吉雨冠（七○八研究所 上海 200011）

程榮濤（海裝武漢局湖北 武漢 430060）

深?？臻g站導航技術初探

吉雨冠（七○八研究所 上海 200011）

程榮濤（海裝武漢局湖北 武漢 430060）

深?？臻g站；導航技術；光纖陀螺

船舶科技發(fā)展“十一五”規(guī)劃綱要中，超前布置了包括深?？臻g站等10項代表船舶科技發(fā)展方向的重大關鍵技術。而導航技術的研究是深?？臻g站保障系統(tǒng)中一個主要內(nèi)容，基于光纖陀螺（FOG）的慣導技術（INS）的開發(fā)和利用具有十分重要的現(xiàn)實意義。

0 引言

隨著各國經(jīng)濟的發(fā)展，海洋資源的爭奪日趨激烈，海洋安全、維權的重要性日益凸顯。我國是海洋大國，無論近海還是深遠海的利用都遠遠落后于發(fā)達國家。船舶科技發(fā)展“十一五”規(guī)劃綱要中，超前布置了包括深海空間站關鍵技術在內(nèi)的10項代表船舶科技發(fā)展方向的重大關鍵技術，增強了開展深?？臻g站研究的責任感和緊迫感。

在上海市造船工程學會主辦的“2010年中國國際海洋工程發(fā)展論壇”上，專家再次呼吁，應充分發(fā)揮“官、產(chǎn)、學、研、用”結(jié)合的模式，向目前我國船舶工業(yè)最薄弱的深海技術進軍。在國家已經(jīng)初步認定海工裝備作為新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的基礎上，把“深?？臻g站”作為重大科技工程，能夠列入“十二五”發(fā)展規(guī)劃中。

1 深海空間站簡介

深海裝備由于要適應其所處的深海（目前定義為500 m）復雜、嚴酷環(huán)境，在技術發(fā)展上與其他海洋裝備相比有許多特異之處。軍民用深海裝備在技術發(fā)展上各有側(cè)重，同時，許多深海裝備技術呈現(xiàn)出良好的軍民共用性。近年來軍、民用領域?qū)ι詈Ｑb備技術日益增長的需求以及深海裝備技術良好的軍民共用性極大地促進了深海裝備技術的發(fā)展，使深海裝備技術成為當前及未來較長一段時期非常值得關注的前沿技術領域。

深海裝備的種類繁多，主要包括大深度潛艇、移動式載人深海空間站、固定式居住型深海空間站、固定式無人深海空間站、載人潛器（包括系纜潛器，浮力艙式潛器和自由自航潛器）、無人潛器（包括遙控潛器和智能潛器）、深海探測裝備、深海導航裝備、深海通信裝備、深海作業(yè)工具等。

美國的深?？臻g站計劃源自康涅狄格州的國家水下研究中心主管庫伯教授，其目前正在醞釀世界上第一個深海生活—工作實驗室——海洋大氣海底綜合研究基地。該海洋基地將成為世界上第一個深海研究設備，它將處于水下139.7m的大陸架上，占地2 580m2，分三部分：水上上層建筑部分、中部和海底基地。一個水密的柱式電梯將往返實驗室和居室之間。

海洋基地研究的內(nèi)容將涉及：氣候變化研究、海水—空氣交換、生態(tài)系統(tǒng)模型確認、監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)、居住研究、海上水產(chǎn)業(yè)、人在極限環(huán)境下的反應等等。

美國海軍1969年就投入使用了NR-1核動力潛器，潛水深度914 m。21世紀美國提出了深海研究平臺的新要求。母船平臺必須能夠秘密獨立地航行到任務目的地，執(zhí)行所定的任務，包括布放、回收和支持潛器，并且在這期間不需要其他船舶的支持。

2 用于海洋平臺的導航技術

現(xiàn)代導航已隨著科學技術，如超音速飛機、核動力潛艇、宇航飛行和運輸事業(yè)等的發(fā)展而得到了驚人的發(fā)展。從概念上講，現(xiàn)代導航已不再只是作為運動體安全可靠地到達目的地的保障手段，而包含著全天侯覆蓋、自動駕駛、著陸引導、進港拋錨、交通管制、武器制導、電子對抗，以及諸如偵察、反潛、拍照、協(xié)同作戰(zhàn)……等特殊應用的要求。它是一門與電波傳播、電子計算機、信息論、自動控制論、系統(tǒng)工程等多種新興技術密切相關的綜合性高技術。

用于海洋平臺的導航技術有：羅蘭-C、GPS、北斗、慣性導航（INS）等。羅蘭－C（Loran－C）系統(tǒng)是一種低頻脈沖相位雙曲線遠程導航系統(tǒng)，定位精度≤0.25~1.25 n·mile（當S/N=1∶3，羅蘭C臺鏈有效地波覆蓋區(qū)）；GPS（Global Positioning System）——全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是利用空中衛(wèi)星為基礎的無線電導航系統(tǒng)。它能在全球范圍內(nèi)，全天候連續(xù)地提供高精度三維位置、三維速度和精密的時間信息，定位精度：≤100 m（2D、SA,、HDOP≤2條件下）；北斗定位系統(tǒng)，是我國自主研制的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，定位精度：≤100m。

以上三種導航技術基本可以滿足水上海洋平臺的使用要求，但對于水下的海洋平臺（如潛艇、深?？臻g站）由于無線電波的迅速衰減，而無法使用。目前，潛艇的水下導航主要利用慣性導航（INS）系統(tǒng)，航向精度：≤1.5′、4 h（RMS）,航程解算精度≤0.5%。

3 基于光纖陀螺（FOG）的慣導技術

3.1 慣導技術的發(fā)展

隨著航海的發(fā)展，19世紀后半葉就出現(xiàn)了鋼制輪船，由于磁羅盤無法保證鋼質(zhì)輪船的導航精度，容易發(fā)生海難事故，更無法在潛艇中使用，從而促進了陀螺儀在航海中的應用。

第二次世界大戰(zhàn)期間，德國的V-2導彈使用陀螺儀和加速度計進行測量定位，形成了慣性制導的雛形。雖然受到當時技術和工藝水平的限制，它的導航定位精度還比較低，結(jié)構(gòu)也不完善，但這卻是慣性制導在工程上開創(chuàng)性的應用。

第二次世界大戰(zhàn)以后，美國和蘇聯(lián)都投入了大量的人力和物力開展慣導系統(tǒng)的研制工作。50年代，由于技術和工藝的進步以及電子計算機的發(fā)展，為比較完善的慣導系統(tǒng)的工程實現(xiàn)提供了較好的物質(zhì)條件。美國首先在陀螺精度上取得突破，麻省理工學院（MIT）儀表實驗室研制慣性級精度的液浮陀螺儀。1954年，慣導系統(tǒng)在飛機上試飛成功。1958年，“魟魚”號潛艇從珍珠港附近潛入深海，依靠慣導系統(tǒng)穿越北極到達英國波蘭港，歷時21天，航程8 146m。這表明慣性導航（INS）技術在50年代已經(jīng)趨于成熟。

從50年代末至60年代初，以液浮陀螺儀、氣浮陀螺儀和動力諧調(diào)陀螺儀構(gòu)成的平臺式慣導系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，并大量裝備各種飛機、艦船、導彈和航天飛行器；70年代，以靜電陀螺儀構(gòu)成的高精度平臺式慣導系統(tǒng)開始步入實用。由于科技的進步，激光陀螺達到慣性級精度，還相繼出現(xiàn)了光纖陀螺和半球諧振陀螺儀；80年代，以激光陀螺儀和光纖陀螺儀構(gòu)成的捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)獲得了工程應用，這是慣性導航（INS）技術發(fā)展進程中又一個重要的里程碑。

3.2 光纖陀螺（FOG）的現(xiàn)狀

光纖陀螺儀作為繼激光陀螺儀之后出現(xiàn)的新一代陀螺，各國的研制工作已經(jīng)取得了重大的進展。光纖陀螺儀的研制對慣性導航（INS）和控制領域十重要，隨著計算機、微電子和光纖技術的發(fā)展和應用，它將取代傳統(tǒng)的機械陀螺和平臺慣導系統(tǒng)。

光纖陀螺儀與傳統(tǒng)的機械陀螺儀相比，優(yōu)點是全固態(tài)，沒有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件，壽命長，動態(tài)范圍大，瞬時啟動，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕；與激光陀螺儀相比，光纖陀螺儀沒有閉鎖問題，也不用在石英塊精密加工出光路，成本低。

光纖陀螺儀按原理上分類，可以分為：干涉儀式、諧振腔式和光纖型環(huán)型激光陀螺儀。

干涉儀式光纖陀螺儀按照光路的組成又可以分為：消偏型、全光纖型和集成光學型。

諧振腔式光纖陀螺儀按照光路的組成又可以分為：全光纖型和集成光學型。

光纖型環(huán)形激光陀螺儀是一種利用光纖環(huán)形腔中的受激布里淵散射的方向性增益效應來實現(xiàn)利用Saganc效應檢測諧振速率，其原理與激光陀螺儀完全相似。由于無需復雜的調(diào)制解調(diào)檢測技術，國際上倍受重視。

美國的光纖陀螺研制單位有：利頓公司、霍尼威爾公司、德雷泊實驗室公司、斯坦福大學以及光纖傳感技術公司等。以利頓公司為例：1988年研制出SCIT實驗慣性裝置，慣件器件是光纖陀螺和硅加速度計；1989年公司研制的CIGIF論證系統(tǒng)飛行試驗裝置；1991/1992年研制出用于導彈和姿態(tài)與航向參考系統(tǒng)的慣性測量系統(tǒng)。1992年研制出GPS/INS組合導航系統(tǒng)。

日本研制光纖陀螺的單位有東京大學尖端技術室、日立公司、住友電工公司、三菱公司、日本航空電子工業(yè)公司。在日本，光纖陀螺作為汽車的旋轉(zhuǎn)速率傳感器已進入市場。利用光纖陀螺儀進行導航，用車輪轉(zhuǎn)速計傳感器測移動距離，用光纖陀螺測量車體的回轉(zhuǎn)，同時采用圖像匹配、GPS系統(tǒng)等配合計算汽車的位置和方位，顯示在信息處理器上。

俄羅斯的光纖陀螺有全光纖型和集成光學型。全光纖型是把所有的光纖器件都做在同一根光纖上。Fizoptika公司研制的光纖陀螺已經(jīng)商品化，產(chǎn)品型號有：VG949、VG941B等。

我國也非常重視光纖陀螺技術的研究，上世紀80年代后,許多大學和研究所相繼啟動光纖陀螺的研發(fā)項目，如航天工業(yè)總公司所屬13研究所和上海803研究所、哈爾濱工程大學、北京航空航天大學、清華大學、浙江大學等，也取得了一定的成績，如1996年，航天總公司13所成功研制采用Y分支多功能集成光路、零偏穩(wěn)定性達全數(shù)字閉環(huán)保偏光纖陀螺，浙江大學和Honeywell公司幾乎同時發(fā)現(xiàn)利用消偏可提高精度等。國內(nèi)的光纖陀螺研制水平雖然與國際水平有一定距離，但已具備或接近中、低精度要求。

3.3 基于光纖陀螺（FOG）的慣導技術

慣性導航（INS）也存在一個問題：其誤差會隨著時間積累——工作時間越長，誤差越大。深?？臻g站或潛艇往往要在水下航行幾天、幾十天甚至幾個月，這個累計誤差不可小覷。所以，關鍵的技術難點，還是陀螺儀的精準度。因此，運用于導航系統(tǒng)的陀螺儀，是非常精密、復雜的器件。把一個機械陀螺的漂移誤差做到小于每小時千分之一度或萬分之一度，絕非易事?，F(xiàn)在比較先進的光纖陀螺儀已經(jīng)達到0.01度/小時，比較典型的光纖陀螺應該具有量程寬、精度高、響應快、靈敏度高、模擬和數(shù)字輸出、堅固可靠、不受電磁與震動影響等特點.因此光纖陀螺已成為準確控制和高精度角速度測量的首選應用。

基于光纖陀螺（FOG）的慣導技術需要突破的主要技術分為三個方面：

a）光纖陀螺（FOG）精準度的改進提高

靈敏度消失、噪聲和光纖雙折射引起的漂移是影響光纖陀螺（FOG）精度的三個主要因素。在旋轉(zhuǎn)速率接近0時，靈敏度會消失。這是由于檢測器中的光密度正比于Saganc相移的余弦量所引起。光纖陀螺儀的噪聲是由于瑞利背向散射引起的，為了達到低噪聲，應采用小相干長度的光源。如果兩束相反傳播的光波在不同的光路上，就會產(chǎn)生光纖雙折射飄移。

b）系統(tǒng)設計采用冗余技術

冗余技術是指當系統(tǒng)無故障時取消這些冗余措施不會影響系統(tǒng)正常運行。常用的冗余方法有硬件冗余、軟件冗余、信息冗余、時間冗余、解析冗余及幾種冗余技術的綜合應用，冗余技術應用可以提高慣導的精準度。

可以確保導航信息的使用精度；

在設備存在軟故障而引起較大的導航輸出信息誤差的情況下，可以準確而及時地進行故障判定和切換，從而排除故障信息，保證導航信息的使用安全性；

根據(jù)故障信息的特征，實現(xiàn)故障診斷，保證系統(tǒng)的有效性；

根據(jù)慣性組合導航系統(tǒng)不同工作方式的誤差傳播特性，利用冗余信息建立系統(tǒng)誤差和誤差源之間的求解方程組，實現(xiàn)對誤差源的估算、修正和補償，以延長系統(tǒng)的重調(diào)時間，提高系統(tǒng)輸出導航信息的精度。

c）慣性組合導航積累誤差補償及修正

慣性導航（INS）原理上存在的長時間積累誤差決定了必須尋找有效手段加以補償,利用北斗導航定位信息或多卜勒導航信息進行修正，是提高INS性能重要手段之一。

4 結(jié)語

導航技術的研究是深?？臻g站保障系統(tǒng)中一個主要內(nèi)容。哈爾濱工程大學基于光纖陀螺（FOG）慣導技術（INS）的研究已持續(xù)了很多年，預計在未來3~5年內(nèi)，高精度光纖陀螺捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)將達到實用狀態(tài)。這一技術的開發(fā)和利用具有十分重要的現(xiàn)實意義。

［1］曾恒一，李清平，吳應湘.開發(fā)深海資源的海底空間站技術［D］.2006年度海洋工程學術會議論文集.中國造船.

［2］王洪志，周君益，韓恩權.光纖陀螺在潛艇導航中的應用分析［J］.現(xiàn)代科學儀器，2004（01）.

［3］王珍熙.可靠性、冗余及容錯技術［M］.航空工業(yè)出版社，1991.

［4］錢華明，袁贛南.分布式數(shù)據(jù)總線及其在慣性組合導航系統(tǒng)中的應用［J］.中國慣性技術學報，1997，5（4）.

［5］郭素云.陀螺儀原理及應用［M］．哈工大出版社，1985.

The navigation technique for the deep-sea space station

Ji Yuguan Cheng Rongtao

deep-sea space station；navigation technique；optical fiber gyro

The“eleven-5th”ship technology development planning compendium has assigned ten key technologies，which representing the development trend of the ship technology，including the deep-sea space station.Moreover，the navigation technique is a main content in the deep-sea space station logistics system，and the development and application of the optical fiber gyro（FOG）and inertial navigation system（INS）have very important practical significance.

U666.1

A

1001-9855（2011）01-0048-04

2010-11-17

吉雨冠（1959.01-），男，漢族，高級工程師，主要從事通信導航研究設計工作。

程榮濤（1975.12-），男，漢族，工程師，主要從事通信導航研究設計工作。