慣性導(dǎo)航

走在陌生的城市里，我們可以通過路標(biāo)來確定前進(jìn)的方向。那么，火箭飛行在茫茫太空中，如何確定方向？這離不開一項(xiàng)重要的技術(shù)——慣性導(dǎo)航。

所謂慣性導(dǎo)航，就是基于牛頓力學(xué)原理，利用載體自身的慣性進(jìn)行導(dǎo)航定位的技術(shù)。這離不開兩個(gè)核心部件：陀螺儀和加速度計(jì)。

陀螺儀負(fù)責(zé)跟蹤并測(cè)量載體的角運(yùn)動(dòng)（角位移或角速度），確保在任何旋轉(zhuǎn)或傾斜的情況下都能準(zhǔn)確指向固定的方向。而加速度計(jì)則像是一位敏感的速度監(jiān)測(cè)員，測(cè)量載體沿各個(gè)方向的線性加速度，為計(jì)算速度和位置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。方向有了，速度有了，此時(shí)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)更像是一種小型計(jì)算機(jī)，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)計(jì)算，就能繪制出載體的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)高精度的導(dǎo)航定位。

相較于衛(wèi)星導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航等，慣性導(dǎo)航在“導(dǎo)航家族”中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和不可替代的作用。

首先，高度的自主性讓慣性導(dǎo)航在惡劣環(huán)境中仍能正常工作，為軍事行動(dòng)的隱蔽性和突發(fā)性提供有力保障。在俄羅斯海軍執(zhí)行“白熊-2021”任務(wù)期間，3艘俄羅斯戰(zhàn)略導(dǎo)彈核潛艇同時(shí)完成破冰出水任務(wù)。潛艇能在環(huán)境惡劣的北極冰層下航行，并到達(dá)指定地點(diǎn)，依靠的就是慣性導(dǎo)航的自主性。

其次，慣性導(dǎo)航能夠提供高精度的連續(xù)的載體航向、姿態(tài)、速度和位置等全面的信息。在一些精確打擊任務(wù)中，如海上使用艦炮或?qū)棇?duì)敵方目標(biāo)進(jìn)行打擊，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供的定位信息往往更為具體、詳細(xì)，可有效提高武器裝備的命中率。

此外，由于不依賴外部信息源，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性在各種導(dǎo)航系統(tǒng)中首屈一指。在軍事行動(dòng)中，如果衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)受到敵方干擾或破壞，依賴衛(wèi)星導(dǎo)航的裝備就會(huì)失去導(dǎo)航能力。無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)要求飛機(jī)等裝備必須與地面設(shè)備保持聯(lián)通，一旦地面設(shè)備損壞或受到電磁干擾，這些裝備就會(huì)成為“睜眼瞎”。而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不依賴外部信號(hào)，不易受無(wú)線電干擾，裝上它等于在茫茫海天間為裝備裝上了一個(gè)永不停轉(zhuǎn)的“指南針”。

根據(jù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部的陀螺儀來劃分，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)歷了機(jī)電式陀螺慣性導(dǎo)航、光學(xué)陀螺慣性導(dǎo)航及集成光學(xué)陀螺慣性導(dǎo)航等發(fā)展階段。

機(jī)電式陀螺慣性導(dǎo)航的發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)初期。初代慣性導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部的陀螺儀，利用軸承和滾珠來支撐陀螺轉(zhuǎn)子，系統(tǒng)容易受到外部振動(dòng)信號(hào)的干擾，并且陀螺轉(zhuǎn)子與支承結(jié)構(gòu)之間也很容易產(chǎn)生摩擦。這個(gè)時(shí)期，機(jī)電式陀螺慣性導(dǎo)航精度較低，對(duì)定位誤差的影響非常明顯。

20世紀(jì)70年代，美國(guó)MX導(dǎo)彈使用液浮、氣浮和磁懸浮3種支承結(jié)構(gòu)，來提升慣性導(dǎo)航的精度。這減小了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部的機(jī)械噪聲，延長(zhǎng)了其工作壽命，陀螺儀精度顯著提高。

20世紀(jì)80年代，世界各國(guó)相繼展開對(duì)靜電陀螺慣性導(dǎo)航的研制。靜電陀螺慣性導(dǎo)航內(nèi)的陀螺儀，利用靜電場(chǎng)吸力來支撐球形轉(zhuǎn)子，能夠最大程度減小摩擦。在理想條件下，靜電陀螺轉(zhuǎn)子不受任何外力作用，其主軸將永遠(yuǎn)保持不動(dòng)，可作為精密導(dǎo)航定位的參照物。靜電陀螺慣性導(dǎo)航能夠顯著提高武器裝備的隱蔽性，特別適用于長(zhǎng)時(shí)間工作的武器裝備，因此在核潛艇中得到廣泛應(yīng)用。

激光技術(shù)出現(xiàn)后，光學(xué)陀螺慣性導(dǎo)航成為最有發(fā)展前景的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。光學(xué)陀螺慣性導(dǎo)航通過激光干涉，實(shí)現(xiàn)對(duì)角運(yùn)動(dòng)的精確測(cè)量，同時(shí)取消高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)得到極大的簡(jiǎn)化。

20世紀(jì)90年代，一家美國(guó)公司研發(fā)出的一款激光陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，采用新型的雙軸旋轉(zhuǎn)技術(shù)，14天內(nèi)定位誤差不超過1海里。它還被改造得更加適合潛艇在水下使用。

到了20世紀(jì)末，光纖陀螺慣性導(dǎo)航越來越受到各國(guó)軍方的青睞。相較于激光陀螺儀，光纖陀螺儀以光纖線圈構(gòu)成環(huán)形光路，沒有運(yùn)動(dòng)部件，具有更小的體積、更輕的質(zhì)量、更低的成本等優(yōu)點(diǎn)。

進(jìn)入21世紀(jì)，光纖陀螺慣性導(dǎo)航開始向集成化方向發(fā)展，其具體目標(biāo)是將光纖陀螺儀中除光源和探測(cè)器以外的其他光路器件，集成在一個(gè)芯片上。芯片級(jí)尺寸的集成光學(xué)慣性導(dǎo)航，有望在軍事、航空航天、深海探測(cè)、自動(dòng)駕駛等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。如果光纖陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的體積繼續(xù)減小，或許未來有一天，普通的炮彈都可以實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)化。如今，量子技術(shù)飛速發(fā)展，量子慣性導(dǎo)航正成為慣性導(dǎo)航領(lǐng)域的新生力量。

（節(jié)選自《解放軍報(bào)》2024年10月18日，有刪改）

導(dǎo)讀

慣性導(dǎo)航有哪些特點(diǎn)？