惯性导航技术的新进展及发展趋势

49卷增刊（总第183期）中国造船Vol.49Supplement(SerialNo.183)2008年10月SHIPBUILDINGOFCHINAOct.2008文章编号：1000-4882(2008)S-0134-011惯性导航技术的新进展及发展趋势张炎华1,2，王立端1，战兴群2，翟传润2（1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240；2.上海交通大学空天科学技术研究院，上海200240）摘要阐述了惯性导航技术的发展历史，总结了惯性传感器的最新发展现状，并列举出代表当前最高技术水平的新型惯性器件及其技术指标。同时，概括了惯性技术的应用领域，特别是在舰船导航领域的应用现状。最后指出，随着新型惯性器件的涌现和完善，以惯性导航为基础的组合导航系统将成为未来导航系统的主要发展方向。关键词：船舶、舰船工程；惯性导航技术；惯性导航系统；惯性测量单元中图分类号：U666.12文献标识码：A1引言惯性导航是一门涉及精密机械、计算机技术、微电子、光学、自动控制、材料等多种学科和领域的综合技术[1]。应用需求的增长是导航技术拓展新方向的源动力，现代科技的蓬勃发展支撑着惯性传感器技术的不断进步，推动着惯性导航技术应用于更宽广的领域。由于陀螺仪是惯性导航的核心部件，因此，可以按各种类型陀螺出现的先后、理论的建立和新型传感器制造技术的出现，将惯性技术的发展划分为四代[1~3]。惯性导航技术的发展历史如图1所示[4~6]，折线下方为该阶段建立的主要技术理论，上方为各阶段出现的惯性器件及其精度。须要注意的是惯性技术发展的各阶段之间并无明显界线。第一代惯性技术指1930年以前的惯性技术。自1687年牛顿三大定律的建立，并成为惯性导航的理论基础；到1852年，傅科（LeonFoucault）提出陀螺的定义、原理及应用设想；再到1908年由安修茨（HermannAnschütz-Kaempfe）研制出世界上第一台摆式陀螺罗经，以及1910年的舒勒（MaxSchuler）调谐原理；第一代惯性技术奠定了整个惯性导航发展的基础。第二代惯性技术开始于上世纪40年代火箭发展的初期，其研究内容从惯性仪表技术发展扩大到惯性导航系统的应用。首先是惯性技术在德国V-II火箭上的第一次成功应用。到50年代中后期，0.5nmile/h的单自由度液浮陀螺平台惯导系统研制并应用成功。1968年，漂移约为0.005º/h的G6B4型动压陀螺研制成功。这一时期，还出现了另一种惯性传感器－加速度计。在技术理论研究方面，为减少陀螺仪表支承的摩擦与干扰，挠性、液浮、气浮、磁悬浮和静电等支承悬浮技术被逐步采用；1960年激光技术的出现为今后激光陀螺（RLG）的发展提供了理论支持；捷联惯性导航（SINS）理论研究趋于完善。70年代初期，第三代惯性技术发展阶段出现了一些新型陀螺、加速度计和相应的惯性导航系统收稿日期：2008-08-26；修改稿收稿日期：2008-09-1849卷增刊(总第183期)张炎华，等：惯性导航技术的新进展及发展趋势135（INS），其研究目标是进一步提高INS的性能，并通过多种技术途径来推广和应用惯性技术。这一阶段的主要陀螺包括：静电陀螺（ESG）、动力调谐陀螺（DTG）[7]、环形激光陀螺（RLG）[8]、干涉式光纤陀螺IFOG[9,10]等。ESG的漂移可达10-4º/h；DTG的体积小、结构简单，随机漂移可达0.01º/h量级；基于Sagnac干涉效应的RLG[11]和捷联式激光陀螺惯导系统（SINS）在民航方面得到应用，导航精度可达0.1nmile/h。除此之外，超导体陀螺、粒子陀螺、音叉振动陀螺、流体转子陀螺及固态陀螺等基于不同物体原理的陀螺仪表相继设计成功。80年代，伴随着半导体工艺的成熟和完善，采用微机械结构和控制电路工艺制造的微机电系统（MEMS）[12,13]开始出现。图1中ε为陀螺误差。第三、四阶段折线下方到虚线上方为应用新技术制造的新型惯性传感器。当前，惯性技术正处于第四代发展阶段，其目标是实现高精度、高可靠性、低成本、小型化、数字化、应用领域更加广泛的导航系统[14]。一方面，陀螺的精度不断提高，漂移量可达10-6º/h；另一方面，随着RLG、FOG、MEMS等新型固态陀螺仪的逐渐成熟，以及高速大容量的数字计算机技术的进步，SINS在低成本、短期中精度惯性导航中呈现出取代平台式系统的趋势。在惯性技术发展的历史过程中，Draper实验室、Sperry、原Litton、Delco、Honeywell、Kearfott、Rockwell、GE（GeneralElectric）以及其它一些公司和研究机构[7]，对惯性技术的成熟和广泛应用做出了卓越贡献。1000100100.110.010.0010.00010.0000119301940195019601970198019902000ε/(º)h-1IIIIIIIV牛顿定律傅科：Gyroscope舒勒调谐原理安修茨：MK-1型陀螺罗经斯佩里罗经(1)1946年，英国皇家航空研究院（RAE）：挠性支撑(2)50年代，美国MITDraper实验室：液浮支撑，磁悬浮；气浮(3)1952年，美国伊利诺伊大学诺特西克：静电支撑(4)1960年，激光技术(5)60年代初，DraperLab：完整的捷联惯导理论(SINS)1958年，单自由度液浮陀螺惯导系统应用成功40年代，双自由度陀螺应用于德VII火箭1968年G6B4动压陀螺1964年，阿波罗登月惯导系统1959年，利顿G200双自由度液浮陀螺同时期出现加速度计：摆式加速度计和摆式积分加速度计80年代MEMS技术1971年，SINS等效旋转矢量姿态算法；1983年，SINS锥运动三子样优化算法1976年，Utah大学IFOG1991年，MIT德雷帕实验室：MEMSIMU70年代，HoneywellESGDTGHoneywellRLG:GG1320HoneywellMEMSIMU:HG1930Sperry:MK39RLGINS先进的微电子、计算机技术，精密机械、光学、半导体等制造加工工艺新的数据滤波算法HoneywellFOGRLGDTG:DynamicTuningGyroFOG:FiberOpticalGyroESG:ElectricallySuspendedGyroMEMS:Micro-Electro-MechanicalSystemsRLG:RingLaserGyroIMU:InertialMeasurementUnitε:陀螺误差t/y图1惯性技术发展历史2惯性传感器技术的发展现状2.1陀螺仪惯性传感器包含加速度计和陀螺仪。传统意义上的陀螺仪是安装在框架中绕回转体的对称轴高速136中国造船学术论文旋转的物体。陀螺仪具有稳定性和进动性，利用这些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角偏差的位置陀螺。由于光学、MEMS等技术被引入于陀螺仪的研制，现在习惯上把能够完成陀螺功能的装置统称为陀螺。陀螺仪种类多种多样，按陀螺转子主轴所具有的进动自由度数目可分为二自由度陀螺仪和单自由度陀螺仪；按支承系统可分为滚珠轴承支承陀螺，液浮、气浮与磁浮陀螺，挠性陀螺（动力调谐式挠性陀螺仪），静电陀螺[3]；按物理原理分为利用高速旋转体物理特性工作的转子式陀螺，和利用其他物理原理工作的半球谐振陀螺、微机械陀螺、环形激光陀螺和光纤陀螺等。2.1.1激光陀螺环形激光陀螺（RLG）利用光程差的原理来测量角速度[6]。两束光波沿着同一个圆周路径反向而行，当光源与圆周均发生旋转时，两束光的行进路程不同，产生了相位差，通过测量该相位差可以测出激光陀螺的角速度[11]。近十几年来，激光陀螺已经发展十分成熟，新型激光陀螺研究（包括一些关于机械抖动激光陀螺和四频差动激光陀螺的技术改进）的主要成果是在激光陀螺的小型化、工程化和新型化等方面取得的进展。一些具有代表性的激光陀螺性能指标列于表1[15]。表1RLG的最新发展表1中的GG1320RLG被Raytheon公司在AnschützMINS2舰艇INS中使用。2007年初，美国Honeywell公布了GG1320RLG的两种升级产品：数字RLGGG1320AN（军用）和GG1320AN01（民用）。它们均是将电子设备和RLG封装成简单易用的独立单元，提供数字化的I/O接口。前者的偏差稳定性和随机游走达到：3.5×10-4º/h和3.5×10-4hD，线性度为5ppm。Honeywell应用于航天领域的导航级HG9848IMU和代表昀新惯性器件发展水平的HG9900IMU均采用了GG1320AN作为姿态测量传感器。2.1.2光纤陀螺（FOG）光纤陀螺（FiberOpticalGyro，FOG）使用与环形激光陀螺相同的基本原理[10]，但其使用光纤作为激光回路，可看作是第二代激光陀螺。由于光纤可以进行绕制，因此光纤陀螺中激光回路的长度比环形激光陀螺大大增加，使得检测灵敏度和分辨率也提高了几个数量级，从而有效地克服了环形激光陀螺的闭锁问题[16]。光纤陀螺的主要优点在于高可靠性、长寿命、快速启动、耐冲击和振动、对重力g不敏感、大动态范围等[17]，这些优点是传统机械式陀螺所无法比拟的。在高精度应用领域，光纤陀螺正在逐步取代静电陀螺。目前光纤陀螺的精度已可达到0.0002º/h[18]，同时从上世纪90年代起，0.1º/h的中精度干涉型光纤陀螺IFOG已投入批量生产。德、日等国也研制成功偏置稳定性优于0.01º/h的惯性级IFOG，俄罗斯、生产厂商型号测量范围º/s偏差稳定性º/h随机游走º/√h线形度ppm应用领域美国NorthropGrummanLG8028±4000.015飞机GG1320±8000.03~0.10.001~0.0130飞机地面导航GG1320AN0.00350.00355军用，航天美国HoneywellGG1320AN010.01~0.040.01~0.04民用法国SextantPIXYZ220.001飞机美国SperrySLIC-15±15000.13100导弹俄罗斯PolusZLK-16±5000.20.03100导弹49卷增刊(总第183期)张炎华，等：惯性导航技术的新进展及发展趋势137英国、中国、韩国、新加坡、意大利、瑞士等国也有相关报道。2003年9月，Honeywell的高性能IRS（惯性参考系统）[19]所采用的FOG据称是当时能够产品化、性能昀好的光纤陀螺，其随机游走（ARW）0.0001º/h，偏差稳定性0.0003º/h。当前，NorthropGrumman公司生产的昀高精度FOG是仪表级光纤陀螺FOG2500，它适用于超高精度或低噪声环境。其技术参数如下：动态范围昀大值100º/s，尺度因子0.01arcsec，短期尺度因子稳定性1ppm，漂移率0.001º/h，随机游走0.0006hD。图2[20]为NorthropGrumman的嵌入式INS/GPS导航系统LN251内部FOG结构。图2NorthropGrummanLN251内部的FOG结构光纤陀螺技术领域，美国在理论、测量技术和光纤元器件开发上领先的单位是斯坦福大学和MIT，正在开发元器件技术的单位是休斯飞机公司和BattleMemorial研究所等。日本的JEA、MitsubishiPrecision、HitachiCable、Sumitomo、Matsushita等公司已批量生产多种级别的光纤陀螺，在干涉型光纤陀螺的实用化，特别是中、低精度等级光纤陀螺的实用化方面走在世界前列，主要用于汽车工业。西欧国家也相当重视光纤陀螺在军事上的应用，法国汤姆逊－CSF公司、英国航空航天公司（BAE）、德国的SEL公司等都已开发光纤陀螺产品，并应用于战术导航系统和舰船导航领域[21]。2.1.3微机械陀螺国外微机械陀螺研究开始于20世纪80年代初[22]。主要研制公司有：美国Sperry、Draper实验室、通用电器和Watson。其中通用电器已大量生产用于A-10飞机增稳系统的VYRO压电振动陀螺。韩国的三星公司[23]和日本的一些研