艦船長(zhǎng)航時(shí)光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)技術(shù)及未來(lái)發(fā)展

趙 坤，胡小毛，劉伯晗

（1. 中國(guó)船舶集團(tuán)公司航海保障技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，天津 300131；2. 天津航海儀器研究所，天津 300131）

艦船慣導(dǎo)系統(tǒng)正朝著“長(zhǎng)航時(shí)高精度、強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性、集成化低成本”的方向發(fā)展。光纖傳感技術(shù)經(jīng)過(guò)四十余年的技術(shù)發(fā)展，在近幾年形成了加速發(fā)展的趨勢(shì)[1]，基于光纖傳感器技術(shù)的光纖陀螺技術(shù)也隨之快速發(fā)展，光纖陀螺的優(yōu)勢(shì)主要包括：一是純固態(tài)，消除了激光陀螺IMU橡膠減震引入的隨機(jī)誤差和傾斜變形；二是實(shí)時(shí)性好，沒(méi)有濾波環(huán)節(jié)引入的時(shí)間延遲；三是極低的隨機(jī)游走誤差；四是靜默無(wú)噪聲。隨著光纖陀螺精度和穩(wěn)定性的不斷提高、其體積和成本的降低，光纖陀螺慣性導(dǎo)航設(shè)備已逐步實(shí)現(xiàn)精度全覆蓋[2-4]。

艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)途徑選擇與自身的歷史基礎(chǔ)、發(fā)展方向、慣性儀表特性等情況息息相關(guān)。美國(guó)考慮了激光慣導(dǎo)長(zhǎng)期應(yīng)用的歷史基礎(chǔ)，在光纖陀螺的應(yīng)用方面更加注重強(qiáng)調(diào)原有技術(shù)體系的繼承[5,6]；而法國(guó)iXBlue公司沒(méi)有采用系統(tǒng)級(jí)技術(shù)，始終以元件級(jí)技術(shù)為推動(dòng)力，通過(guò)改變陀螺環(huán)圈直徑的技術(shù)方案不斷提供新產(chǎn)品[7-9]。

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外高精度光纖陀螺及光纖慣導(dǎo)系統(tǒng)的最新研究進(jìn)展和發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行了梳理，給出了所在研發(fā)團(tuán)隊(duì)在高精度光纖陀螺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真、超長(zhǎng)細(xì)徑大直徑精密環(huán)圈設(shè)計(jì)、誤差抑制與標(biāo)度提升以及陀螺測(cè)試、基于大尺寸長(zhǎng)光程光纖陀螺的高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)調(diào)制與運(yùn)動(dòng)隔離、熱/磁引起的航向效應(yīng)誤差抑制及殘差補(bǔ)償、全球高精度重力場(chǎng)誤差模型構(gòu)建與補(bǔ)償?shù)确矫娴淖钚卵芯砍晒?，并?duì)高精度光纖陀螺及光纖慣導(dǎo)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 國(guó)外高精度光纖陀螺發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外公開(kāi)報(bào)道的高精度光纖陀螺長(zhǎng)時(shí)間零偏穩(wěn)定性已經(jīng)達(dá)到0.00001°/h量級(jí)，研制單位主要包括法國(guó)iXBlue公司、美國(guó)Honeywell公司等[6,10-11]。

iXBlue公司發(fā)布該公司最新的干涉式光纖陀螺的研發(fā)路線[12]如圖1所示。該公司有序、分步地進(jìn)行了高精度光纖陀螺的研發(fā)，通過(guò)增大光纖環(huán)圈的直徑（從9 cm到50 cm甚至到200 cm）、增加光纖長(zhǎng)度（從5 km到15 km）、采用相對(duì)強(qiáng)度噪聲（Relative intensity noise,RIN）抑制措施提升光纖陀螺精度。設(shè)計(jì)的直徑大小為20 cm、長(zhǎng)度為17 km的干涉式光纖陀螺角度隨機(jī)游走系數(shù)（Angle random walk, ARW）理論精度可達(dá)0.000001°/h1/2，可滿足高精度光纖慣導(dǎo)系統(tǒng)1海里/60天的定位要求。

圖1 iXBlue公司干涉式光纖陀螺Fig.1 iXblue giant FOG

2016年，Honeywell公司在Fiber Optic Sensors and Applications XIII會(huì)議上報(bào)導(dǎo)了該公司現(xiàn)階段研究的重點(diǎn)放在了高精度、戰(zhàn)略級(jí)光纖陀螺在慣導(dǎo)系統(tǒng)上的應(yīng)用[10]。研發(fā)的“參考級(jí)0.00003°/h”光纖陀螺原型機(jī)，該陀螺直徑為27英寸，光纖環(huán)長(zhǎng)度為8公里。對(duì)其長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在未補(bǔ)償?shù)那闆r下零偏穩(wěn)定性可達(dá)0.00003°/h，隨機(jī)游走系數(shù)達(dá)0.000016°/h1/2。該參考級(jí)陀螺樣機(jī)和Allan方差測(cè)試結(jié)果如圖2所示，基于該參考級(jí)光纖陀螺優(yōu)秀的噪聲和零偏性能可用于地球科學(xué)傳感及慣性設(shè)備的校準(zhǔn)。

圖2 Honeywell公司參考級(jí)光纖陀螺及測(cè)試曲線Fig.2 Honeywell reference FOG and its Allan variance curve

國(guó)外高精度光纖陀螺已經(jīng)突破超長(zhǎng)光纖環(huán)圈繞制技術(shù)、高水平噪聲抑制技術(shù)、高穩(wěn)定光路及熱設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在高精度領(lǐng)域的工程應(yīng)用。

2 國(guó)外高精度光纖慣導(dǎo)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外研制船用高精度光纖陀螺慣性導(dǎo)航產(chǎn)品的單位主要包括法國(guó)iXBlue公司、美國(guó)Honeywell和Northrop Grumman公司等。

iXBlue主要開(kāi)發(fā)純捷聯(lián)式慣導(dǎo)產(chǎn)品，一直專注于高精度光纖陀螺及系統(tǒng)的研制并已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，從早期的PHINS系列產(chǎn)品，到面向航海等高精度領(lǐng)域的MARINS系列產(chǎn)品。目前MARINS光纖陀螺慣性導(dǎo)航產(chǎn)品已經(jīng)形成系列化并在大型水面艦艇、核潛艇等進(jìn)行列裝，逐漸發(fā)展成為高精度光纖陀螺的領(lǐng)跑者。圖3為MARINS系列產(chǎn)品圖。2019年推出的M11定位精度達(dá)到1海里/15天[8]。

圖3 MARINS系列產(chǎn)品Fig.3 MARINS series product

美國(guó)在海軍研究處（ONR）和海軍戰(zhàn)略系統(tǒng)計(jì)劃部（SSP）的支持下，于1996年啟動(dòng)了采用光纖陀螺作為靜電陀螺備份的可行性探索計(jì)劃，研制戰(zhàn)略級(jí)光纖陀螺導(dǎo)航儀[5]（FOGN）。FOGN所采用的球形平臺(tái)如圖4所示，采用了穩(wěn)定平臺(tái)和殼體注入技術(shù)，即“全自由度三軸、兩個(gè)常規(guī)常平架、一個(gè)混合式熱控制系統(tǒng)、一個(gè)連續(xù)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償機(jī)械編排”的系統(tǒng)方案，不僅完全隔離了外界角運(yùn)動(dòng)，還為陀螺提供連續(xù)旋轉(zhuǎn)自補(bǔ)償，原理上可以補(bǔ)償陀螺漂移、標(biāo)度因數(shù)誤差和輸入軸的不對(duì)準(zhǔn)角誤差。

圖4 FOGN球形穩(wěn)定平臺(tái)Fig.4 Spherical stabilized platform of FOGN

以“光纖陀螺”為核心的AN/WSN-12的慣組[6]替代了采用激光陀螺的AN/WSN-7的慣組，系統(tǒng)臺(tái)體在主體結(jié)構(gòu)不變的原則下，進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)。一方面有利于技術(shù)狀態(tài)變更所引起牽連工程的風(fēng)險(xiǎn)控制，另一方面采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)而最大程度保證裝備的保障性延續(xù)。如圖5所示，從外觀上能夠直觀看出，AN/WSN-12相比AN/WSN-7在平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的變化。從其慣性組件外殼增加孔洞等措施可以推斷，為適應(yīng)光纖陀螺自身對(duì)溫度場(chǎng)、磁場(chǎng)變化敏感的特點(diǎn)，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了必要的改進(jìn)設(shè)計(jì)，可能是針對(duì)環(huán)境擾動(dòng)進(jìn)行控制與補(bǔ)償，抑制內(nèi)外部環(huán)境場(chǎng)態(tài)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

圖5 諾斯羅普·格魯曼AN/WSN-12Fig.5 Northrop Grumman AN/WSN-12

從美國(guó)慣性導(dǎo)航裝備發(fā)展歷程看，2022年即將列裝的AN/WSN-12仍可能是美國(guó)在水面艦艇上驗(yàn)證光纖陀螺作戰(zhàn)使用性能的一型過(guò)渡型產(chǎn)品，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年有可能推出基于光纖陀螺的新型慣導(dǎo)系統(tǒng)。同時(shí)也從另一個(gè)角度表明，光纖陀螺已正式開(kāi)始進(jìn)入美國(guó)慣導(dǎo)系統(tǒng)的裝備型譜，向核潛艇慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用持續(xù)推進(jìn)。

3 高精度光纖陀螺關(guān)鍵技術(shù)及測(cè)試

3.1 陀螺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)

高精度光纖陀螺在振動(dòng)環(huán)境條件下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化會(huì)使敏感線圈產(chǎn)生非互易相移，造成光纖陀螺的輸出相位誤差（如圖6）。結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要有：扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、橫向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、熱應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力等，非互易相移的改變就是由這些應(yīng)力導(dǎo)致的應(yīng)變產(chǎn)生的。

圖6 高精度陀螺結(jié)構(gòu)仿真Fig.6 Structure simulation of high precision FOG

為避免高精度光纖陀螺在某個(gè)頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)諧振，必須從多個(gè)方面提高陀螺的整體剛度，其中就包括敏感線圈剛度的提升，敏感線圈與線圈安裝基體之間粘接剛度的提升,以及陀螺結(jié)構(gòu)零件和整機(jī)組合體剛度的提升。

為了進(jìn)一步提高陀螺的輸出精度，必須將陀螺Shupe誤差控制在可補(bǔ)償范圍內(nèi)，而光纖環(huán)圈內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布直接影響Shupe誤差，并且由于環(huán)圈內(nèi)部各涂覆層的材料參數(shù)不一致以及熱致應(yīng)力導(dǎo)致的彈光效應(yīng)也會(huì)間接影響Shupe誤差大小，因此需進(jìn)行熱-力耦合場(chǎng)分析（如圖7），建立可分別反映光纖固化膠、內(nèi)外涂層以及纖芯的環(huán)圈精細(xì)化仿真模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)繞環(huán)膠體參數(shù)（彈性模量以及熱膨脹系數(shù)）、環(huán)圈與金屬結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)件粘接方式、以及光纖繞法和環(huán)圈窗口尺寸大小直接優(yōu)化，辨識(shí)出最優(yōu)組合。

圖7 高精度陀螺熱仿真Fig.7 Thermal simulation of high precision FOG

3.2 超長(zhǎng)細(xì)徑大直徑精密環(huán)圈設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

光纖長(zhǎng)度直接影響光纖陀螺精度，而光纖陀螺溫度誤差與光纖環(huán)溫度性能直接相關(guān)，保證光纖長(zhǎng)度的同時(shí)減小光纖環(huán)尺寸，使光纖環(huán)內(nèi)部溫度均勻、溫度梯度降低是提升光纖陀螺穩(wěn)定性能的直接、有效途徑，圖8為光纖環(huán)厚度與溫度分布的關(guān)系。

圖8 多級(jí)對(duì)稱光纖環(huán)層數(shù)對(duì)溫度分布的影響Fig.8 Effect of layer number of multistage symmetric optic fiber ring on the temperature distribution

由于超長(zhǎng)光纖、細(xì)徑大尺寸光纖環(huán)圈有成環(huán)難度大、對(duì)細(xì)徑光纖的要求高、繞制周期長(zhǎng)、成本高的特點(diǎn)，成環(huán)之前須對(duì)繞制所采用的光纖物料進(jìn)行來(lái)料檢測(cè)與篩選。分別對(duì)其進(jìn)行尺寸、長(zhǎng)度、應(yīng)力分布、消光比等常規(guī)檢測(cè)，在此基礎(chǔ)上需進(jìn)行光纖環(huán)圈復(fù)繞。同時(shí)為降低光纖環(huán)圈中非互易誤差對(duì)其溫度性能的影響，光纖環(huán)圈成環(huán)需采用特殊的多極繞制方案，但無(wú)論采用何種繞制方案，光纖環(huán)圈繞制每層的邊緣均存在“越纖”現(xiàn)象，這種“越纖”對(duì)光纖環(huán)圈邊緣光纖的精密排布會(huì)產(chǎn)生非常不利的影響，而且會(huì)在周圍光纖的內(nèi)部產(chǎn)生額外的附加應(yīng)力導(dǎo)致非互異性誤差，由于光纖環(huán)圈是逐匝光纖精密排列繞制，因此這種影響，會(huì)隨著繞制層數(shù)的增加逐漸累積。如控制不當(dāng)，會(huì)使外層光纖環(huán)圈邊緣處產(chǎn)生隆起或塌陷，甚至無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行繞制。

對(duì)高精度光纖陀螺用環(huán)圈而言，在保證精密對(duì)稱繞制基礎(chǔ)上，光纖環(huán)圈的用膠性能成為影響非互易性的主要因素。

3.3 誤差抑制與標(biāo)度提升技術(shù)

利用半導(dǎo)體光學(xué)放大器(SOA)在增益飽和區(qū)域放大輸入光時(shí)強(qiáng)度噪聲被壓縮的特性，可在ASE光源和光纖濾波器之間增加半導(dǎo)體光放大器。通過(guò)調(diào)制ASE光源輸出光功率、控制ASE光源波長(zhǎng)，調(diào)整SOA的驅(qū)動(dòng)電流及溫度工作點(diǎn)使SOA工作在飽和放大區(qū)，降低光源進(jìn)入光纖陀螺的相對(duì)強(qiáng)度噪聲(如圖9)。

圖9 采用增益飽和SOA抑制強(qiáng)度噪聲Fig.9 Using gain saturation SOA to suppress intensity noise

通過(guò)采用寬譜光源降低高精度光纖陀螺背向散射等誤差，提高信噪比。但是由于光譜不對(duì)稱的影響導(dǎo)致陀螺的角速度誤差隨輸入轉(zhuǎn)速呈規(guī)律性分布，光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)線性度會(huì)降低。寬譜光源在溫度環(huán)境下平均波長(zhǎng)的變化量與標(biāo)度因數(shù)變化量成正比，平均波長(zhǎng)的變化將引起標(biāo)度因數(shù)產(chǎn)生同比例的變化。光纖陀螺整體光路在溫度環(huán)境下光源光譜、無(wú)源光學(xué)器件的損耗譜變化都會(huì)導(dǎo)致到達(dá)探測(cè)器端平均波長(zhǎng)發(fā)生變化。

高精度光纖陀螺關(guān)鍵敏感環(huán)圈由于溫度環(huán)境影響，環(huán)圈骨架、光纖、光纖環(huán)中的繞環(huán)膠、粘接膠等材料的熱脹冷縮及緩慢蠕變均會(huì)導(dǎo)致光纖環(huán)平均直徑發(fā)生變化。為提高光纖陀螺的標(biāo)度性能，需要補(bǔ)償整體光路波長(zhǎng)變化，降低光路器件及熔點(diǎn)損耗譜對(duì)平均波長(zhǎng)的影響。

3.4 陀螺測(cè)試技術(shù)

高精度光纖陀螺準(zhǔn)確的性能測(cè)試易受到測(cè)試場(chǎng)所、測(cè)試條件的影響：建筑物的振動(dòng)、人類的活動(dòng)、較高頻噪聲對(duì)陀螺噪聲尤其是ARW的測(cè)量產(chǎn)生影響；測(cè)量場(chǎng)所的電磁環(huán)境、溫度環(huán)境對(duì)ARW的測(cè)量產(chǎn)生影響；不同的測(cè)試速率、平滑時(shí)間、環(huán)境溫度的擾動(dòng)等都會(huì)帶來(lái)干擾。

為了避免城市環(huán)境等外界干擾帶來(lái)的影響，精確評(píng)價(jià)陀螺性能，課題組在某山區(qū)巖洞中對(duì)研制的高精度光纖陀螺進(jìn)行了極限性能摸底實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為16.0±0.1℃，濕度100%。測(cè)試結(jié)果如圖10所示，研制的高精度光纖陀螺Allan方差探底值達(dá)到0.000005°/h。

圖10 某巖洞Allan方差測(cè)試試驗(yàn)Fig.10 Allan variance test in the cave

4 艦船高精度光纖慣導(dǎo)系統(tǒng)技術(shù)

從國(guó)外高精度光纖陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)的研制歷程來(lái)看，其基本思路和策略主要有兩種：一是不斷提高慣性元件本身的精度與可靠性；二是在提高元件精度的同時(shí)，采用誤差補(bǔ)償?shù)认到y(tǒng)級(jí)技術(shù)來(lái)滿足高精度的要求。其中，美國(guó)針對(duì)高精度光纖慣導(dǎo)的工程應(yīng)用，傾向于采用平臺(tái)式和旋轉(zhuǎn)調(diào)制等“系統(tǒng)級(jí)”技術(shù)，其采用平臺(tái)式和旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)的系統(tǒng)方案具有更高的精度潛力，同時(shí)，考慮了激光陀螺慣導(dǎo)長(zhǎng)期應(yīng)用的歷史基礎(chǔ)，在光纖陀螺的應(yīng)用方面更加注重對(duì)原有技術(shù)體系的繼承；iXBlue傾向于純捷聯(lián)的技術(shù)方案，始終以“元件級(jí)”技術(shù)為推動(dòng)力，通過(guò)改變光纖環(huán)圈直徑的方法不斷推出新的產(chǎn)品，產(chǎn)品的應(yīng)用范圍較為廣泛。

本文研制的高精度光纖陀螺慣導(dǎo)同時(shí)從元件和系統(tǒng)入手，在自研大尺寸細(xì)徑高精度光纖陀螺的基礎(chǔ)上，采用“平臺(tái)隔離干擾、捷聯(lián)解算導(dǎo)航、旋轉(zhuǎn)抑制誤差”的系統(tǒng)技術(shù)方案[12,13]。在“平臺(tái)式”慣導(dǎo)基礎(chǔ)上，集合了現(xiàn)有“捷聯(lián)式”和“旋轉(zhuǎn)式”慣導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)，理論上除隨機(jī)游走誤差的影響不能抑制外，其余所有的誤差影響均可得到抑制，而隨機(jī)游走誤差小正是光纖陀螺的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

4.1 平臺(tái)式光纖陀螺慣導(dǎo)旋轉(zhuǎn)調(diào)制與隔離技術(shù)

基于導(dǎo)航系跟蹤的平臺(tái)旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑如圖11所示。旋轉(zhuǎn)式系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)償誤差的本質(zhì)是周期性改變姿態(tài)矩陣值，從而使短時(shí)間內(nèi)的誤差傳播方程中數(shù)學(xué)平臺(tái)誤差項(xiàng)均值接近零。不同的旋轉(zhuǎn)調(diào)制方案對(duì)系統(tǒng)的各種誤差因素的調(diào)制效果也有很大區(qū)別，因此要從多方面對(duì)旋轉(zhuǎn)調(diào)制方案進(jìn)行綜合分析，以選取最佳的旋轉(zhuǎn)方案。一種適合的旋轉(zhuǎn)調(diào)制方案應(yīng)達(dá)到以下效果：一是要調(diào)制所有慣性元件的常值漂移誤差對(duì)導(dǎo)航解算的影響，同時(shí)不引入旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的新的導(dǎo)航誤差；二是避免安裝誤差、標(biāo)度因數(shù)等慣性器件誤差造成的導(dǎo)航誤差，選取合適的導(dǎo)航坐標(biāo)系抑制地球自轉(zhuǎn)與標(biāo)度因數(shù)誤差耦合引起的隨時(shí)間積累定位誤差；三是盡量延長(zhǎng)轉(zhuǎn)停時(shí)間，增加旋轉(zhuǎn)式系統(tǒng)的可靠性、提升導(dǎo)航信息的品質(zhì)。

圖11 基于導(dǎo)航系跟蹤的平臺(tái)旋轉(zhuǎn)調(diào)制Fig.11 Rotation modulation technology based on platform tracking coordinate system

圖12 為旋轉(zhuǎn)調(diào)制前后光纖陀螺等效漂移Allan方差變化曲線，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的旋轉(zhuǎn)調(diào)制可以延長(zhǎng)光纖陀螺等效漂移Allan方差的探底時(shí)間、提高探底精度、抑制翹尾誤差。運(yùn)用Allan方差分析法可將光纖陀螺零偏誤差與光纖慣導(dǎo)定位精度建立起聯(lián)系，使慣性元件和系統(tǒng)的研制具有更明確的指向性。

圖12 旋轉(zhuǎn)調(diào)制前后Allan方差曲線Fig.12 Allan variance curve before and after rotation modulation

4.2 熱/磁引起的航向效應(yīng)誤差抑制及殘差補(bǔ)償技術(shù)

光纖陀螺慣導(dǎo)所選技術(shù)方案具備平臺(tái)式系統(tǒng)的相關(guān)特點(diǎn)，框架通過(guò)陀螺穩(wěn)定回路的方式實(shí)現(xiàn)慣性臺(tái)體隔離載體角運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)載體航向角向一個(gè)方向大角度連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，臺(tái)體相對(duì)于航向軸外圍的機(jī)械構(gòu)件和機(jī)電元件的幾何位置將發(fā)生變化，使得臺(tái)體周圍的溫度場(chǎng)、磁場(chǎng)及振動(dòng)環(huán)境發(fā)生改變，同時(shí)也可能引起陀螺和加速度計(jì)的附加航向效應(yīng)誤差，使慣導(dǎo)輸出信息產(chǎn)生誤差（如圖13）。

圖13 “航向效應(yīng)”誤差影響Fig.13 Effect of heading error

根據(jù)航向效應(yīng)的特點(diǎn)，在采取技術(shù)途徑時(shí)無(wú)法限制運(yùn)載體的大角度旋轉(zhuǎn)，主要考慮抑制臺(tái)體周圍各場(chǎng)態(tài)變化和切斷影響因素傳遞路徑，更大限度減弱乃至消除航向效應(yīng)。圖14為熱/磁引起的航向效應(yīng)誤差抑制及殘差補(bǔ)償技術(shù)途徑原理圖。

圖14 熱/磁引起的航向效應(yīng)誤差抑制及殘差補(bǔ)償Fig.14 Error suppression and residual compensation of heading effect caused by heat and magnetism

4.3 全球高精度重力場(chǎng)誤差模型構(gòu)建與補(bǔ)償技術(shù)

在超高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，重力擾動(dòng)誤差的影響逐漸凸顯出來(lái)[14,15]，成為超高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中一個(gè)主要的誤差因素。

本文采用基于重力場(chǎng)球諧模型的高精度垂線偏差解算方法，實(shí)現(xiàn)垂線偏差補(bǔ)償技術(shù)的工程應(yīng)用。圖15為某次跨大海域航行試驗(yàn)期間利用全球重力場(chǎng)模型獲取的航行路徑上的垂線偏差，圖16為研制的高精度光纖慣導(dǎo)系統(tǒng)跨海域航行試驗(yàn)期間采用垂線偏差模型補(bǔ)償重力擾動(dòng)前后歸一化的緯度誤差曲線。

圖15 垂向偏差Fig.15 Vertical deviation

圖16 補(bǔ)償垂線偏差前后緯度誤差Fig.16 Latitude error before and after compensating vertical deviation

4.4 系統(tǒng)試驗(yàn)

本文研制的高精度光纖慣導(dǎo)自2018年開(kāi)始共研制了兩輪樣機(jī)，2020年搭載某水面船開(kāi)展了跨大緯度、長(zhǎng)航時(shí)、大海域試驗(yàn)，完成了全部單項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證，水面試驗(yàn)歸一化結(jié)果如圖17所示。

圖17 水面航行試驗(yàn)定位誤差Fig.17 Position error of surface navigation test

航行軌跡如圖18所示。針對(duì)水下導(dǎo)航應(yīng)用開(kāi)展了第二輪工程化樣機(jī)改進(jìn)研制工作，2021年首次開(kāi)展并完成多輪水下長(zhǎng)航時(shí)試驗(yàn)，系統(tǒng)連續(xù)自主導(dǎo)航最長(zhǎng)時(shí)間90天，試驗(yàn)歸一化結(jié)果如圖19所示，結(jié)果表明研制的高精度光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)位置誤差符合發(fā)散規(guī)律，整體導(dǎo)航定位精度可滿足水下長(zhǎng)航時(shí)自主導(dǎo)航的需求。

圖18 長(zhǎng)航時(shí)海上試驗(yàn)航跡Fig.18 Track of sea test

圖19 水下航行試驗(yàn)定位誤差Fig.19 Position error of underwater navigation test

5 高精度光纖陀螺及慣導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)展展望

光纖陀螺及慣導(dǎo)系統(tǒng)歷經(jīng)多年發(fā)展已經(jīng)取得應(yīng)用，通過(guò)對(duì)近年來(lái)研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)的梳理，我們展望未來(lái)，形成如下認(rèn)識(shí)：

（1） 目前國(guó)內(nèi)高精度光纖陀螺亟需在以下方面持續(xù)突破：一是加強(qiáng)高精度干涉光路設(shè)計(jì)與優(yōu)化，抑制光纖光路中的相對(duì)強(qiáng)度噪聲、偏振誤差、背向散射，進(jìn)一步量化分析熱電磁場(chǎng)耦合因素對(duì)陀螺精度的影響；二是超長(zhǎng)光纖環(huán)圈精密繞制及標(biāo)度提升技術(shù)亟待攻關(guān)，尤其是高精度光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)，需要對(duì)影響標(biāo)度的諸多因素如環(huán)圈尺寸穩(wěn)定性、匹配膠體材料、傳輸光譜測(cè)試控制、閉環(huán)控制參數(shù)優(yōu)化等進(jìn)行深入分析研究和持續(xù)改進(jìn)。三是完善高精度光纖陀螺及配套器件測(cè)試技術(shù)研究，比如增加陀螺標(biāo)度因數(shù)年穩(wěn)定性、年重復(fù)性等長(zhǎng)周期性能指標(biāo)考核，建立更貼近系統(tǒng)應(yīng)用的測(cè)試方法，確保光路傳輸過(guò)程中的光譜穩(wěn)定和敏感軸穩(wěn)定性，搭建更高精度陀螺的低噪聲、低標(biāo)度誤差測(cè)試環(huán)境及測(cè)試平臺(tái)。

（2） 為滿足未來(lái)超長(zhǎng)航時(shí)自主高精度導(dǎo)航需求，需進(jìn)一步降低光纖陀螺隨機(jī)誤差，延長(zhǎng)其Allan方差探底時(shí)間、提高探底精度；開(kāi)展基于新型大尺寸長(zhǎng)光程光纖陀螺的超高光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)的研制，進(jìn)一步延長(zhǎng)導(dǎo)航系統(tǒng)重調(diào)周期、提升導(dǎo)航信息品質(zhì)。

（3） 基于高精度重力場(chǎng)模型的衍生信息—高精度垂線偏差成為重要的海洋環(huán)境信息參量之一。全海域的高精度重力場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)是高精度慣導(dǎo)提升全海域性能的關(guān)鍵，也是水下重力輔助導(dǎo)航的依據(jù)。結(jié)合下一代高精度的深空重力衛(wèi)星計(jì)劃，全面提升全球范圍內(nèi)重力場(chǎng)測(cè)量精度，支撐超高精度自主導(dǎo)航領(lǐng)域的未來(lái)應(yīng)用。

（4） 超高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)自主導(dǎo)航時(shí)間未來(lái)將以數(shù)月甚至年計(jì)，地球自轉(zhuǎn)周期（角速率）月或年的長(zhǎng)周期性變化將直接引起等效漂移，對(duì)導(dǎo)航精度的影響也變得不可忽略，后續(xù)需進(jìn)一步深入開(kāi)展專題研究。