軍用飛機慣性導航技術的發展

■ 王小陽 李駿 趙琛

軍用機載導航領域對導航系統有高精度、自主性和抗干擾的要求，特別是在復雜電子戰環境下，要求導航系統必須具備不依賴衛星、無線電導航的高精度自主導航能力，持續輸出位置、速度、姿態等導航信息。機載慣性導航系統作為主要的自主導航手段，近年來不斷取得技術上的突破和進展。

1 軍用機載慣性導航技術的發展歷程

機載慣性導航系統最早起始于20世紀50年代，最先以平臺式慣導的形式出現，1950年5月美國北美航空公司奧拓奈蒂克斯分公司在C-47軍用運輸機上裝備XN1純慣性導航系統，揭開了機載慣性導航的帷幕，隨后于1961年，美國在F-104戰斗機配裝了首個戰斗機機載平臺式液浮陀螺慣性導航系統LN3。

1965年，英國皇家航空研究院（RAE）根據撓性支撐的概念研制出撓性陀螺原理樣機，即動力調諧式陀螺。相對于液浮陀螺，動力調諧式陀螺結構簡單成本低廉響應迅速，經過不斷改善和完善，精度不斷提高，在20世紀70年代開始，以動力調諧陀螺為基礎的平臺式慣導系統大量出現并裝備與研制的第三代戰斗機上均裝備了動力調諧陀螺基平臺慣性導航系統，如美國F15戰機裝備的LN30系統，F16戰機裝備的SKN-2416系統和法國幻影-2000戰機裝備的Uliss52系統等。

另一類新興起的支承陀螺是1952年美國伊利諾依大學提出的靜電陀螺分支，靜電陀螺經過改進與完善，最大漂移誤差一般低于，主要用于遠程戰略轟炸平臺，如美國的B-52與F-117A等。

20世紀60年代年，光學技術與計算技術迅速發展，激光陀螺和光纖陀螺等光學陀螺的出現，引領了機載慣導由平臺式向捷聯式轉換的浪潮，光學陀螺以奈克效應為原理，以其簡單的結構與減小的體積，逐漸取代了原本的機械轉子陀螺，同時以多圈光纖環形成大等效面積閉合光路的思路為基礎的光纖陀螺也開始出現。光學陀螺引領機載慣導系統從平臺式向捷聯式更替，是軍事領域應用最為廣泛的陀螺與導航系統類別，如美國利登、霍尼韋爾等公司的LN-100G、LN-260、LN-270等捷聯慣導系統產品，法國SAGEM公司的SIGMA 95L系統等，均大量列裝于現役飛機、艦船和潛艇等裝備平臺。

微機電系統MEMS技術大大縮小了慣性系統陀螺儀和加速度計的體積、成本等，盡管精度較低，但是以其低廉的成本可以實現超大批量的生產，是另一類機載慣導的發展方向，在戰術導彈領域被廣泛使用，如諾格公司的LN200IMU產品單元等。2019年4月，霍尼韋爾公司公布了其用于平臺穩定的MEMS陀螺性能，具有的零偏穩定性與的角度隨機游走。MEMS陀螺精度不斷提高，有望實現光纖陀螺的替代方案。

進入21世紀以后，科學家開始展開對以量子力學為基礎的冷原子陀螺儀和核磁共振陀螺等原子陀螺的研究工作，面向未來超高精度的導航需求，隨著研究的不斷深入，原子陀螺儀已逐漸開始從實驗室走向工程化并最終邁向實際應用。

2 軍用機載慣性導航技術的發展

2.1 平臺慣性導航技術的發展

平臺式慣導系統，是在載體上利用實體的慣性平臺跟蹤導航坐標系實現導航的慣性系統，其核心是慣性平臺，也稱為“陀螺穩定平臺”，陀螺儀與加計均安裝在平臺上，通過計算信息對力矩器施矩，使物理平臺跟隨導航坐標系。

1908年德國科學家安修茨以牛頓力學為基礎設計出世界上第一臺擺式轉子陀螺儀，揭開了陀螺儀技術發展的帷幕，20世紀50年代，為減小轉子陀螺儀的摩擦，出現了液浮陀螺，1955年，定位精度為0.5nm/h的的單自由度液浮陀螺平臺慣導系統研制成功，使陀螺漂移達到慣性級要求，1958年，裝備有液浮陀螺慣導系統的核潛艇經過96小時潛航從北極冰層下穿越北極時，實際位置和計算為止僅差幾海里。由于液浮陀螺成本高昂，制造維護不便，20世紀60年代開始，出現了動力調諧陀螺和靜電陀螺等撓性支承陀螺。

1952年靜電陀螺的設計概念被提出，利用高壓靜電場支承球形轉子一般的機械支承，很大程度上見笑了陀螺的干擾力矩，1963年霍尼韋爾公司研制成功核潛艇使用的靜電陀螺平臺慣導系統，并于1970年應用于北極星和海神核潛艇上。靜電陀螺平臺式飛機導航系統的定位精度為0.04～0.1nm/h。

1962年出現了動力調諧式撓性陀螺，其結構簡單，功耗低、體積小。1966年KearFott公司研制出撓性陀螺慣導系統，并應用于導彈與飛機，此外美國Sperry公司的MGL-80微型陀螺也廣泛應用于平臺式慣導系統中。

之后，隨著光學陀螺技術的興起，以撓性陀螺為基礎的平臺式慣導系統開始逐漸退出主流，到了20世紀80年代后期，國外平臺式慣性系統相關的開發工作基本終止。

2.2 捷聯慣性導航技術的發展

20世紀80年代開始，隨著慣性器件性能及計算水平的提升，捷聯式慣導系統逐漸取代平臺式慣導系統，成為慣性導航系統的主流產品。捷聯式慣導系統依靠算法建立起導航坐標系，以數學平臺的形式替換原有的物理平臺，結構簡單、體積小重量輕、可靠性高，還可以通過余度技術提高系統容錯能力，捷聯式慣導系統開始逐漸取代平臺式慣導，成為主流機載慣導類別。

1982年，美國霍尼韋爾公司批量生產出GG1342激光陀螺。美國利頓公司以此為基礎生產出LTN-92系列激光捷聯慣性導航系統，成為新一代標準機載慣導系統，1984年美國空軍發布捷聯慣性導航系統標準SNU84-1，開始進行機載慣導系統升級工作。隨著美國GPS衛星網絡的部署，慣性衛星組合導航開始引起研究者的研究，20世紀末，美國空軍在以利登公司研制生產出的LN-100G與霍尼韋爾公司的H764G激光陀螺基捷聯式慣性導航系統中，嵌入GPS接收機芯片，在導彈防御系統預警衛星及軍用飛機上大量應用。

光纖陀螺技術起步相對激光陀螺稍晚，1976年美國學者V.Vali首次提出利用多圈光纖環形成大等效面積閉合光路的思路，此后光纖陀螺儀研究得到迅猛發展，盡管同時期光纖陀螺精度低于激光陀螺，主要適配一些中低精度場合，但隨著光纖制造技術與光學器件性能的提升，光纖陀螺更低廉的價格與功耗體積等優勢逐漸顯露。目前國際上以光纖陀螺為基礎的捷聯慣導系統已能滿足戰略武器的裝機要求，如裝備于美國海軍的E-2鷹眼預警機。2019年5月，美國Northrop Grumman公司研制出的的光纖慣性導航系統SeaFIND，擁有與MK39環形激光陀螺系列慣性產品相同的性能，且體積質量大大減小。干涉性光纖陀螺慣性系統性能逐漸接近激光陀螺慣導系統，并開始應用于戰略武器。

2.3 旋轉調制技術的發展

由于慣性導航系統原理限制，誤差會隨時間不斷累積，長時間獨立工作時難以保證慣導定位精度，通過工藝手段提高陀螺儀和加速度計的精度面臨技術難度高，迭代周期長等問題。針對這一問題出現了激光陀螺旋轉調制技術，將系統慣性測量單元IMU繞一軸或多軸周期性旋轉，使得短時間數據平臺某些常值誤差積分或均值趨于零，提高長時間工作精度。

20世紀80年代，Levinson首次提出旋轉調制技術，指出在方位軸上增加連續或者周期的旋轉運動，可以有效抑制慣性器件常值漂移造成的誤差發散問題，1963年，美國Sperry公司基于此開始研發平臺式旋轉調制系統，70年代初期，美國Delco公司研制出輪盤木馬IV型四框架憑條慣導系統，定位精度達到1nm/h，90年代Sperry公司研制出MK39Mod3C和WSN-7B單軸旋轉調制系統，可以達到24h內1nm的位置精度，已裝備美國海軍艦隊及護衛艦。

在系統單軸旋轉的運動下，非旋轉軸方向的器件誤差可以有效被調制補償，但是原理上旋轉軸方向的器件誤差無法調制，限制了系統精度，為了解決此問題研究者們開始研制雙軸旋轉調制系統，1989年，美國Sperry公司與霍尼韋爾公司聯合研制了MK49雙軸旋轉調制高精度船用環形激光陀螺慣導系統，大量裝備于水面艦艇和潛艇，作為北約組織的船用標準慣性系統，20世紀90年代，美國Sperry公司研究出WSN-7A雙軸旋轉調制系統，系統具有超過14天的修正周期，于1995年開始列裝美國海軍，到2006年左右已經裝備美國海軍除裝載彈道導彈核潛艇以外的所有艦艇。

1994年，美國啟動了戰略核潛艇用高精度光纖陀螺慣性導航計劃，開始研制三軸旋轉調制系統。2005年，初步研制出產品，光纖陀螺常值漂移為0.00023°/h，2009年第一套正式產品問世。可以對3個軸向的常值漂移，安裝偏角和刻度系數誤差進行有效調制，系統長時間誤差理論上僅僅受到陀螺儀和加速度計隨機游走的影響。

2.4 組合導航技術的發展

二戰時期的羅蘭、臺卡等陸基無線電導航系統可以看做是GPS的發展雛形，1978年2月，美國發射了第一顆GPS衛星，開始進行GPS衛星組網，20世紀末，隨著美國全球衛星導航系統GPS的逐漸組網完善，美國開始展開慣性衛星組合導航研究。之后俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo、中國北斗等全球或區域性衛星系統組網工作緊接著不斷開展，衛星導航、差分衛星導航等精度的不斷提高，慣性衛星組合技術日趨成熟，成為目前應用最廣泛，最主流的組合導航技術。目前慣性衛星組合導航的研究方向主要為提高衛星抗干擾、防欺騙等技術，提高系統可靠性。

慣性/天文組合導航是根據天體在天球上的精確坐標和地球運動規律，利用天體信息修正慣導信息的組合導航系統，目前應用于遠程導彈、戰略轟炸機、空天飛機等武器裝備或系統。1999年科索沃戰爭，美軍出動的B2-A遠程轟炸機裝備了NAS-26慣性天文組合系統，2006年11月，Northrop Grumman公司推出了LN-120G星際導航系統，天文組合導航位置精度900m/18h，航向精度 ，目前服役于美軍RC-135戰略偵察機。

3 我國軍用機載慣性導航技術的發展

3.1 平臺慣性導航技術

1969年，我國航空工業某研究所開始研制我國第一套機載慣導系統523慣導系統，在歷經長達10年左右的技術攻關試驗測試后，523液浮陀螺與液浮加計基平臺式慣導系統研制完成，系統精度為2海里/小時（CEP），主要指標達到國內慣導系統研制的先進水平。之后通過對硬件和可靠性上進行改進，研制了面向某運輸機運的534平臺式慣導系統。

在液浮陀螺之后，我國于1975年左右開始展開對動力調諧陀螺原理樣機的研究，1986年2月，航空工業某所研制的3套563S撓性平臺式機載慣導系統并在安-26飛機上進行裝機試飛，導航精度約2海里/小時，為今后進一步改進國產慣導的研制和引進吸收國外慣導技術打下了良好的基礎，也為國產飛機提供慣導系統配套開辟了良好前景。

1985年開始，我國開始研制裝機使用的慣導563平臺式慣導系統，經過10余年的研制迭代，563系統于1994年被航定委批準設計定型，成為第一個裝備軍機的國產慣導系統，解決了國內軍用機載慣導系統的有無問題。為了提高實戰性能，我國開始著手研制一個性能與美國空軍標準慣導相當的航空慣導系統573慣導系統。1999年，573慣性導航系統設計定型，試飛定位誤差0.77海里/小時，大大提高了慣導系統的實戰性能。

3.2 激光捷聯慣性導航技術

與國外發展潮流相同，激光陀螺及其激光捷聯導航系統是繼撓性器件慣導系統之后的更新換代產品，1995年航空工業某研究所研制出漂移為0.12°/h的單軸抖動激光陀螺實驗室樣機。2000年，我國在此基礎上研制出國產化三軸塞曼激光陀螺組合樣機，研究應用于空空導彈的激光陀螺，拉開了激光陀螺產品的序幕，“九五”末，航空工業某所研制的的5207激光陀螺三個軸的精度優于0.05°/h，單軸精度達到0.03°/h。

2001開始，針對激光陀螺的研究逐漸進入導航主業。2005年高精度抖動激光陀螺5213完成測試驗證，由研制轉向批生產，陀螺工程樣機精度達到0.005°/h，主要應用于593激光捷聯慣導系統，裝備于我國某型強擊機。2009年，小型化的抖動激光陀螺5219、GD116、GD138等研發成功，為我國有人機、無人機等新一代航姿系統提供了性能優異的核心傳感器。此后的五年，抖動激光陀螺成活率取得重大突破、精度水平得以全面提升標志著激光陀螺全譜系已建成。

2012年，航空工業某研究所研制出213J1激光捷聯慣性導航系統，具有慣性/衛星組合導航能力，采用深組合(EGI)方案，使用機上任務系統按隱身要求設計的衛星射頻信號實現“慣性/衛星”組合導航。

3.3 長航時高精度慣性導航技術

2007年，國防科學技術大學研制出了國內第一臺旋轉調制系統，并進行了試驗測試，之后又開展了激光陀螺單軸旋轉調至系統的研究工作，目前已完成位置精度1nm/8h的單軸旋轉調制系統。

此外國內多家單位也先后展開了旋轉調制系統的研究工作，如中船、北航等，2007年，航空工業某研究所也開展了長航時高精度YG19雙軸旋轉調制激光慣性導航系統的研制，目前已擁有了單軸、雙軸、三軸旋轉方案的538新系列旋轉調制激光捷聯衛星導航系統產品譜系，位置精度可以達到500m/8h。

整體上來看，國內機載慣導技術的研究起步晚于國外，目前我國軍用機載慣性導航技術與國外先進水平相比還有較大差距，慣導產品在精度、可靠性與壽命上與霍尼韋爾等公司產品相比還有一段需要追趕的路程。