后司南時代的導航新智慧
——記中航捷銳（北京）光電技術有限公司副總經理謝良平

□ 陳利娟

專家簡介：

謝良平，研究員，主要研究方向為光纖陀螺及慣性技術與應用，現任航空618所光纖技術室主任，兼任中航捷銳（北京）光電技術有限公司副總經理。擔任多個國家重點型號的主任設計師，主持或參與了包括裝備預研重點基金、國家重大儀器專項、民機專項等在內的20余個項目；發表論文28篇（SCI收錄7篇、EI收錄11篇），被引233次（SCI153次、EI41次）；申請專利45項、授權19項；曾獲得北京市科學技術獎二等獎2項，國防科技進步獎二、三等獎各1項，航空工業科學技術獎二、三等獎7項，榮立二等功、三等功各1次。

導航是把海、陸、空、天等運動載體，按照預先設定的路線，從始點引導至終點的過程。中華民族不乏智慧，先秦時期先民們發現磁鐵礦具有指向性，便據此發明了司南。這個外觀呈勺狀，靜止時勺柄指向南方，可以正方位、定方向的小物件，是最早、最簡易的導航應用雛形。“司南之所指，即陽氣之所在”，建立在陰陽五行學說基礎上的司南理論，雖充滿了“感性說”的局限，卻也折射出一個道理：對事物的認知如果僅基于經驗積累而知其然，不探求其根本原因而不知其所以然，必將導致認知的停滯不前。司南的發明便是如此，它雖推動了航海業的大發展，并幫助人類認識了世界、認識了地球，但最終卻因認知的滯后，逐漸被西方的新導航技術所超越。

技術發展到今天，慣性導航已成為惡劣環境下最有效的導航方式，但縱觀慣性導航領域的共性關鍵技術——光纖陀螺技術的發展史，我國之前一直扮演的卻是追趕者的角色。究其原因，以往技術發展過分依賴經驗積累的研發模式正是造成此種局面的癥結所在。通過不斷實物試錯來積累經驗，這種研發模式成本高、周期長，為何成與敗都說不清楚，影響光纖陀螺產品性能指標的要素多達幾百種，其重要性難以排序，解決問題時經常本末倒置。謝良平敏銳地覺察到了這個問題的嚴重性，為盡快擺脫技術長期被國外壟斷封鎖的窘境，他帶領團隊從頂層入手，在原總裝備部、科技部、北京市、航空工業集團等的支持下，歷經10多年的潛心研究，在項目“基于多物理場耦合誤差理論的光纖陀螺關鍵技術研發及產業化”中，圍繞國家重大型號工程的需求，通過深挖基礎理論并分析其在工程應用中的局限和不足，在光纖陀螺誤差理論、高精度光纖陀螺技術及微小型光纖陀螺技術等方面取得了多項原創性成果，極大地推動了我國慣性傳感器技術、產業升級及相關系統技術的發展。

由經驗積累到科學認知

慣性導航作為一項國防和民用領域的關鍵技術，主要研究運動載體的位置、方向、軌跡、姿態的檢測、控制與決策，是衡量大國軍事核心力量的重要指標之一。光纖陀螺作為新一代的慣性傳感器，是真正意義上的全固態陀螺儀表，具有精度覆蓋廣、可靠性高、全壽命周期費效比低等諸多優點，在各精度等級應用中都極具競爭力，是慣性導航領域的共性關鍵技術。

但光纖陀螺在國內走向應用的過程中卻遇到了幾個技術上的瓶頸問題：光纖陀螺的檢測精度接近相位檢測方法的極限，在多物理場耦合作用下其幾何與物理參數易發生變化且難以測量和控制，這導致了測量精度嚴重劣化，無法滿足高精度導航系統應用的需求；另外，傳統光纖陀螺的設計和制造方法，一直無法突破直徑25mm的極限，不能滿足小體積精確制導武器的需求，這些問題使得高精度和微小型光纖陀螺的設計和制造等技術瓶頸難以克服，嚴重制約了國內相關產品的實用化過程。在技術長期受到國外嚴密封鎖的情況下，針對瓶頸問題的獨立研發和自主創新對于我國國防和民生的重要意義不言而喻。

在項目“基于多物理場耦合誤差理論的光纖陀螺關鍵技術研發及產業化”的推進過程中，結合對千余只光纖陀螺產品的數據梳理分析，通過總結提煉影響光纖陀螺性能指標的光路、電路、結構及材料等參數的定量體系，謝良平帶領團隊建立了一整套數學物理模型及“數字”樣機，精確地對光纖陀螺的指標體系進行了設計仿真，實現了對指標影響要素的定量分析，并通過對影響量級進行嚴格排序，真正實現了解決問題的有的放矢。同時，通過在研制產品上不斷驗證及修正，完善理論模型，提升其與工程產品性能指標的符合度，經過多年夜以繼日的艱苦奮斗，基于模型的光纖陀螺多物理場定量設計仿真系統研制成功，并推廣至所有產品的設計中，極大地提高了產品的研制效率。

與團隊成員一起討論光纖陀螺的技術問題

對光纖陀螺“數字”樣機的研制，更體現了項目研發中“現象—物理—數學”的知識凝練過程；而“實物”樣機中對“數字”樣機準確性的驗證和工程應用，則體現了“數學—物理—工程”的應用回歸過程，二者相互促進、螺旋迭代上升，貫穿于光纖陀螺研發的全壽命周期。謝良平的研究從根本上提升了光纖陀螺的理論水平，縮小了與國際先進水平的認知差距，解決了光纖陀螺的研制周期和成本問題，以往過分依賴經驗積累的研發模式也正在被科學系統的認知模式所取代。更為重要的是，這一系列的突破最終實現了我國在國際技術交流合作中從“學生”到“合作伙伴”的角色轉變。

大膽創新 突破瓶頸

“當人們在航展上被各種運動載體在空中完成的一系列閃轉騰挪的復雜動作吸引時，為飛機瞬間完成俯沖、抬升、掉頭等動作而歡呼雀躍時，可曾想到，這些動作能否精確順利完成在很大程度上其實取決于載體裝備的光纖陀螺的性能是否優越。因為，它的性能一旦出現問題，輕則任務失敗，重則機毀人亡。”談起光纖陀螺的重要性時，謝良平這樣說道。

為滿足飛機高精度慣導系統的要求，光纖陀螺在任何環境中的零偏精度應優于0.007°/h（地球自轉速度為15°/h）、標度因數精度應小于10PPM（百萬分之十），因此機載慣導對光纖陀螺的工程性能要求非常高，而遺憾的是，國內產品長期以來一直無法滿足這樣的要求。究其原因，一是因為溫度、振動、磁場等多物理場耦合作用下，光纖陀螺性能會發生嚴重劣化；另一個原因則是飛機的飛控角速率傳感器對尺寸的要求很嚴格，傳統的光纖陀螺由于尺寸較大，許多需要小體積應用的場合無法裝備，以上這些都成為困擾專業技術人員的瓶頸問題并一直存在著。

面對這些瓶頸問題，謝良平帶領團隊迎難而上，在“基于多物理場耦合誤差理論的光纖陀螺關鍵技術研發及產業化”項目的支持下，他們展開了10多年的持續攻關。

在高精度工程應用性能提升方面，雖然20世紀美國科學家Shupe曾對光纖陀螺零偏溫度誤差進行了研究，并提出了著名的Shupe理論，但由于Shupe未將光纖環材料的三維分布式參數及其微元之間的交互影響，以及溫度和機械應力場引起的光纖有效折射率、周向應變等參數的變化因素考慮進去，因此導致了理論預測與光纖陀螺的實際物理狀態不符、偏差較大，無法有效指導高精度光纖陀螺的工程設計。

針對Shupe理論存在的問題，謝良平大膽做出了將光纖環材料的三維分布式熱學和力學參數及其微元之間熱、力學交互影響的機制引入到Shupe理論體系中的嘗試。結合保偏光纖的彈光與熱光效應原理，他研究了熱應力和機械應力對光纖環材料參數交互影響導致的光纖陀螺零偏誤差的機理，并由此創立了廣義的Shupe理論體系。其揭示出的熱力學耦合作用下光纖陀螺相位誤差的傳播規律，準確地反映了多物理場作用下光纖陀螺內部的物理狀態，在理論上指出了光纖陀螺零偏性能無法突破的原因，并提出了解決多物理場耦合下性能劣化的工藝措施——提升光纖環的“對稱性”。之后，在這一系列研究的基礎上，他又帶領團隊進一步梳理了光纖環的材料體系，并聯合器件廠家研制出了特種光纖，突破了多極對稱繞制及對稱性評價體系建立等多項技術難題。目前，光纖陀螺變溫和振動零偏性能已優于0.005°/h（1oC/min），并在“十二五”末總裝慣性技術聯合測評中，創造了0.0036°/h的國內最高水平。

除精度問題外，由光源平均波長和光纖環幾何尺寸溫度漂移引起的光纖陀螺標度因數誤差是另一個大問題。為抑制誤差，傳統的做法是溫度補償，但補償精度低和長期穩定性差的缺陷，卻成為光纖陀螺發展的最大軟肋，謝良平敏銳地認識到了這一點，并積極開展了技術攻關。

影響光源平均波長穩定性的參數有很多，如泵源溫度、中心波長、偏振度、摻鉺光纖溫度，還有光路背向散射、反射光信號導致的激射等。針對以上參數，謝良平通過器件溫敏系數匹配、微光學器件集成、光譜濾波、尾纖盤繞工藝優化等措施，大幅提升了光源平均波長的穩定性，將全溫波長變化控制到了2PPM的水平。

指導學生做實驗

在光纖環尺寸穩定性方面，謝良平帶領團隊從光纖環幾何尺寸、材料參數的設計入手，降低了光纖環尺寸溫度的敏感性，進一步建立了創新的閉環控制算法，實現了對光纖環長度的實時跟蹤與控制，極大地提高了全溫度條件下光纖環的尺寸穩定性。他們研制的光纖陀螺全溫標度因數性能在不補償的情況下能夠達到20PPM，補償后優于5PPM，達到國際領先水平，成為在各應用領域真正能夠抗衡激光陀螺的利器。謝良平的研究在零偏和標度因數性能上實現了突破，解決了多物理場作用下光纖陀螺性能劣化的瓶頸問題，滿足了國家高精度慣導系統的重大需求。

在小型化陀螺研制方面，他們也不遺余力地開展了一系列科研攻關。通過不懈努力，他們創立了一套超細徑光纖無熔點微小型光纖陀螺設計與制造方法，攻克了850nm SLD光源、40 μ m超細徑保偏光纖及耦合器、晶體包裹性光纖偏振器等器件制造技術的難關，突破了SLD光源、探測器等芯片與超細徑光纖偏振對軸耦合封裝工藝以及相關裝備技術瓶頸，在國內率先建立了850nm、40μm光纖陀螺光路技術體系，解決了小型化瓶頸問題，突破了傳統方法直徑25mm的極限，創制出了世界最小體積的微小型光纖陀螺產品并實現了產業化，滿足了小體積制導武器的急需，不僅填補了國內空白，而且達到了國際先進水平。

解國家急需 社會影響廣泛

近年來，基于項目成果已發表論文36篇（5篇SCI、14篇EI）；申請發明專利55件、授權29件，獲17件實用新型專利授權；形成了國軍標1項，航空標準2項，企業標準20余項；獲得省部級科學技術獎8項，并隨主機獲得國家科技進步獎一等獎2項，還獲得了首屆中國軍民融合兩用技術創新大賽銅獎；并得到中央電視臺、《科技日報》、光明網等主流媒體的多次報道，產生了廣泛的社會影響，極大地促進了我國慣性傳感器、配套光學器件的技術和產業升級，并推動了相關系統技術的發展。

他們研發的微小型和高精度3類10余個系列光纖陀螺產品，已批量裝備于國內航空、導彈、陸用、船舶、航天等軍工領域，還應用于民機、物流無人機、高鐵、石油、煤炭等民用領域，在機載飛控角速率傳感器、航姿、慣導系統、空空導彈等多個領域填補了國內空白，這標志著我國高精度和微小型光纖陀螺技術獲得了重大突破，整體技術指標國內領先，達到國際先進水平。

截至目前，取得的創新成果在規模化應用后，累計生產銷售光纖陀螺15000余套，實現銷售收入超過11億元（近3年5.54億元），間接經濟效益約30億元，社會、經濟效益顯著，滿足了國家高精度慣性導航和小體積精確制導的急需，提升了我國的國防能力和科技水平。

集聚團隊力量 向新方向拓展

作為項目的負責人,謝良平從2007年立項伊始就擔負起項目總體方案設計、技術攻關和項目管理等工作，并陸續聯合國內相關研究的優勢單位和科研人員進行協同攻關。其中陳平、魏飛、曹陽、崔志超、羅瑞、梁霄、張斌、黃釗、谷林、萬洵、孔軍、馬海全、王剛、周原、寇亮亮、丁闊、宮曉宇、陳琳、趙磊、衛煬、趙海軍、張佳全、劉延等人與謝良平在一個課題組，他們共同參與完成了光纖陀螺多物理場耦合誤差理論、高精度光纖陀螺技術、微小型光纖陀螺技術的研究工作。除此之外，團隊中的其他成員也分別為項目的順利推進做出了相應貢獻，榮偉彬負責了光纖陀螺配套的超細徑保偏光纖耦合器、偏振器技術及相關設備的研制工作，唐祖榮負責了光纖陀螺配套的寬溫無致冷SLD光源芯片技術的研發工作，隋寧菠負責了光纖陀螺配套的超細徑保偏光纖研制工作。

團隊合影

謝良平告訴記者，項目能順利推進，并取得一系列豐碩成果，離不開團隊中每個成員做出的努力，更離不開各主要完成單位的支持。作為項目的第一完成單位，中航捷銳（北京）光電技術有限公司負責了項目成果中產品研發、總裝集成、生產組織與產業化的推廣等工作，由它支持創立了高精度光纖陀螺光纖環材料匹配設計方法，攻克了光纖陀螺故障檢測技術、多極正交精密繞制與極低波長漂移摻鉺光纖光源制造工藝技術中的瓶頸，在航空、航海、兵器、航天等國防與民用領域推廣應用后，帶來了顯著的經濟和社會效益。

中國航空工業第618研究所，作為第二完成單位，負責了項目成果中的理論研究與工程化技術研制，并支持創立了光纖陀螺熱、力、磁多物理場耦合誤差理論體系，建立了光纖陀螺消偏光路系統及“波長”和“腔長”控制系統新設計方法，攻克了微小型光纖陀螺設計與制造技術等，推動了光纖陀螺技術升級，為項目的整體推進做出了突出的貢獻。此外哈爾濱工業大學、中國電子科技集團公司第四十四研究所、北京一輕研究院作為主要完成單位，也為項目的順利完成貢獻了重要的力量。

謝良平告訴記者，目前，包括航空工業在內的中央企業作為我國國民經濟的“頂梁柱”，在許多方面，具有天然的軍民融合屬性，在基礎設施、交通運輸、信息通信、機械加工、軍事工業、食品、醫藥、海洋工程等諸多重要行業，都可以亦軍亦民，而且都處于領軍地位。自軍民融合戰略提出以來，作為航空618所光纖技術室的主任，謝良平見證了618所在“軍轉民”方向上的持續發力，也見證了軍民融合戰略為軍民雙方所帶來的重大利好。2017年10月26日，全球首款大型貨運無人機AT-200首飛成功，無人機里的整套飛行導航系統和管理系統的解決方案，全部由618所提供，憑借成本低、易保養、大載荷等特點，未來它將在物流領域大有作為。

中航捷銳（北京）光電技術有限公司成立后，作為公司的副總經理，謝良平將帶領團隊繼續在軍用技術的國計民生應用上發揮創造力，讓“中國制造”在世界舞臺更上一層樓，為改變人們的生活方式繼續貢獻力量。