原子慣性導航將大幅度地壓縮GNSS衛星導航的應用空間
——GNSS測量成果應用問題之五

劉基余

（武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430079）

據法新社2013年4月25日報道，美軍正在研發新一代導航系統，用于替代易受干擾的GPS衛星定位系統。這一系統將不再依賴衛星，它將被集成在以立方毫米為單位的超小芯片上，被稱之為原子慣性導航。

1 慣性導航概況

和天文導航一樣，慣性導航也是一種自主式的導航技術。按照慣性測量裝置在運載體上的安裝方式，分為平臺式慣性導航系統（慣性測量裝置安裝在慣性平臺的臺體上，如圖1所示）和捷聯式慣性導航系統（慣性測量裝置直接安裝在運載體上），后者能夠省去平臺，但是，儀表工作條件不佳（影響精度），計算工作量大。

圖1 慣性平臺的結構

一個慣性導航系統（INS，Inertial Navigation System），一般由慣性測量裝置、計算機、控制顯示器等部件組成。慣性測量裝置包括加速度計和陀螺儀（稱之為慣性導航組合）：3個自由度陀螺儀用來測量飛行器的三個轉動運動，3個加速度計用來測量飛行器的3個平移運動的加速度。計算機根據測得的加速度信號計算出飛行器的速度和位置數據。控制顯示器顯示各種導航參數，實現導航功能。慣性導航系統的優點：一是由于它是不依賴于任何外部信息，也不向外部輻射能量的自主式系統，故隱蔽性好且不受外界電磁干擾的影響；二是可全天候、全球性、全時間地工作于空中地球表面乃至水下；三是能提供位置、速度、航向和姿態角數據，所產生的導航信息連續性好而且噪聲低；四是數據更新率高、短期精度和穩定性好。它的缺點：一是由于導航信息經過積分而產生，定位誤差隨時間而增大，長期精度差；二是每次使用之前需要較長的初始對準時間；三是設備的價格較昂貴；四是不能給出時間信息。

1954年慣性導航系統在飛機上試飛成功；1958年“舡魚”號潛艇依靠慣性導航穿過北極時，在冰層下航行了21天。中國從1956年開始研制慣性導航系統，自1970年以來，在多次發射的人造地球衛星和火箭上，以及各種飛機上，都采用了本國研制的慣性導航系統。近年來，我國的慣性導航技術已經取得了長足進步，液浮陀螺平臺慣性導航系統、動力調諧陀螺四軸平臺系統已相繼應用于長征系列運載火箭。其他各類小型化捷聯慣導、光纖陀螺慣導、激光陀螺慣導以及匹配GPS修正的慣導裝置等，也大量應用于戰術制導武器、飛機、艦艇、運載火箭、宇宙飛船等。

慣性導航技術在國防裝備技術中占有非常重要的地位。對于慣性制導的中遠程導彈，一般說來命中精度70%取決于制導系統的精度；對于導彈核潛艇，由于潛航時間長，其位置和速度是變化的，而這些數據是發射導彈的初始參數，直接影響導彈的命中精度，因而需要提供高精度位置、速度和垂直對準信號，目前適用于潛艇的惟一導航設備就是慣性導航系統。慣性導航完全是依靠運載體自身設備獨立自主地進行導航，不依賴外部信息，具有隱蔽性好、工作不受氣象條件和人為干擾影響的優點，而且精度高。對于遠程巡航導彈，慣性制導系統加上地圖匹配技術或其他制導技術，可保證它飛越幾千千米之后仍能以很高的精度擊中目標。

現代慣性導航技術在各國政府雄厚資金的支持下，己經從最初的軍事應用滲透到民用領域。慣性導航技術已經逐步推廣到航天、航空、航海、石油開發、大地測量、海洋調查、地質鉆控、機器人技術和鐵路等領域，隨著新型慣性敏感器件的出現，慣性導航技術在汽車工業、醫療電子設備中都得到了應用。因此，慣性導航技術不僅在國防現代化中占有十分重要的地位，在國民經濟各個領域中也日益顯示出它的巨大作用。

慣性導航系統屬于推算導航方式，即從一已知點的位置根據連續測得的運動體航向角和速度推算出其下一點的位置，因而可連續測出運動體的當前位置。慣性導航系統中的陀螺儀用來形成一個導航坐標系，使加速度計的測量軸穩定在該坐標系中，并給出航向和姿態角；用加速度計（慣性敏感元件）測量出運動載體在北向、東向和重力向的三個加速度，經過積分器的一次積分，求得上述三向的三個速度，進而由另一種積分器積分成為三個坐標分量，再經過坐標變換，而獲得運動載體的實用點位坐標和姿態（如圖2所示）。

圖2 慣性導航的三維坐標測定

當慣性導航系統按照地球橢球體面的曲率沿測線運行時，慣性平臺上的北向、東向和重力向的三個加速度計，分別測得在這三個方向上的載體加速度aNaEaZ，經過一次積分得到它們的相應速度是：

式中，VN0VE0VZ0分別為北向、東向和重力向的載體初始速度，對這三個方向的速度再進行積分就能夠求得載體的位移距離xyz；依據載體初始進動點的已知坐標λ0、φ0、H0，以及地球橢球面的子午圈曲率半徑RM和卯酉圈曲率半徑RN，進而求得載體在t時刻的經度、緯度和高程分別是：

從式（2）可知，載體初始進動點的已知坐標λ0、φ0、H0的測定誤差（mφ0mλ0mH0），直接影響載體的三維位置測量精度，因此，應該盡量減小mφ0mλ0mH0值，以此提高載體三維位置測量精度。

由上述可見，慣性導航不需要依賴外界信息，就能夠獨立自主地給出運動載體的位置、速度和姿態參數，而具有抗電磁輻射干擾、大機動飛行和隱蔽性好的特點。但是，它所測定的點位坐標等導航參數誤差隨時間增長而增大，不適合長時間的導航應用。衛星導航所測定的點位坐標等導航參數，不僅精度高，而且誤差不隨時間長短而變化，因此，以衛星導航之長、克服慣性導航之短的GPS/INS組合導航系統，就成為國內外的一個熱門研發項目，現已在海空天的運動載體上獲得了較多的工程實用。例如，美軍的BGM-109C“戰斧”巡航導彈，當用慣性加地形匹配制導時，它的圓概率誤差僅為9m左右，在它的慣性加地形匹配制導系統中加入GPS技術之后，它的圓概率誤差降低到3m，顯著提高了“戰斧”巡航導彈的制導精度，進而增強了它的殺傷力。

捷聯式慣性導航系統（Strap-down Inertial Navigation System，SINS）是將加速度計和陀螺儀直接安裝在載體上，在計算機中實時計算姿態矩陣，即計算出載體坐標系與導航坐標系之間的關系，從而把載體坐標系的加速度計信息轉換為導航坐標系下的信息，然后進行導航計算。由于具有可靠性高、功能強、重量輕、成本低、精度高以及使用靈活等優點，使得SINS成為當今慣性導航系統發展的主流。捷聯慣性測量組件（Inertial Measurement Unit，IMU）是慣導系統的核心組件，IMU輸出信息的精度在很大程度上決定了系統的精度。陀螺儀和加速度計是慣性導航系統中不可缺少的核心測量器件，現代高精度的慣性導航系統對所采用的陀螺儀和加速度計提出了很高的要求，因為陀螺儀的漂移誤差和加速度計的零位偏值是影響慣導系統精度的最直接的和最重要的因素，因此如何改善慣性器件的性能，提高慣性組件的測量精度，特別是陀螺儀的測量精度，一直是慣性導航領域研究的重點。

陀螺儀的發展經歷了幾個階段：最初的滾珠軸承式陀螺漂移速率為（l-2）°/h，通過攻克慣性儀表支撐技術而發展起來的氣浮、液浮和磁浮陀螺儀，其精度可以達到0.001°/h，而靜電支撐陀螺的精度可優于0.0001°/h。從20世紀60年代開始，撓性陀螺的研制工作開始起步，其漂移精度優于0.05°/h量級，最好的水平可以達到0.001°/h。1961年激光陀螺首次研制成功，標志著光學陀螺開始主宰陀螺市場。目前激光陀螺的零偏穩定性最高可達0.0005°/h，激光陀螺面臨的最大問題是其制造工藝比較復雜，因而造成成本偏高，同時其體積和重量也偏大，這一方面在一定程度上限制了其在某些領域的發展應用，另一方面也促使激光陀螺向低成本、小型化以及三軸整體式方向發展。而另一種光學陀螺-光纖陀螺不但具有激光陀螺的很多優點，而且還具有制造工藝簡單、成本低和重量輕等特點，目前正成為發展最快的一種光學陀螺。

2 原子慣性導航技術即將問世

2010年開始，美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency， DARPA）開展了不依賴衛星的導航系統的研發工作，目的在于全面替代GPS衛星導航，而不是作為GPS系統的補充。成立于1958年的美國國防高級研究計劃局，是美國國防部屬下的一個行政機構，負責研發軍事用途的高新科技。目前，該局聯合美國密歇根大學的研究人員已經研制出了一種不依賴衛星的新型導航系統，它被集成在一個僅有8立方毫米的芯片上，芯片中集成有3個微米級的陀螺儀、加速器和原子鐘，它們共同構成了一個不依賴外界信息的自主導航系統。這名項目主管還稱，按計劃，這種新一代的導航系統將會首先被用于小口徑彈藥制導、重點人員監控，以及水下武器平臺等GPS應用觸及不到的領域。

美軍所謂的新一代導航系統其實質是一種基于現代原子物理最新技術成就的微型慣性導航系統。慣性導航系統是人類最早發明的導航系統之一，早在1942年德國在V-2火箭上就首先應用了慣性導航技術。而美國國防部高級研究計劃局新一代導航系統主要通過集成在微型芯片上的原子陀螺儀、加速器和原子鐘精確測量載體平臺相對慣性空間的角速率和加速度信息，利用牛頓運動定律自動計算出載體平臺的瞬時速度、位置信息并為載體提供精確的授時服務。有資料顯示，2003年美國國防部就斥資千萬美元開始對原子慣性導航技術的研制。該技術一旦研制成功，將會使慣性導航達到前所未有的精度。具體來說，將會比目前最精準的軍用慣性導航的精度還要高出100到1，000倍，而這將會對軍用定位、導航領域帶來革命性影響。由于該導航系統具有體積小、成本低、精度高、不依賴外界信息、不向外界輻射能量、抗干擾能力極強、隱蔽性好等特點，很有可能成為GPS技術的替代者。依筆者之見，原子慣性導航技術的成功實現，對于海陸空的軍用，確實能夠產生革命性的變化，但是，原子慣性導航難以在下列器件上取代GPS：戴在人們頭上的GPS眼鏡、穿在人們腳上的GPS鞋、握在人們手中的GPS照相機和陪伴人們行走的GPS手機，老人和小學生隨身所帶的GPS跟蹤器，成為他們安全行蹤的“守護者”，及時告知他們所在位置。因此，原子慣性導航技術只能夠大幅度地壓縮GNSS衛星導航的應用空間，取代GNSS在海陸空軍用設備上的應用。