慣性導航：永不停轉的“指南針”

2024年法國巴黎軍警防務展期間，美國慣性實驗室公司展示了INS-FI新型GPS輔助慣性導航系統。這一系統采用戰術級光纖陀螺儀技術，在全球導航衛星系統信號拒止環境下，其高性能光纖陀螺儀的慣性測量誤差小于0.5°，地面應用定位誤差約為行進距離的0.1%。這一新系統再次證明了慣性導航系統的穩定性與可靠性。

作為20世紀人類一項重要發明，慣性導航憑借不可替代的優勢，成為現代導航體系的穩固基石。目前，世界上幾乎所有的大型艦艇、潛艇和戰機都配備了慣性導航系統。

在眾多導航手段中，慣性導航有什么獨特的優勢，目前發展如何，未來又有哪些應用前景？

為遨游海天提供可靠保證

走在陌生的城市中，我們可以通過路邊的地標來確定前進的方向。那么，火箭飛行在茫茫太空中，如何確定方向？

這離不開一項重要的技術——慣性導航。

所謂慣性導航，就是基于牛頓力學原理，利用載體自身的慣性特性進行導航定位的技術。這離不開兩個核心部件：陀螺儀和加速度計。

陀螺儀又稱角速度傳感器，負責感知并跟蹤載體的角運動，確保在任何旋轉或傾斜的情況下都能準確指向固定的方向。而加速度計則像是一位敏感的“速度監測員”，測量載體沿各個方向的線性加速度，為計算速度和位置提供基礎數據。方向有了，速度有了，此時的慣性導航系統更像是一種小型計算機，通過對這些測量值進行連續計算，就能繪制出載體的運動軌跡，實現高精度的導航定位。

相較于衛星導航、無線電導航等，慣性導航在“導航家族”中具有獨特的優勢和不可替代的作用。

首先，高度的自主性讓慣性導航在惡劣環境中仍能正常工作，為軍事行動中的隱蔽性和突然性提供有力保障。在俄羅斯海軍“白熊-2021”任務期間，3艘俄羅斯戰略導彈核潛艇同時完成破冰出水任務。潛艇能在環境惡劣的北極冰層下長時間航行并到達指定地點，依靠的就是慣性導航的自主性。

其次，慣性導航能夠提供高精度、連續的航向、姿態、速度和位置信息。在一些精確打擊任務中，如海上使用艦炮或導彈對敵方目標進行打擊，慣性導航系統提供的定位信息往往更為具體、詳細，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，慣性導航系統的可靠性在各種導航系統中首屈一指。在軍事行動中，如果衛星導航系統受到敵方干擾或破壞，依賴衛星導航的裝備就會失去導航能力；無線電導航技術要求飛機等裝備必須與地面設備保持聯通，一旦地面設備損壞或受到電磁干擾，裝備會成為“睜眼瞎”。慣性導航系統不依賴外部信號，不易受無線電干擾，等于在茫茫海天間為裝備裝上了一個永不停轉的“指南針”。

從機械時代到光學紀元

根據慣性導航系統內部的陀螺儀來劃分，慣性導航系統經歷了機電式陀螺慣性導航、光學陀螺慣性導航，以及集成光學陀螺慣性導航等發展階段。

機電式陀螺慣性導航的發展可以追溯到20世紀中葉。初代慣性導航系統內部的陀螺儀利用軸承和滾珠來支撐陀螺轉子，系統容易受到外部振動信號的干擾，并且陀螺轉子與支承結構之間也很容易產生摩擦。這個時期，機電式陀螺慣性導航精度相對較低，對定位誤差的影響非常明顯。

20世紀70年代，美國MX導彈使用了液浮、氣浮和磁懸浮3種支承結構來提升慣性導航的精度。這種結構減小了慣性導航系統內部的機械噪聲，大大延長了其工作壽命，陀螺精度顯著提高。

20世紀80年代，世界各國相繼展開靜電陀螺的研制，傳統機電式慣性導航進入一個新的發展階段。靜電陀螺慣性導航內的陀螺儀利用靜電場吸力來支撐球形轉子，能夠最大限度減小摩擦。在理想條件下，靜電陀螺轉子不受任何外力作用，其主軸將永遠保持不動，可作為精密導航與定位的參照物。這等于在儀器艙內建造了一顆“人工恒星”，從而將漂移誤差系數降到極低的水平。

靜電陀螺慣性導航能夠顯著提高武器裝備的隱蔽性，特別適用于長時間工作的場合，因此在核潛艇中得到廣泛應用。例如美軍的三叉戟級核潛艇就使用了靜電陀螺慣性導航，潛艇獲取定位校正信號的時間成功延長到40天以上。

激光技術出現后，光學陀螺慣性導航成為最有發展前景的慣性導航系統之一。光學陀螺慣性導航通過激光干涉實現角運動的精確測量，同時取消高速旋轉的機械轉子，結構得到極大的簡化。

20世紀90年代，一家美國公司研發出一款AN/WSN-7A型環形激光陀螺慣性導航系統，它采用新型的雙軸旋轉技術，14天內定位誤差不超過1海里。它還進行了相應改造，更加適合潛艇水下使用。美海軍洛杉磯級、海狼級和弗吉尼亞級潛艇使用的就是這種慣性導航系統。

在20世紀末，光纖陀螺慣性導航越來越受到各國軍方的青睞。相較于激光陀螺儀，光纖陀螺以光纖線圈構成環形光路，具有更小的體積、更輕的質量、更低的成本，以及沒有運動部件等優點，是一種真正的全固態裝備，探測精度也進一步提升。比如法國的Geonyx光纖陀螺慣性導航系統，就被廣泛應用于北約國家的自行火炮等武器系統中，以提供重要的定位和導航支持。

進入21世紀，光纖陀螺慣性導航開始向集成化方向發展，其具體目標是將光纖陀螺儀中除光源和探測器以外的其他光路器件集成在一個芯片上。芯片級尺寸的集成光學慣性導航有望在軍事、航空航天、深海探測、自動駕駛等多個領域發揮重要作用。如果光纖陀螺慣性導航系統的體積繼續減小，或許未來有一天，普通的炮彈都可以實現制導化。

量子慣性導航未來可期

隨著量子技術的飛速發展，量子慣性導航正成為慣性導航領域的新生力量。量子慣性導航的結構與傳統慣性導航系統基本一致，主要由原子陀螺儀、原子加速度計、原子鐘和信號采集處理單元等部分構成。

量子慣性導航的核心在于利用量子效應進行高精度測量。例如，某些量子傳感器能夠利用超冷原子的量子干涉現象來精確測量微小的角運動和加速度變化。這種測量方式不僅精度高，而且不易受外界干擾，這使得量子慣性導航系統在復雜環境中依然能夠保持卓越的性能。

采用量子技術能顯著提高導航精度，有望實現厘米級甚至更高精度的定位，其精度之高令傳統機電式陀螺儀和光學陀螺儀難以企及。量子慣性導航可為無人艇、無人潛航器，尤其是執行水下偵察、布雷、反潛作戰、遠洋巡邏等任務的深潛器，提供長時間自主航行的可能。

各類型產品中，核磁共振陀螺儀慣性導航系統是短期內最有望推廣應用的產品，其內部的冷原子干涉加速度計和陀螺儀展現出極高的精度，可能在未來成為高精度慣性導航領域的主流技術。目前，核磁共振陀螺儀已經進入芯片化產品研發階段。

今天，國內外多家科研機構和企業正積極投入量子慣性導航的研發工作，以期打破傳統慣性導航技術的性能瓶頸。

2024年1月，法國和德國共同開發了一個項目，計劃2030年在衛星上裝載量子加速度計，旨在從太空準確繪制地球引力圖。

2024年5月，英國科學、創新與技術部（DSIT）宣布，由多家科技公司組成的聯盟，已在飛機上成功演示基于量子的慣性導航系統。這標志著量子導航技術向實際應用邁出重要一步。

由于量子慣性導航系統需要復雜的激光冷卻、電磁控制等裝置，導致其體積龐大，目前還處于基礎實驗研究階段。雖然技術還未完全成熟，但可以預見，憑借無與倫比的精度，量子慣性導航必將在不久的將來大放異彩。

（文章轉載自《解放軍報》2024-10-18 第11版）