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        慣性導(dǎo)航技術(shù)的新進展及其發(fā)展趨勢

        2019-10-21 08:33:58任賜杰
        科學(xué)大眾 2019年4期
        關(guān)鍵詞:發(fā)展趨勢

        任賜杰

        摘 ? 要:慣性導(dǎo)航技術(shù)自20世紀(jì)30年代被提出以來得到迅速發(fā)展,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和相關(guān)傳感器元器件技術(shù)不斷完善。人們希望進一步提高系統(tǒng)的可靠性,從而降低成本、提升導(dǎo)航性能。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)向著小型化、功能化的方向發(fā)展,文章主要針對慣性導(dǎo)航技術(shù)進行分析,在解析慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上,分析慣性導(dǎo)航技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用的影響因素,提出慣性導(dǎo)航技術(shù)未來的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢。

        關(guān)鍵詞:慣性導(dǎo)航技術(shù);應(yīng)用領(lǐng)域;發(fā)展趨勢

        慣性導(dǎo)航技術(shù)作為一項綜合性技術(shù),不僅涉及精密機械、微電子等學(xué)科,還涉及計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)以及光學(xué)、材料等領(lǐng)域。近年來對慣性導(dǎo)航技術(shù)的需求急劇增長,計算機技術(shù)、傳感技術(shù)、自動化控制技術(shù)的發(fā)展也為慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展提供了基礎(chǔ),推動慣性導(dǎo)航技術(shù)不斷發(fā)展。

        1 ? ?慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展歷程

        慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展分為4個階段,具體歷程如圖1所示。

        1.1 ?第一代慣性導(dǎo)航技術(shù)

        20世紀(jì)30年代之前的慣性導(dǎo)航技術(shù)屬于第一代慣性導(dǎo)航技術(shù)范疇。1687年,慣性導(dǎo)航技術(shù)在牛頓三大定律的基礎(chǔ)上發(fā)展起來,1852年,人們第一次提出陀螺的概念,分析了其原理并對其應(yīng)用進行了展望。1908年,安修茨(Hermann Anschütz-Kaempfe)研制出擺式陀螺,這也是第一臺該種類型儀器。1910年,舒勒(Max Schuler)進一步發(fā)展慣性導(dǎo)航技術(shù),提出調(diào)諧原理。第一代慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展為整個慣性導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

        1.2 ?第二代慣性導(dǎo)航技術(shù)

        20世紀(jì)40年代第二代慣性導(dǎo)航技術(shù)是和火箭發(fā)展同步興起的,其不再局限于單純的慣性導(dǎo)航技術(shù),隨之,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)。慣性導(dǎo)航技術(shù)最早應(yīng)用于德國V-II火箭,這也是慣性導(dǎo)航技術(shù)的首次應(yīng)用。20世紀(jì)50年代中期,0.5 n mile/h的單自由度液浮陀螺平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)被提出并研制成功。經(jīng)過20年建設(shè),0.005 ?/h的G6B4型動壓陀螺于1968年提出并研制成功。在技術(shù)理論研究方面也取得了重大突破,典型代表是支承懸浮技術(shù)和激光技術(shù)(1960年)、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航(Strapdown Inertial Navigation System,SINS)理論,這些技術(shù)和理論基礎(chǔ)的發(fā)展均為慣性技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

        1.3 ?第三代慣性導(dǎo)航技術(shù)

        20世紀(jì)70年代,新型加速度計、陀螺儀的出現(xiàn)推動了新型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System,INS)的興起,正式進入第三代導(dǎo)航技術(shù),新型慣性導(dǎo)航設(shè)備和技術(shù)不斷發(fā)展要求進一步提高INS性能。這一期間各種類型的陀螺發(fā)展理論提出,不同陀螺具有不同特征,靜電陀螺(Electrostatic Gyroscope,ESG)漂移達10~4 ?/h,動力調(diào)諧陀螺(Dynamic Tuned Gyroscope,DTG)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單的特征,漂移量級可達0.01 ?/h,環(huán)形激光陀螺(Ring Laser Gyro,RLG)和干涉式光纖陀螺(Interferometric fiber optic gyroscope,IFOG)主要應(yīng)用于民航領(lǐng)域。另外,以粒子陀螺、超導(dǎo)體陀螺以及固態(tài)陀螺為代表的新興陀螺儀表也開始出現(xiàn)并逐漸得到應(yīng)用。在20世紀(jì)80年代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的背景下,微機電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)開始興起。

        1.4 ?第四代慣性技術(shù)

        新型慣性技術(shù)(21世紀(jì))作為第四代慣性技術(shù)發(fā)展階段,具有高可靠性、高精度、小型化、數(shù)字化、低成本的特征,新型慣性技術(shù)的發(fā)展推動了導(dǎo)航系統(tǒng)的進一步發(fā)展。陀螺儀精度不斷提高,新型固態(tài)陀螺儀也不斷成熟,具有代表性的RLG,F(xiàn)OG,MEMS等新型固態(tài)陀螺儀的偏移量可達10~6 ?/h;數(shù)字計算機技術(shù)的發(fā)展進一步推動了SINS的發(fā)展,短期中精度、低成本特征顯著,呈現(xiàn)出取代平臺式系統(tǒng)的趨勢。在整個慣性技術(shù)發(fā)展過程中,大量的科研機構(gòu)以及實驗室作出了極大貢獻。

        2 ? ?慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展及設(shè)計的主要影響因素

        2.1 ?成本性能及導(dǎo)航性能滿足需求

        慣性導(dǎo)航技術(shù)具有顯著特征,最顯著的特征和特性指標(biāo)是導(dǎo)航性能以及成本價格。對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)而言,價格成本不僅局限于系統(tǒng)本身的成本,還涉及慣性系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的維護保養(yǎng)成本等。導(dǎo)航性能的最主要指標(biāo)是精確性,另外還包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的易操作性以及連續(xù)完整性。因此,在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用過程中,需要結(jié)合實際需求,明確系統(tǒng)導(dǎo)航性能需求,保證其性能優(yōu)越性。同時還應(yīng)該充分考慮慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的成本和價格,使價格合理。

        2.2 ?應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性

        慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中會因為應(yīng)用領(lǐng)域的不同而導(dǎo)致應(yīng)用環(huán)境的巨大差異,在設(shè)計應(yīng)用過程中必須充分考慮應(yīng)用環(huán)境的實際情況,將應(yīng)用環(huán)境和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計相結(jié)合,包括系統(tǒng)可靠性、能耗性以及可用性等,保證設(shè)計的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在應(yīng)用環(huán)境中適應(yīng)性良好。

        2.3 ?系統(tǒng)通用性

        上文提出慣性導(dǎo)航系統(tǒng)環(huán)境適用性問題,主要是由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,因此,在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用中,還必須要充分考慮其通用性問題,能夠應(yīng)用于不同領(lǐng)域和不同環(huán)境中。

        3 ? ?慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域概述

        慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)相比,具有極強的抗干擾能力,以用戶實際導(dǎo)航需求為基礎(chǔ)進行設(shè)計與應(yīng)用,目前在眾多領(lǐng)域中開始引用發(fā)展這一技術(shù)。最開始慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要應(yīng)用于軍用領(lǐng)域,近年來,慣性導(dǎo)航技術(shù)開始進一步發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴展。由原來的船舶、航空、飛行器、艦艇等領(lǐng)域擴展到星球探測、海洋勘探以及隧道、鐵路和大地測量等領(lǐng)域,在兒童玩具、智能機器人等領(lǐng)域中也開始應(yīng)用慣性導(dǎo)航技術(shù)。雖然不同領(lǐng)域中對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的具體應(yīng)用存在差異,對設(shè)備性能需求也有所不同,但最終目的和方法具有一致性。就海洋和航天領(lǐng)域而言,對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用精度要求較高,一般該系統(tǒng)連續(xù)工作時間較長;以空間站、衛(wèi)星為代表的航天器對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)壽命要求較高;軍事領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域?qū)T性導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性和精度要求較高。

        4 ? ?慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展趨勢

        4.1 ?總體發(fā)展趨勢

        (1)對導(dǎo)航精度要求較高的領(lǐng)域和場所,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有不可替代的作用,對于無法接收全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)信號的場所,高可靠性慣性導(dǎo)航系統(tǒng)也具有很好的適用性。

        (2)GNSS技術(shù)快速發(fā)展,代替了部分INS的應(yīng)用領(lǐng)域。我國在關(guān)于GNSS的研究中,還不斷引入新技術(shù),提高該系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性與精度。

        (3)要想實現(xiàn)系統(tǒng)功能,往往將INS系統(tǒng)和其他導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合,目前技術(shù)成熟的組合導(dǎo)航系統(tǒng)代表是GNSS/INS,自該系統(tǒng)被提出以來得到了廣泛應(yīng)用。

        (4)在民用市場快速發(fā)展背景下,對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的需求進一步提高,成本低、一體化、小型化的組合導(dǎo)航設(shè)備成為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)面對這一發(fā)展機遇,也面臨極大挑戰(zhàn)。

        4.2 ?工藝和材料

        在分析中提出慣性導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航性能是重要因素,而導(dǎo)致性能指標(biāo)差異的關(guān)鍵因素是工藝和材料。當(dāng)前在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計中引入自動化生產(chǎn)技術(shù),采用批量處理技術(shù)發(fā)展該系統(tǒng)。另外,在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)生產(chǎn)材料選擇中,不局限于傳統(tǒng)石英和硅片,應(yīng)該結(jié)合光電材料發(fā)展建設(shè)新型高精度傳感器。

        4.3 ?生產(chǎn)成本

        在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用中必須考慮成本因素,不僅要降低生產(chǎn)成本,包括傳感器等組成設(shè)備的成本也要盡可能降低,還應(yīng)盡可能選擇質(zhì)量好、精度高的元器件,以減少慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的操作、維護、保養(yǎng)費用。

        4.4 ?體積

        慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的測量傳感器向著重量輕、體積小的方向發(fā)展,未來一些慣性傳感器甚至無法用肉眼識別,例如奈姆斯機電系統(tǒng)(Nano-Electromechanical System,NEMS)和光學(xué)NEMS等。

        5 ? ?結(jié)語

        在未來慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展中,小體積、低成本、高性能是必然發(fā)展趨勢。在系統(tǒng)發(fā)展的同時應(yīng)不斷提高傳感器的精度和性能,尤其在新世紀(jì),計算機技術(shù)和高科技的發(fā)展、普及使得慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不斷發(fā)展,能實現(xiàn)導(dǎo)航方式完全自主化的系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。

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