徐海剛， 裴玉鋒， 劉　沖， 李海軍， 陶　冶

(1北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京 100074； 2. 海軍裝備研究院，北京 100161)

0　引言

當(dāng)前航海慣導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，整體上仍是瞄準(zhǔn)更高精度和更高性價(jià)比這2個(gè)主要目標(biāo)。光纖陀螺慣導(dǎo)在航海領(lǐng)域的全面發(fā)展，繞不開在這2個(gè)主要目標(biāo)上與已成熟應(yīng)用的靜電、激光陀螺航海慣導(dǎo)進(jìn)行全方位的比較。那么，現(xiàn)有成熟的靜電、激光陀螺航海慣導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀如何，與其相比光纖陀螺有何突出特點(diǎn)，這一技術(shù)途徑是否可行以及能否長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展等是擺在我們面前需要深入思考的問(wèn)題。針對(duì)這類問(wèn)題，本文試圖通過(guò)分析比較與試驗(yàn)驗(yàn)證提供一種解決方案[1]。

從理論和工程應(yīng)用上講，航海慣導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展需求，對(duì)處于不同發(fā)展階段的國(guó)家是明顯不同的，對(duì)新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，主要取決于其先進(jìn)性、可行性與付出的代價(jià)之間的權(quán)衡，不能一概而論。例如對(duì)于美國(guó)，經(jīng)過(guò)多年積累，靜電陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)調(diào)制激光慣導(dǎo)產(chǎn)品狀態(tài)已經(jīng)極為穩(wěn)定，后者的生產(chǎn)成本也處于可接受水平，其對(duì)光纖陀螺在航海領(lǐng)域應(yīng)用的積極性表現(xiàn)的相對(duì)保守[2]；對(duì)于法國(guó)，其自身對(duì)航海慣導(dǎo)并無(wú)太高的技術(shù)要求，對(duì)于光纖陀螺航海慣導(dǎo)的大力鼓吹更多來(lái)自商業(yè)考慮；對(duì)于我國(guó)，顯然又是另一番情形。本文盡量從技術(shù)發(fā)展本身來(lái)進(jìn)行討論[3]。

1　國(guó)外情況梳理

本節(jié)重點(diǎn)梳理國(guó)外航海慣導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)，而不詳細(xì)羅列產(chǎn)品或技術(shù)?？v觀航海慣導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀，有以下幾條脈絡(luò)比較明顯。

首先，技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)不僅是精度。早在20世紀(jì)50年代，液浮陀螺精度已經(jīng)達(dá)到0.000015(°)/h[4]；在20世紀(jì)70年代，靜電陀螺慣導(dǎo)也達(dá)到相應(yīng)的精度[5]；而之后發(fā)展的激光慣導(dǎo)、光纖慣導(dǎo)，都尚未達(dá)到這一精度。因此，航海慣導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)不僅是產(chǎn)品的精度，更重要的是既能滿足需求、又可批量制造且價(jià)格可接受。顯然，以WSN-7A/B為代表的旋轉(zhuǎn)調(diào)制激光慣導(dǎo)很好地滿足了這類需求，并且具有相當(dāng)可觀的精度[6]。

其次，旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)不能解決所有問(wèn)題。當(dāng)前多個(gè)領(lǐng)域熱衷于應(yīng)用旋轉(zhuǎn)調(diào)制，但這并不代表該技術(shù)能解決所有問(wèn)題，實(shí)踐證明也存在一定固有缺陷。例如快速對(duì)準(zhǔn)性能未必好，水平翻滾帶來(lái)的誤差難以抑制，定位精度高但姿態(tài)、速度品質(zhì)特性不高等。當(dāng)然，這里并非否定旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，而是說(shuō)，隨著對(duì)性能要求的提高以及慣性儀表技術(shù)的發(fā)展，最優(yōu)的系統(tǒng)解決方案也會(huì)變化[7]。

再次，導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展是螺旋式上升的。在航海導(dǎo)航領(lǐng)域，經(jīng)歷了從穩(wěn)定平臺(tái)(如靜電導(dǎo)航儀)到固定式捷聯(lián)(如MK 39 Mod A)、再到框架式捷聯(lián)(如 WSN-7A/B)的形式演變；隨著光纖陀螺的發(fā)展，固定式的高精度光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)(以法國(guó)Marins為代表)有望成為新的發(fā)展主流[8]；長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，隨著原子陀螺的發(fā)展，穩(wěn)定平臺(tái)式的慣導(dǎo)系統(tǒng)有望重新被使用。沒有一成不變的形式，系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，是慣性儀表技術(shù)、產(chǎn)品成本與可制造性、對(duì)精度的追求等多方面綜合權(quán)衡的結(jié)果[9]。儀表精度難以提高時(shí)，會(huì)犧牲系統(tǒng)復(fù)雜度來(lái)獲取性能；反之，系統(tǒng)形式會(huì)大大簡(jiǎn)化。由此表現(xiàn)出螺旋上升的發(fā)展趨勢(shì)[10]。

最后，對(duì)激光陀螺與光纖陀螺特點(diǎn)的比較應(yīng)該客觀。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，激光陀螺在標(biāo)度因數(shù)、零偏溫度特性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，在成本方面并不比光纖陀螺高；光纖陀螺在隨機(jī)游走特性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，在零偏重復(fù)性方面并不比激光陀螺差[11]。另一個(gè)判斷有待進(jìn)一步考究或試驗(yàn)證實(shí)，即以MK 39 Mod A為代表的固聯(lián)式激光捷聯(lián)慣導(dǎo)也曾獲得廣泛應(yīng)用，但其后至今未再獲得進(jìn)一步發(fā)展，原因可能是其長(zhǎng)期工作或存儲(chǔ)的穩(wěn)定性不如光纖陀螺[12]。

綜上，從國(guó)外情況來(lái)看，航海慣導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展歷史與發(fā)展需求、本國(guó)發(fā)展基礎(chǔ)、慣性儀表發(fā)展情況之間是息息相關(guān)的，不存在一勞永逸的解決問(wèn)題的方案，最優(yōu)方案始終在發(fā)展的路上，當(dāng)前所謂最優(yōu)的方案終究會(huì)被淘汰[13]。

2　新的發(fā)展需求

從武器裝備使用的角度來(lái)看，新的發(fā)展首要需求顯然不是精度問(wèn)題，而是制造與使用維護(hù)性，但這一問(wèn)題又只能依靠采用新的技術(shù)途徑來(lái)解決。因此，航海慣導(dǎo)新的發(fā)展需求主要表現(xiàn)在以下2個(gè)方面：

1)需要發(fā)展定位精度接近或優(yōu)于激光陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)、導(dǎo)航信息特性(速度、姿態(tài)等信息的絕對(duì)誤差和變化率)優(yōu)異的導(dǎo)航系統(tǒng)[14]。

2)需要發(fā)展定位精度接近靜電陀螺導(dǎo)航儀、成本呈量級(jí)降低、使用維護(hù)性(啟動(dòng)時(shí)間、標(biāo)定周期等)顯著提高的導(dǎo)航系統(tǒng)[15]。

為了滿足以上發(fā)展需求，首先需要改進(jìn)或采用新型陀螺儀。近期來(lái)看，光纖陀螺在隨機(jī)游走、零偏長(zhǎng)期穩(wěn)定性、成本、可制造性等方面具有突出的優(yōu)勢(shì)，激光陀螺如能在長(zhǎng)期穩(wěn)定性、隨機(jī)游走方面有所突破，亦是不錯(cuò)的選擇[16]；遠(yuǎn)期來(lái)看，超高精度原子陀螺有望進(jìn)入航海導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域。其次在系統(tǒng)技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新，快速溫控技術(shù)是解決光纖陀螺受溫度變化影響的一條有效途徑；克服剩余陀螺漂移需要在工程應(yīng)用上突破全阻尼技術(shù)；系統(tǒng)形式應(yīng)采用純捷聯(lián)的形式[17]。

綜上，采用超高精度的光纖陀螺研制航海慣導(dǎo)，是滿足當(dāng)前發(fā)展需求的一條很好的途徑。

3　可行性論證

下面從陀螺精度極限、溫控、全阻尼、試驗(yàn)驗(yàn)證等幾個(gè)方面進(jìn)行簡(jiǎn)要的可行性論證。

3.1　陀螺精度極限

對(duì)于長(zhǎng)航時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主要考慮的是光纖陀螺的隨機(jī)游走系數(shù)要小、零偏穩(wěn)定性和零偏長(zhǎng)期重復(fù)性要高[18]。

隨著光纖陀螺技術(shù)的發(fā)展，光纖陀螺這一極限精度及可工程實(shí)現(xiàn)的精度將進(jìn)一步提高，可以支撐超高精度航海慣導(dǎo)的發(fā)展。

3.2　溫控技術(shù)的得失

溫度變化是所有超高精度陀螺的大敵，采用溫控技術(shù)是解決這一問(wèn)題最直接、最有效的技術(shù)途徑。

對(duì)于超高精度慣導(dǎo)及其應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，采用溫控技術(shù)需要增加的體積、質(zhì)量、功耗一般不是太大的問(wèn)題，準(zhǔn)備時(shí)間的延長(zhǎng)是需要重點(diǎn)考量的問(wèn)題。資料顯示，對(duì)于靜電陀螺、三浮陀螺等機(jī)電陀螺來(lái)說(shuō)，溫控穩(wěn)定的時(shí)間在12～36h，陀螺精度才能達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計(jì)極限；而對(duì)于光纖陀螺來(lái)說(shuō)，這一時(shí)間也不會(huì)顯著的縮短，甚至有可能增長(zhǎng)，這是需要重點(diǎn)考量的問(wèn)題之一[21]。

此外，溫度控制的穩(wěn)定性也是關(guān)鍵指標(biāo)之一，對(duì)于10-5(°)/h量級(jí)的光纖陀螺來(lái)說(shuō)，0.1℃量級(jí)的短期波動(dòng)都有可能是致命的影響，這就需要在系統(tǒng)隔熱與溫度控制上下功夫。

3.3　全阻尼技術(shù)

阻尼技術(shù)是航海慣導(dǎo)的核心關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前普遍成熟應(yīng)用的是采用經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)的水平阻尼網(wǎng)絡(luò)，能夠有效地將水平方向的舒拉振蕩消除，從而獲得穩(wěn)定、平滑的姿態(tài)和速度信息，但也僅此而已；方位阻尼網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)存在巨大困難。

研究表明，采用Kalman濾波融合電磁計(jì)程儀與慣導(dǎo)的信息，能夠有效消除水平方向的舒拉振蕩，同時(shí)能夠估計(jì)出或部分估計(jì)出水平方向慣性儀表(主要是陀螺)的誤差，消除其對(duì)應(yīng)的呈地球周期振蕩的誤差，從而有效地提高系統(tǒng)導(dǎo)航精度。舉例說(shuō)明，水平阻尼網(wǎng)絡(luò)僅能消除舒拉振蕩的影響[22]；采用組合導(dǎo)航方案，則可在消除舒拉振蕩的同時(shí)，又可以基于觀測(cè)的舒拉振蕩幅值估計(jì)出水平陀螺漂移，并消除其影響，相當(dāng)于起了2/3方位阻尼的作用，因此可以從本質(zhì)上提高長(zhǎng)航時(shí)的導(dǎo)航級(jí)精度[23]；實(shí)踐表明這至少是可以部分做到的。

應(yīng)用組合導(dǎo)航技術(shù)之后，決定系統(tǒng)精度的核心關(guān)鍵因素就變成了垂向陀螺漂移，如何進(jìn)一步估計(jì)出這一誤差源，是航海慣導(dǎo)系統(tǒng)極具應(yīng)用價(jià)值和挑戰(zhàn)性的一項(xiàng)工作[24]。

3.4　試驗(yàn)驗(yàn)證

采用高精度光纖陀螺，對(duì)以上思路進(jìn)行驗(yàn)證。將慣導(dǎo)系統(tǒng)放置在溫箱內(nèi)，在恒溫條件下進(jìn)行長(zhǎng)航時(shí)導(dǎo)航精度測(cè)試。測(cè)試時(shí)間持續(xù)17d，整個(gè)過(guò)程中光纖陀螺數(shù)據(jù)曲線及溫度曲線分別如圖1、圖2所示。

可以看出，整個(gè)過(guò)程陀螺溫度變化峰峰值在0.4℃左右；盡管陀螺輸出變化峰峰值在0.001(°)/h左右，但其長(zhǎng)周期平均的零偏穩(wěn)定性為0.0002(°)/h。另外，從2條曲線對(duì)比可以看出，陀螺輸出變化與溫度有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)精密溫控與補(bǔ)償有望進(jìn)一步提高陀螺輸出精度。

試驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)位置誤差如圖3所示，北向位置誤差最大值為1500m，東向位置誤差最大值為4500m。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在溫控條件下，光纖慣導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)定位精度能夠達(dá)到1.0nmile/10d。通過(guò)進(jìn)一步提高溫控精度及溫度誤差補(bǔ)償精度，導(dǎo)航精度有望達(dá)到1.0nmile/20d，甚至1.0nmile/30d。

另外，測(cè)試發(fā)現(xiàn)，陀螺溫度穩(wěn)定大概需要6～8h，但陀螺輸出穩(wěn)定要在20h以上，因此如何加快溫控穩(wěn)定時(shí)間是后期工程應(yīng)用中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題[25]。

4　展望

本文針對(duì)航海導(dǎo)航領(lǐng)域?qū)T性技術(shù)發(fā)展的新需求，總結(jié)了國(guó)外航海慣導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展歷程，分析了光纖陀螺慣導(dǎo)在航海領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)劣勢(shì)以及關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)有以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)航海慣導(dǎo)技術(shù)不存在一勞永逸的解決方案，最優(yōu)方案始終在發(fā)展進(jìn)步；

2)采用超高精度的光纖陀螺研制航海慣導(dǎo)，是滿足當(dāng)前發(fā)展需求的一條很好的途徑；

3)溫控光纖是目前實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)航時(shí)高精度導(dǎo)航的一種優(yōu)選方案。

[1]Ishibashi S, Tsukioka S, Sawa T, et al. The rotation control system to improve the accuracy of an inertial navigation system installed in an autonomous underwater vehicle[C]//2007 Symposium on Underwater Technology and Workshop on Scientific Use of Submarine Cables and Related Technologies. IEEE, 2007: 495-498.

[2]Tucker T, Levinson E. The AN/WSN-7 B marine gyrocompass/navigator[C]//2000 Proceedings of the ION NTM. Anaheim, 2000: 348-357.

[3]Titterton D H，Weston J L．Strapdown Inertial navigation technology(2ndEdition)[M]．Copublishedby the American institute of Aeronautics and Astronautics and the Institution of Electrical Engineers, 2004: 453-456．

[4]Feng S, Yongli C, Yueyang B, et al. Azimuth rotation experiment and analysis for fiber-optic gyroscope strapdown system[C]//2009 International Conference on Information Technology and Computer Science. IEEE, 2009: 141-144.

[5]Sun F, Sun W, Wu L. Coarse alignment based on IMU rotational motion for surface ship[C]//2010 IEEE/ION Position Location and Navigation Symposium (PLANS). IEEE, 2010: 151-156.

[6]Chang G, Xu J, Li A, et al. Error analysis and simulation of the dual-axis rotation-dwell autocompensating strapdown inertial navigation system[C]//2010 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation (ICMTMA). IEEE, 2010: 124-127.

[7]Liu X, Deng Z H, Wang B, et al. Transfer alignment method under uncertain flexure deformation based on multiple model filtering[J]. Systems Engineering and Eletronics, 2013,35(10): 2145-2151.

[8]趙龍, 胡少波, 紀(jì)文濤. 光纖慣組溫度補(bǔ)償模型和測(cè)試技術(shù)研究[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2016,348(4):39-43.

[9]Liu Y, Yang G, Yin H. Temperature compensation for fiber optic gyroscope based on dual models[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2015, 23(1): 132-136.

[10]劉元元, 楊功流, 李思宜. BP-AdaBoost模型在光纖陀螺零偏溫度補(bǔ)償中的應(yīng)用[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 40(2):235-239.

[11]Paturel Y, Honthaas J, Lefèvre H, et al. One nautical mile per month FOG-based strapdown inertial navigation system: a dream already within reach?[J]. Gyroscopy and Navigation, 2014, 5(1): 1-8.

[12]徐海剛, 郭元江, 李志峰,等. 旋轉(zhuǎn)調(diào)制光纖陀螺慣導(dǎo)尋北精度探索[J]. 導(dǎo)航定位與授時(shí), 2015, 2(3):11-15.

[13]郭元江, 錢江, 徐海剛,等. 艦載武器捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)極地傳遞對(duì)準(zhǔn)算法[J]. 導(dǎo)航定位與授時(shí), 2015, 2(3):23-28.

[14]吳衍記. 高精度光纖陀螺發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)策[J]. 導(dǎo)航定位與授時(shí), 2015, 2(4):53-57.

[15]劉沖, 孫凱麗, 李海軍,等. 雙軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)軸系間安裝偏差角的標(biāo)校方法[J]. 導(dǎo)航定位與授時(shí), 2015, 2(1):1-5.

[16]鄭辛, 武少偉, 吳亮華. 導(dǎo)彈武器慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)綜述[J]. 導(dǎo)航定位與授時(shí), 2016, 3(1):1-8.

[17]Hays K M, Schmidt R G, Wilson W A, et al. A submarine navigator for the 21stcentury[C]//2002 IEEE Position Location and Navigation Symposium. IEEE, 2002: 1451-1460.

[18]Morrow R B, Heckman D W. High precision IFOG insertion into the strategic submarine navigation system[C]//IEEE 1998 Position Location and Navigation Symposium. IEEE, 1998: 118-123.

[19]Yang Y, Miao L J. Fiber-optic strapdown inertial system with sensing cluster continuous rotation[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2004, 40(4): 1173-1178.

[20]Levinson E, Majure R. Accuracy enhancement techniques applied to the marine ring laser inertial navigator (MARLIN)[J]. Navigation, 1987, 34(1): 64-86.

[21]Rice H, Mendelsohn L, Aarons R, et al. Next generation marine precision navigation system[C]// IEEE 2000 Position Location and Navigation Symposium. IEEE, 2000: 233-247.

[22]Hibbard R, Wylie B, Levison E. Sperry marine MK-49, The world’s best ring laser gyro ship’s inertial navigation system[C]//Proceedings of the JSDE. Orlando,1996: 1-7.

[23]Wu J, Huang D, Tan Z. Research on errors self-estimation of INS in motion base[C]//Proceedings of the 3rdWorld Congress on Intelligent Control and Automation. IEEE, 2000: 2084-2087.

[24]Goshen-Meskin D, Bar-Itzhack I Y. Unified approach to inertial navigation system error modeling[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1992, 15(3): 648-653.

[25]Wei G, Li G, Wu Y, et al. Application of Least Squares-Support Vector Machine in system-level temperature compensation of ring laser gyroscope[J]. Measurement, 2011, 44(10): 1898-1903.