光纖陀螺慣導在航海領域的發展與應用

徐海剛， 裴玉鋒， 劉　沖， 李海軍， 陶　冶

(1北京自動化控制設備研究所，北京 100074； 2. 海軍裝備研究院，北京 100161)

0　引言

當前航海慣導技術的發展，整體上仍是瞄準更高精度和更高性價比這2個主要目標。光纖陀螺慣導在航海領域的全面發展，繞不開在這2個主要目標上與已成熟應用的靜電、激光陀螺航海慣導進行全方位的比較。那么，現有成熟的靜電、激光陀螺航海慣導技術的發展歷程與現狀如何，與其相比光纖陀螺有何突出特點，這一技術途徑是否可行以及能否長遠發展等是擺在我們面前需要深入思考的問題。針對這類問題，本文試圖通過分析比較與試驗驗證提供一種解決方案[1]。

從理論和工程應用上講，航海慣導技術的發展需求，對處于不同發展階段的國家是明顯不同的，對新技術的發展和應用，主要取決于其先進性、可行性與付出的代價之間的權衡，不能一概而論。例如對于美國，經過多年積累，靜電陀螺導航系統、旋轉調制激光慣導產品狀態已經極為穩定，后者的生產成本也處于可接受水平，其對光纖陀螺在航海領域應用的積極性表現的相對保守[2]；對于法國，其自身對航海慣導并無太高的技術要求，對于光纖陀螺航海慣導的大力鼓吹更多來自商業考慮；對于我國，顯然又是另一番情形。本文盡量從技術發展本身來進行討論[3]。

1　國外情況梳理

本節重點梳理國外航海慣導技術的發展脈絡，而不詳細羅列產品或技術。縱觀航海慣導技術的發展歷程及現狀，有以下幾條脈絡比較明顯。

首先，技術發展的重點不僅是精度。早在20世紀50年代，液浮陀螺精度已經達到0.000015(°)/h[4]；在20世紀70年代，靜電陀螺慣導也達到相應的精度[5]；而之后發展的激光慣導、光纖慣導，都尚未達到這一精度。因此，航海慣導技術的發展重點不僅是產品的精度，更重要的是既能滿足需求、又可批量制造且價格可接受。顯然，以WSN-7A/B為代表的旋轉調制激光慣導很好地滿足了這類需求，并且具有相當可觀的精度[6]。

其次，旋轉調制技術不能解決所有問題。當前多個領域熱衷于應用旋轉調制，但這并不代表該技術能解決所有問題，實踐證明也存在一定固有缺陷。例如快速對準性能未必好，水平翻滾帶來的誤差難以抑制，定位精度高但姿態、速度品質特性不高等。當然，這里并非否定旋轉調制技術的優點，而是說，隨著對性能要求的提高以及慣性儀表技術的發展，最優的系統解決方案也會變化[7]。

再次，導航系統技術的發展是螺旋式上升的。在航海導航領域，經歷了從穩定平臺(如靜電導航儀)到固定式捷聯(如MK 39 Mod A)、再到框架式捷聯(如 WSN-7A/B)的形式演變；隨著光纖陀螺的發展，固定式的高精度光纖捷聯慣導(以法國Marins為代表)有望成為新的發展主流[8]；長遠來看，隨著原子陀螺的發展，穩定平臺式的慣導系統有望重新被使用。沒有一成不變的形式，系統技術的發展，是慣性儀表技術、產品成本與可制造性、對精度的追求等多方面綜合權衡的結果[9]。儀表精度難以提高時，會犧牲系統復雜度來獲取性能；反之，系統形式會大大簡化。由此表現出螺旋上升的發展趨勢[10]。

最后，對激光陀螺與光纖陀螺特點的比較應該客觀。依據經驗，激光陀螺在標度因數、零偏溫度特性方面具有顯著優勢，在成本方面并不比光纖陀螺高；光纖陀螺在隨機游走特性方面具有顯著優勢，在零偏重復性方面并不比激光陀螺差[11]。另一個判斷有待進一步考究或試驗證實，即以MK 39 Mod A為代表的固聯式激光捷聯慣導也曾獲得廣泛應用，但其后至今未再獲得進一步發展，原因可能是其長期工作或存儲的穩定性不如光纖陀螺[12]。

綜上，從國外情況來看，航海慣導技術的發展歷史與發展需求、本國發展基礎、慣性儀表發展情況之間是息息相關的，不存在一勞永逸的解決問題的方案，最優方案始終在發展的路上，當前所謂最優的方案終究會被淘汰[13]。

2　新的發展需求

從武器裝備使用的角度來看，新的發展首要需求顯然不是精度問題，而是制造與使用維護性，但這一問題又只能依靠采用新的技術途徑來解決。因此，航海慣導新的發展需求主要表現在以下2個方面：

1)需要發展定位精度接近或優于激光陀螺導航系統、導航信息特性(速度、姿態等信息的絕對誤差和變化率)優異的導航系統[14]。

2)需要發展定位精度接近靜電陀螺導航儀、成本呈量級降低、使用維護性(啟動時間、標定周期等)顯著提高的導航系統[15]。

為了滿足以上發展需求，首先需要改進或采用新型陀螺儀。近期來看，光纖陀螺在隨機游走、零偏長期穩定性、成本、可制造性等方面具有突出的優勢，激光陀螺如能在長期穩定性、隨機游走方面有所突破，亦是不錯的選擇[16]；遠期來看，超高精度原子陀螺有望進入航海導航應用領域。其次在系統技術上進行創新，快速溫控技術是解決光纖陀螺受溫度變化影響的一條有效途徑；克服剩余陀螺漂移需要在工程應用上突破全阻尼技術；系統形式應采用純捷聯的形式[17]。

綜上，采用超高精度的光纖陀螺研制航海慣導，是滿足當前發展需求的一條很好的途徑。

3　可行性論證

下面從陀螺精度極限、溫控、全阻尼、試驗驗證等幾個方面進行簡要的可行性論證。

3.1　陀螺精度極限

對于長航時導航系統來說，主要考慮的是光纖陀螺的隨機游走系數要小、零偏穩定性和零偏長期重復性要高[18]。

隨著光纖陀螺技術的發展，光纖陀螺這一極限精度及可工程實現的精度將進一步提高，可以支撐超高精度航海慣導的發展。

3.2　溫控技術的得失

溫度變化是所有超高精度陀螺的大敵，采用溫控技術是解決這一問題最直接、最有效的技術途徑。

對于超高精度慣導及其應用場景來說，采用溫控技術需要增加的體積、質量、功耗一般不是太大的問題，準備時間的延長是需要重點考量的問題。資料顯示，對于靜電陀螺、三浮陀螺等機電陀螺來說，溫控穩定的時間在12～36h，陀螺精度才能達到相應的設計極限；而對于光纖陀螺來說，這一時間也不會顯著的縮短，甚至有可能增長，這是需要重點考量的問題之一[21]。

此外，溫度控制的穩定性也是關鍵指標之一，對于10-5(°)/h量級的光纖陀螺來說，0.1℃量級的短期波動都有可能是致命的影響，這就需要在系統隔熱與溫度控制上下功夫。

3.3　全阻尼技術

阻尼技術是航海慣導的核心關鍵技術。當前普遍成熟應用的是采用經典控制理論設計的水平阻尼網絡，能夠有效地將水平方向的舒拉振蕩消除，從而獲得穩定、平滑的姿態和速度信息，但也僅此而已；方位阻尼網絡的實現存在巨大困難。

研究表明，采用Kalman濾波融合電磁計程儀與慣導的信息，能夠有效消除水平方向的舒拉振蕩，同時能夠估計出或部分估計出水平方向慣性儀表(主要是陀螺)的誤差，消除其對應的呈地球周期振蕩的誤差，從而有效地提高系統導航精度。舉例說明，水平阻尼網絡僅能消除舒拉振蕩的影響[22]；采用組合導航方案，則可在消除舒拉振蕩的同時，又可以基于觀測的舒拉振蕩幅值估計出水平陀螺漂移，并消除其影響，相當于起了2/3方位阻尼的作用，因此可以從本質上提高長航時的導航級精度[23]；實踐表明這至少是可以部分做到的。

應用組合導航技術之后，決定系統精度的核心關鍵因素就變成了垂向陀螺漂移，如何進一步估計出這一誤差源，是航海慣導系統極具應用價值和挑戰性的一項工作[24]。

3.4　試驗驗證

采用高精度光纖陀螺，對以上思路進行驗證。將慣導系統放置在溫箱內，在恒溫條件下進行長航時導航精度測試。測試時間持續17d，整個過程中光纖陀螺數據曲線及溫度曲線分別如圖1、圖2所示。

可以看出，整個過程陀螺溫度變化峰峰值在0.4℃左右；盡管陀螺輸出變化峰峰值在0.001(°)/h左右，但其長周期平均的零偏穩定性為0.0002(°)/h。另外，從2條曲線對比可以看出，陀螺輸出變化與溫度有明顯的對應關系，通過精密溫控與補償有望進一步提高陀螺輸出精度。

試驗過程中系統位置誤差如圖3所示，北向位置誤差最大值為1500m，東向位置誤差最大值為4500m。該實驗結果表明在溫控條件下，光纖慣導系統實驗室靜態定位精度能夠達到1.0nmile/10d。通過進一步提高溫控精度及溫度誤差補償精度，導航精度有望達到1.0nmile/20d，甚至1.0nmile/30d。

另外，測試發現，陀螺溫度穩定大概需要6～8h，但陀螺輸出穩定要在20h以上，因此如何加快溫控穩定時間是后期工程應用中需要重點關注的問題[25]。

4　展望

本文針對航海導航領域對慣性技術發展的新需求，總結了國外航海慣導技術的發展歷程，分析了光纖陀螺慣導在航海領域應用的優劣勢以及關鍵技術，總結有以下幾點結論：

1)航海慣導技術不存在一勞永逸的解決方案，最優方案始終在發展進步；

2)采用超高精度的光纖陀螺研制航海慣導，是滿足當前發展需求的一條很好的途徑；

3)溫控光纖是目前實現長航時高精度導航的一種優選方案。

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