誤差較大。

1.2 位置平臺系統(tǒng)

傳統(tǒng)上并沒有根據(jù)陀螺儀測量信息是角度或角速度來定義平臺系統(tǒng)的，而是根據(jù)支撐方式來定義平臺。比如，穩(wěn)定平臺的定義為：對于框架式慣性測量單元，以規(guī)定的方式控制慣性測量組件指向慣性空間系或當(dāng)?shù)厮?。浮球平臺的定義為：利用液浮球支承代替框架的全姿態(tài)穩(wěn)定平臺。之所以這樣分類，是因?yàn)殪o壓氣浮穩(wěn)定平臺、動調(diào)陀螺穩(wěn)定平臺、液浮穩(wěn)定平臺、靜壓液浮穩(wěn)定平臺、三浮穩(wěn)定平臺所采用的陀螺儀都是角度輸出。為方便理解，定義一個新的概念——位置平臺系統(tǒng)，就是：利用位置陀螺儀測量臺體角度并以規(guī)定的方式控制框架以隔離載體角運(yùn)動的平臺系統(tǒng)。

位置平臺系統(tǒng)在物理上通過框架隔離了加速度計誤差模型中與角運(yùn)動有關(guān)的動態(tài)誤差項(xiàng)，相對于位置捷聯(lián)系統(tǒng)的使用精度大幅提高，但全姿態(tài)的問題是關(guān)注的焦點(diǎn)[6]。所謂的全姿態(tài)問題就是三軸平臺系統(tǒng)的 “框架鎖定”，三軸平臺外框架軸、內(nèi)框架軸和臺體軸三者處于一個平面內(nèi)。此時，垂直于該平面的方向不能隔離角運(yùn)動，位置陀螺儀瞬時輸出異常，意味著平臺臺體相對慣性空間將會發(fā)生轉(zhuǎn)動。

為了避免三軸平臺系統(tǒng)框架鎖定的發(fā)生，主要解決措施是：在內(nèi)框架中增加擋釘以限制內(nèi)框架角的運(yùn)動范圍，使內(nèi)框架角βyk工作在±40°或±60°的范圍內(nèi)。因此，三軸平臺不能滿足載體大機(jī)動運(yùn)動的要求，而只能應(yīng)用于機(jī)動姿態(tài)有限的載體上。目前，應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈的三軸位置平臺有靜壓氣浮穩(wěn)定平臺系統(tǒng)、靜壓液浮穩(wěn)定平臺系統(tǒng)以及液浮平臺系統(tǒng)等。

為了滿足大機(jī)動飛行的需求，克服三軸平臺“框架鎖定”而不能實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)功能的難題，發(fā)展出了四軸平臺系統(tǒng)。相對三軸平臺系統(tǒng)，四軸平臺系統(tǒng)在臺體、內(nèi)框架和外框架的基礎(chǔ)上增加了隨動框架，隨動框架處于平臺外框架和基座之間。隨動回路信號來自于內(nèi)框架角，采用正割分解器進(jìn)行增益補(bǔ)償，其核心是使內(nèi)框架角工作于零位?？梢钥闯?，四軸平臺系統(tǒng)相比三軸平臺增加了一個框架，體積增大，結(jié)構(gòu)、軸端元件和電氣系統(tǒng)相對復(fù)雜。典型的四軸平臺系統(tǒng)有動調(diào)陀螺穩(wěn)定平臺系統(tǒng)、三浮平臺系統(tǒng)。

1.3 速率捷聯(lián)系統(tǒng)

速率捷聯(lián)系統(tǒng)的定義為：利用速率陀螺儀測量載體角速率的捷聯(lián)系統(tǒng)。由于引入了四元數(shù)、方向余弦和旋轉(zhuǎn)矢量等數(shù)學(xué)方法，速率捷聯(lián)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全姿態(tài)解算功能，而且其體積較小、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性較高。典型的速率捷聯(lián)系統(tǒng)有撓性捷聯(lián)慣組、激光陀螺捷聯(lián)慣組、光纖陀螺捷聯(lián)慣組、MEMS捷聯(lián)慣組等。但是，速率捷聯(lián)系統(tǒng)與位置捷聯(lián)系統(tǒng)有一個共同的特點(diǎn)，那就是加速度計的動態(tài)誤差較大且無法實(shí)現(xiàn)自標(biāo)定。

隨著武器裝備實(shí)戰(zhàn)化能力需求的提升，慣性系統(tǒng)全面推行 “三自”功能，即：自標(biāo)定、自瞄準(zhǔn)、自檢測。其中，自標(biāo)定是指慣性系統(tǒng)自身實(shí)現(xiàn)參數(shù)標(biāo)定，避免定期下彈標(biāo)定；自瞄準(zhǔn)是指慣性系統(tǒng)自身進(jìn)行瞄準(zhǔn)計算，取消地面光學(xué)瞄準(zhǔn)設(shè)備；自檢測是指慣性系統(tǒng)自身進(jìn)行動態(tài)監(jiān)視、故障診斷，充分保障武器系統(tǒng)的實(shí)戰(zhàn)化性能。

目前，為解決捷聯(lián)慣組不拆彈時的自標(biāo)定問題，激光慣組、光纖慣組借鑒慣性平臺系統(tǒng)技術(shù)，增加框架轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了 “三自”功能，其工作原理為：在地面測試階段利用雙軸轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行IMU的位置翻轉(zhuǎn)，對各項(xiàng)低階誤差系數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)級自標(biāo)定、多位置對準(zhǔn)；在飛行任務(wù)階段將轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行鎖緊，轉(zhuǎn)換到捷聯(lián)工作狀態(tài)。

雖然三自光學(xué)慣組具有光學(xué)陀螺儀線性度好、誤差模型簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但其自標(biāo)定功能僅能分離出加速度計的低階誤差項(xiàng)，無法分離加速度計的高階誤差項(xiàng)。另外，導(dǎo)彈起飛后三自光學(xué)慣組的框架處于鎖定狀態(tài)，并不能隔離與角運(yùn)動有關(guān)的加速度計動態(tài)誤差?？梢哉f，三自光學(xué)慣組仍工作于傳統(tǒng)的捷聯(lián)模式，且體積增大。

需要強(qiáng)調(diào)的是，混合式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是速率捷聯(lián)系統(tǒng)的一種特殊形式，這是因?yàn)榛旌鲜綉T性導(dǎo)航系統(tǒng)的原理是采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制使臺體繞一個或兩個框架軸旋轉(zhuǎn)以抵消零次項(xiàng)等誤差，框架轉(zhuǎn)動的敏感信息來自于軸端框架角而非陀螺儀。另外，由于臺體轉(zhuǎn)動過程中加速度計會產(chǎn)生動態(tài)誤差，混合式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不適宜戰(zhàn)略導(dǎo)彈中慣性系統(tǒng)隔離角運(yùn)動的場景，而適合于低過載、運(yùn)行較平穩(wěn)的長航時工作場景[7-8]。

綜合以上分析，位置平臺系統(tǒng)和速率捷聯(lián)系統(tǒng)代表了現(xiàn)階段主流的兩種慣性導(dǎo)航設(shè)備，二者在實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航共同特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，各自優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)存在著難以調(diào)和的不相容之處，主要表現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：1)采用位置陀螺儀的慣性平臺只有采用四軸平臺結(jié)構(gòu)方式才能實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)功能，雖然可以隔離載體的角運(yùn)動，但體積增大；2)速率捷聯(lián)系統(tǒng)無需框架即可實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)功能，但不能隔離載體的角運(yùn)動。

隨著戰(zhàn)略導(dǎo)彈取消滾動控制后彈體的角速度范圍增大，以及控制系統(tǒng)體積和質(zhì)量減小的現(xiàn)實(shí)需求逐漸明確后，需要研制新一代的具有小型化、全姿態(tài)、高精度的慣性系統(tǒng)。

2 速率平臺系統(tǒng)的定義和優(yōu)點(diǎn)

為克服位置平臺系統(tǒng)和速率捷聯(lián)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，融合二者的優(yōu)點(diǎn)，本文提出了滿足戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)展的新一代慣性系統(tǒng)——速率平臺系統(tǒng)。

借鑒位置平臺系統(tǒng)定義的表述方式，速率平臺系統(tǒng)的定義為：利用速率陀螺儀測量臺體角速率并以規(guī)定的方式控制框架以隔離載體角運(yùn)動并實(shí)時解算臺體姿態(tài)的平臺系統(tǒng)。速率平臺系統(tǒng)把速率捷聯(lián)系統(tǒng)中陀螺儀輸出為角速率有利于全姿態(tài)解算的優(yōu)點(diǎn)與位置平臺系統(tǒng)中框架隔離的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了有效融合，并克服了速率捷聯(lián)系統(tǒng)不能隔離角運(yùn)動以及位置平臺系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)而增加框架的缺點(diǎn)。

因此，速率平臺系統(tǒng)有以下兩個主要優(yōu)點(diǎn)：

1)相較于三軸位置平臺系統(tǒng)發(fā)生 “框架鎖定”時的功能失效，速率平臺系統(tǒng)可保證三軸平臺物理隔離與數(shù)學(xué)解算相結(jié)合的全姿態(tài)導(dǎo)航功能。

2)相較于速率捷聯(lián)系統(tǒng)中的三自捷聯(lián)慣組不能隔離角運(yùn)動的不足，速率平臺系統(tǒng)可通過伺服回路的作用物理隔離載體的角運(yùn)動，從而大幅度減小加速度計誤差模型中與角運(yùn)動有關(guān)的動態(tài)誤差項(xiàng)。

根據(jù)以上對比，速率平臺融合了位置平臺和速率捷聯(lián)的綜合優(yōu)勢，可以認(rèn)為是位置平臺系統(tǒng)和三自捷聯(lián)慣組的 “升級”。預(yù)計在未來5～10年內(nèi)，速率平臺將會成為慣性系統(tǒng)級技術(shù)的主流，如圖2所示。

圖2 慣導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢示意圖Fig.2 Schematic diagram of the inertial navigation system development trend

3 速率平臺系統(tǒng)的分類

速率平臺具有小型化、全姿態(tài)的優(yōu)勢，填補(bǔ)了捷聯(lián)系統(tǒng)與位置平臺系統(tǒng)的型譜斷代，包含速率平臺系統(tǒng)后的慣性系統(tǒng)型譜如圖3所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，速率平臺系統(tǒng)可分為三軸速率平臺、雙軸速率平臺和單軸速率平臺。

圖3 慣性系統(tǒng)型譜Fig.3 Type spectrum of the inertial system

3.1 三軸速率平臺系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)臺體始終穩(wěn)定在慣性空間，傳統(tǒng)的三軸位置平臺系統(tǒng)需要信號分解器實(shí)現(xiàn)臺體系到環(huán)架系的信號解耦和增益補(bǔ)償。若采用空間信號分解器，由于對外環(huán)信號解耦時存在正割函數(shù)的作用，導(dǎo)致外環(huán)電機(jī)在內(nèi)環(huán)大角度時需要輸出足夠大的力矩才能保證臺體穩(wěn)定在慣性空間。若采用平面信號分解器，雖對外環(huán)力矩?zé)o嚴(yán)苛要求，但是臺體會發(fā)生隨動，且內(nèi)環(huán)處于特定角度時會發(fā)生分解奇異值導(dǎo)致解耦失效，臺體不能穩(wěn)定在慣性空間。

對于三軸速率平臺系統(tǒng)，即便當(dāng)臺體沒有穩(wěn)定在慣性空間時，仍能由陀螺輸出的角速率采用多變量解耦的方式實(shí)現(xiàn)無內(nèi)環(huán)擋釘下的全姿態(tài)控制和全姿態(tài)導(dǎo)航。在控制過程中，增益補(bǔ)償與解耦環(huán)節(jié)無奇異點(diǎn)，且對框架軸端力矩電機(jī)無苛刻要求。

3.2 簡易速率平臺系統(tǒng)

相對于三軸速率平臺系統(tǒng)，把雙軸速率平臺系統(tǒng)和單軸速率平臺系統(tǒng)歸為簡易速率平臺系統(tǒng)：

1)雙軸速率平臺相較三軸平臺雖然失去一個自由度，但體積和質(zhì)量減小、成本降低，可以應(yīng)用于無彈體旋轉(zhuǎn)、低機(jī)動的場景[9]。

2)單軸速率平臺僅有一個旋轉(zhuǎn)自由度，典型應(yīng)用就是低成本的高速旋轉(zhuǎn)航空制導(dǎo)炸彈[10]，優(yōu)點(diǎn)在于克服了彈體高速旋轉(zhuǎn)時固定采樣頻率引起的測量誤差，并克服了由角速度引起的加速度計“尺寸效應(yīng)”誤差。

4 典型速率平臺系統(tǒng)

4.1 光纖陀螺速率平臺系統(tǒng)

光纖陀螺速率平臺系統(tǒng)具有以下三方面優(yōu)點(diǎn)：1)通過數(shù)學(xué)解算實(shí)現(xiàn)三軸平臺的全姿態(tài)功能；2)根據(jù)任務(wù)的工作時間和應(yīng)用場景的不同，可轉(zhuǎn)換為不同穩(wěn)定模式，如平臺模式、捷聯(lián)模式和旋轉(zhuǎn)調(diào)試模式；3)克服了機(jī)電式陀螺儀加溫時間長的缺點(diǎn)，有利于快速發(fā)射[11]。

4.2 三浮速率平臺系統(tǒng)

對應(yīng)三浮位置平臺系統(tǒng)，能否基于三浮陀螺儀和三浮陀螺加速度計實(shí)現(xiàn)速率平臺的功能？理論上，只需要將角位置輸出轉(zhuǎn)化為角速率輸出即可，可以在三浮平臺原伺服回路基礎(chǔ)上增加一個三浮陀螺儀再平衡回路即可實(shí)現(xiàn)速率平臺的功能，如圖4所示為三浮速率平臺系統(tǒng)伺服回路的改進(jìn)原理圖[12]。經(jīng)過三浮陀螺儀再平衡內(nèi)回路的信號反饋后，可以將角位置量轉(zhuǎn)化為角速率，該角速率再作為平臺伺服回路控制器的輸入。改進(jìn)之后的優(yōu)勢在于地面力反饋標(biāo)定與飛行狀態(tài)一致，不用四軸平臺就可以實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)功能。

圖4 三浮速率平臺系統(tǒng)伺服回路原理圖Fig.4 Schematic diagram of three floating rate platform system servo loop

由于速率平臺系統(tǒng)的臺體相對慣性空間可以轉(zhuǎn)動，三浮陀螺加速度計必須進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，由原來的開環(huán)輸出改為閉環(huán)反饋控制輸出[13]，如圖5(a)和圖5(b)所示。改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)為：1)一個陀螺加速度計可以測量兩個方向的視加速度；2)陀螺加速度計可以擴(kuò)展應(yīng)用于捷聯(lián)系統(tǒng)。

圖5 陀螺加速度計改進(jìn)前后原理圖Fig.5 Schematic diagram of accelerometer before and after improvement

4.3 半球諧振陀螺速率平臺系統(tǒng)

半球諧振陀螺有兩種基本的工作模式：全角模式和力反饋模式。在全角模式下，諧振子可以隨陀螺的旋轉(zhuǎn)輸入而自由進(jìn)動，振動位置是速率的積分輸出，通過檢測振動位置可以直接得到角度信息。在力反饋模式下，通過一個附加的力信號抑制振子的進(jìn)動趨勢，使得振動固定在一個固定的位置，該信號的大小正比于輸入的旋轉(zhuǎn)速率，陀螺輸出角速率信息。因此，可采用力反饋模式下的半球諧振陀螺儀作為伺服回路的角速度敏感元件以實(shí)現(xiàn)速率平臺功能。

4.4 原子陀螺速率平臺系統(tǒng)

隨著原子陀螺儀原理樣機(jī)的快速發(fā)展，基于原子陀螺儀的慣性系統(tǒng)逐漸受到關(guān)注。自旋式原子陀螺儀包括核磁共振陀螺儀和SERF陀螺儀。核磁共振陀螺儀是利用惰性氣體核自旋磁矩來敏感物體轉(zhuǎn)動的角速率；而SERF陀螺儀則是利用堿金屬電子自旋磁矩偏轉(zhuǎn)來敏感載體轉(zhuǎn)動的角度。因此，只有核磁共振陀螺儀適合速率平臺系統(tǒng)的工作模式，而SERF陀螺儀較適合位置平臺系統(tǒng)的工作模式。

5 速率平臺系統(tǒng)的新 “三自”技術(shù)

在自標(biāo)定、自瞄準(zhǔn)、自檢測的原 “三自”功能基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提升速率平臺系統(tǒng)的可靠性和智能化水平，使其具備自主導(dǎo)航、自主控制與自主重構(gòu)的能力，旨在構(gòu)建新一代智能慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

5.1 速率平臺系統(tǒng)自主導(dǎo)航技術(shù)

在速率平臺系統(tǒng)的環(huán)架上增加MEMS等小型化儀表，一方面，可以使 “冷冰冰”的平臺框架變?yōu)榭杀磉_(dá)運(yùn)動特征的 “有生命”的捷聯(lián)系統(tǒng)；另一方面，可以通過多個小型化傳感器實(shí)現(xiàn)慣性系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)構(gòu)建，有利于速率平臺系統(tǒng)的自主導(dǎo)航信息冗余，如圖6所示[14]。

圖6 基于MEMS儀表冗余配置的慣導(dǎo)平臺系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of inertial navigation platform system based on MEMS instrument redundancy configurations

慣性測量系統(tǒng)可通過多信息冗余技術(shù)提升慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度和可靠性[15]，人工智能為實(shí)時、自主規(guī)劃技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，通過建立臺體和框架運(yùn)動軌道規(guī)劃的學(xué)習(xí)環(huán)境，應(yīng)用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法開展慣性系統(tǒng)自主姿態(tài)規(guī)劃模型的設(shè)計與訓(xùn)練，能夠?qū)崿F(xiàn)多軌跡復(fù)現(xiàn)，大幅度提升慣性平臺系統(tǒng)的可靠性、自主化、多任務(wù)自適應(yīng)能力和針對應(yīng)急事件的響應(yīng)速度。

5.2 速率平臺系統(tǒng)自主控制技術(shù)

平臺系統(tǒng)的臺體、框架動力學(xué)特性會根據(jù)任務(wù)不同而姿態(tài)發(fā)生變化，且動力學(xué)特性的精確值往往難以預(yù)先進(jìn)行準(zhǔn)確估計，對平臺伺服回路的控制帶來問題和挑戰(zhàn)。因此，平臺系統(tǒng)需要能夠快速、實(shí)時估算自身的系統(tǒng)模型并自適應(yīng)調(diào)整控制模式和參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境、復(fù)雜任務(wù)條件下的自適應(yīng)控制。

5.3 速率平臺系統(tǒng)自主重構(gòu)技術(shù)

故障診斷與容錯技術(shù)為提高航天器系統(tǒng)的可靠性和安全性開辟了一條新的途徑[16]。慣性系統(tǒng)通過對比臺體儀表的導(dǎo)航結(jié)果、各框架捷聯(lián)系統(tǒng)的導(dǎo)航結(jié)果，通過選舉算法可判斷出器件故障模式。經(jīng)過隔離故障器件或儀表后，實(shí)現(xiàn)不影響系統(tǒng)導(dǎo)航結(jié)果的目的。

6 結(jié)論

目前，位置平臺系統(tǒng)和速率捷聯(lián)系統(tǒng)分別發(fā)揮著各自不同的優(yōu)勢，但無法克服其各自的劣勢，且在戰(zhàn)略導(dǎo)彈武器應(yīng)用中開始重疊。針對我國未來遠(yuǎn)程戰(zhàn)略導(dǎo)彈提升突防能力、機(jī)動性的迫切需求，在比較位置捷聯(lián)系統(tǒng)、位置平臺系統(tǒng)和速率捷聯(lián)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文首次提出了一種可同時滿足高精度、全姿態(tài)、小體積的新一代慣性系統(tǒng)——速率平臺，其將速率捷聯(lián)和位置平臺兩者的優(yōu)勢整合，是新一代慣導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展方向。本文對速率平臺系統(tǒng)的特點(diǎn)、分類、典型產(chǎn)品、應(yīng)用領(lǐng)域以及新 “三自”功能等方面進(jìn)行了分析和探討，為推動我國遠(yuǎn)程戰(zhàn)略導(dǎo)彈武器性能的跨越式發(fā)展提供參考建議。