搜索
船用导航产品技术发展趋势1概述船用导航技术很多，主要由磁导航、卫星导航、无线电导航、雷达导航、惯性导航和天体导航。我公司主要涉及磁导航和惯性导航，磁导航发展较早，主要产品为磁罗经，惯性导航产品同样有着辉煌的历史，是国内最早一批开始惯性导航产品的企业。磁罗经因其连续工作时间长、自主性强、可靠性强和经济性好等显著地优点，始终是为各类舰艇与传播提供航向和观测物标方位等数据所必备的导航仪器。尽管近年来陀螺罗经、GPS定位设备、船用雷达的技术与精度有了飞跃式发展，但依然不可以取代磁罗经在舰艇上的使用地位。惯性导航设备可以为载体提供航向、位置、姿态、速度等基本物理信息，是信息化装备中最核心的传感设备之一。惯性导航设备仅需要敏感地球自转而不需要借助外界任何的光、电、磁信息的机理决定了它的完全自主的特点，是复杂战场环境中保底的导航手段。惯性导航技术是最重要的军用技术之一，可以毫不夸张的说，惯性导航的发展水平直接影响了一个国家的武器装备的先进性。惯性导航产业起步于军用，目前仍主要应用于军用领域。不过随着随着成本的降低和需求的增长，其范围已由原来的舰艇、飞机、航天宇航、制导武器、战车等军用或军民两用领域，扩展到大地测量、资源勘测、地球物理测量、海洋探测、铁路、隧道等民用领域，甚至在机器人、摄像机、儿童玩具中也被广泛应用。2国外发展现状2.1磁罗经磁罗经是利用地磁场对磁针具有吸引力的现象而制成的一种航海指向仪器，地磁场是一种天然的矢量场，由地球自身的物理特性所产生，其方向和强度几乎不随时间、天气等的影响。因此，与其它导航方式相比，地磁导航是一种极为稳定，误差不累加（陀螺），不依赖于外界数据交互（GPS）的自主导航方式。虽然历史悠久，直到今日仍然被广泛的用于各类导航领域。并且是IMO（国际海事组织）强制装船的设备。过去，由于弱磁测量技术的限制，一直采用机械式磁罗经，与其他导航技术相比，地磁导航技术并未有真正的突破和发展。SperryMarine作为国外老牌导航产品厂商，生产的磁罗经目前依然在销售，其航向精度标称值优于0.5°。2.2陀螺罗经惯性导航系统根据陀螺仪的不同，可分为机电（包含液浮、气浮、静电、挠性等种类）陀螺仪、光学(包含激光、光纤等种类)陀螺仪、微机械（MEMS）陀螺仪等类型的惯性导航系统。根据惯性导航系统的力学编排实现形式又可以分为：平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统。平台式惯性导航系统是将陀螺仪和加速度等惯性元件通过万向支架角运动隔离系统与运动载物固联的惯性导航系统，其惯性测量装置（加速度计和陀螺仪）安装在机电导航平台上，以平台坐标系为基准，测量运载体运动参数。平台式惯性导航系统通过框架伺服系统隔离了载体的角运动，因此可以获得较高的系统精度。捷联式惯性导航系统，其惯性测量装置（加速度计和陀螺仪）直接装在飞行器、舰艇、导弹等载体上，载体转动时，加速度计和陀螺仪的敏感轴指向也跟随转动。陀螺仪测量载体角运动，计算载体姿态角，从而确定加速度计敏感轴指向。再通过坐标变换，将加速度计输出的信号变换到导航坐标系上，进行导航计算。目前，平台惯导系统已经达到了很高的水平，但是其造价、维修费用十分昂贵，而且其采用了框架伺服系统，相对可靠性将会下降。捷联式惯性导航技术是20世纪60年代发展起来的，将惯性测量装置直接安装在载体而非机电平台上，以数学平台代替机电式导航平台的导航技术，捷联系统惯性测量装置便于安装、维修和更换，体积小，是惯性导航技术的一个重要发展方向。1930年以前的惯性技术被称为第一代惯性导航技术，奠定了整个惯性导航发展的基础。牛顿三大定律成为惯性导航的理论。1852年法国科学家傅科提出陀螺的定义、原理及应用设想；1908年德国科学家安修茨研制出世界上第1台摆式陀螺罗经；1910年德国科学奖舒勒发现了陀螺罗经的无干扰条件，即舒勒调谐原理；美国人斯佩里于1911年、英国人S.G.布朗于1916年分别研制出以他们姓氏命名的陀螺罗经。前苏联也于20世纪30年代生产出方位仪及陀螺罗经。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性导航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（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，也叫挠性陀螺）、环形激光陀螺（RLG）、干涉式光纤陀螺IFOG等。ESG的漂移可达10-4°/h；DTG的体积小、结构简单，随机漂移可达0.01°/h量级；基于Sagnac干涉效应的环形激光陀螺和捷联式激光陀螺惯性导航系统（SINS）在民航方面得到应用，导航精度可达0.1nmile/h（海里/小时）。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）开始出现。3国内发展现状3.1磁罗经传统机械式磁罗经由于原理简单，技术难度不大，所以国内磁罗经发展也较早，在技术水平及精度上都跟国外产品差别不大。3.2陀螺罗经1961我公司试制出全国第一台电罗经，至二十世纪八十年代末，我国先后研制了PL-I（455厂）、PL-II（707所）、PL-III（442厂）、PL-IV（707所）等型平台罗经，我公司于1988年H/HLP003型平台罗经通过设计定型审查，我国平台罗经与国外产品在精度和可靠性方面有很大差距，目前的平台罗经系统基本采用机械陀螺来实现。随着国对光学陀螺的研究进展和实际应用，我国对于光学陀螺的研究工作也取得了很大的进步，目前已经开始将光学陀螺应用于罗经。我国对激光陀螺的研究工作始于“七五”期间，“九五”以来，对激光陀螺和系统的研究工作有了跨越式的发展，“九五”期末，国防科大、航空618所突破了激光陀螺制造的关键技术，激光惯导系统也随之取得了新的进展，2012年，海军在南海开展了激光惯导竟优工作；光纤陀螺目前国内研制单位主要包括北航、浙大、哈尔滨工程大学、航天九院、707所、中航618所、航天科工33所、兵器导控所以及后来的我们公司，从目前国内单位光纤陀螺的研制情况来看，精度优于0.001°/H的中等精度陀螺技术已经成熟，并获得广泛应用，随着光纤陀螺精度及环境适应性能的不断提高，相信以光纤陀螺为核心的惯性产品将更为广泛的应用于舰船领域，2017年海军也已在南海开展了中低精度惯导和光纤罗经的竟优工作。4发展趋势4.1磁罗经传统机械式磁罗经体积大，除受地磁力作用外,还将受到船舶磁场的影响。存在自差且经常变化,需要专业人员用自差校正器进行校正。随着弱磁测量技术的日趋成熟，为研制非机械式数字化的磁通门罗经提供了技术支撑，也为磁罗经的小型化、轻量化提供了可能。随着海军舰艇向着数字化、信息化发展，老式的机械磁罗经渐渐成为制约舰艇导航控制技术发展的瓶颈之一。市场急需出现一种新型磁罗经，以弥补传统机械式磁罗经的固有缺陷。磁通门罗经，是一种不含活动机械部件的电子设备，通过测量与解算地球磁场的数据，直接获得数字化的磁航向信息。可以有效克服传统磁罗经无法将读数向外传递的缺点。磁航向的测量，关键在于能准确检测出地磁矢量的大小和方向。因此，磁场传感器是地磁导航设备的核心，根据其测量原理的不同，可以分成多种类型，每种类型的传感器有各自的特点及适用场合，表1-1中列出了部分常见的磁场传感器。表1-1常见磁场传感器名称工作原理量程成本霍尔效应磁场传感器霍尔效应7210~10T低磁阻式磁场传感器磁敏电阻各向异性9210~10T低磁通门传感器软磁材料的变导磁率11310~10T中光泵磁场传感器塞曼效应12310~10T高光导纤维磁场传感器磁光效应8210~10T高超导量子干涉磁场传感器约瑟夫森结点效应15810~10T高目前高精度磁阻式芯片，仍然只被国外少数几家公司所掌握，其中以霍尼韦尔（美国Honeywell）生产的磁阻芯片最为著名。但由于某些特殊原因，其生产的高精度磁阻芯片并不向我国直接销售。磁通门式传感器并不依赖于半导体技术，它是一种利用软磁材料变磁导率特性制作的电气元件，主要由软磁材料和线圈绕制而成。通门式传感器比磁阻式传感器测量精度更高，在航天、航空、军舰消磁等领域已得到广泛应用。在国外高精度地磁导航设备领域，主要被三家公司所占据，采用磁阻式传感器的霍尼韦尔公司（美国Honeywell），采用磁通门式传感器的KVH（美国）和PNI（美国）。4.2陀螺罗经当前，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。一方面，陀螺的精度不断提高，漂移量可达10-6°/h；另一方面，随着激光陀螺、光纤陀螺、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，捷联惯性导航系统在低成本、短期中精度惯性导航中呈现出取代平台式系统的趋势。要显著提高陀螺的敏感度，光波已经无法满足要求，在这种情况下，人们开始考虑利用原子波做波源。原子激光噪声小、波长短、频率高，可获得极高的灵敏度，因此原子陀螺及其系统具有极大的技术潜力。预测2020年后，高精度领域将被光纤陀螺导航系统占领，中低精度领域将被微机电/微光机电陀螺占领。5我厂老产品的市场开拓展望5.1磁罗经磁罗经作为国际海事组织强制安装的船舶导航产品，可以预见，其地位在将来很长一段时间不会被撼动。我公司目前磁罗经型号齐全，标准磁罗经、操舵磁罗经、投影磁罗经均在生产，但是存在漏液问题没有解决，而且，磁罗经结构从研制成功至今没有进行过改进，成本较高，难以满足目前市场化竞争需要；了解磁罗经的技术人员也已经没有，以期从材料、结构上对其进行重新设计来降低成本，难度较大，只有结构而缺乏专业的技术人才是不可能的。目前能做的就是投入一定是人力将漏液问题解决，建立良好的用户口碑，这样保持目前的市场占有应该是没有问题的。5.2陀螺罗经我公司陀螺罗经目前有平台罗经和电罗经两种。平台罗经由于采用的是机电式陀螺仪，精度、使用寿命等已经不能满足大部分新式武备系统要求，随着光纤罗经和中低精度惯导比武的结束，可以预见，未来几乎不会有新型号战舰选用平台罗经。当然，未来三年平台罗经也不会没有产出，前期平台罗经大量装船，要完全换装也需要时间，目前换种的仅有X53H3和X54，所以，每年2千万的海备件依然能够保持。另外，军贸船上，平台罗经以期成熟的技术、稳定的性能还是具有一定的优势，今后可以在军贸船上多多争取订单。电罗经虽然也采用的是机电式陀螺仪，但是电罗经本身只是航行使用，对精度的要求不是很高，我厂电罗经的精度完全能够满足舰船日常航行使用，在解决了电机问题后，我厂电罗经可靠性有了大幅提高。海军目前力推两光罗经，在军船上，争取主力新型号战舰订单比较困难，今后光纤罗经审价确定后，如果价格较我厂电罗经便宜，那么在争取军辅船订单上也将会有较大困难。所以，从价格上找到突破，降低产品成本，还是有可能争取到更多的军辅船订单的。对于民品市场，在新型两光罗经价格降到民品市场可接受之前，市场空间还有很大，毕竟斯佩里和按修斯机电陀螺罗经目前依然还在大量装船，那么作为国内老牌电罗经生产厂家，我们有能力跟这些国外公司竞争，只有走出去，在竞争中我们才能更清楚客户的需求，才能有动力不断改进。新型号DH-V型去年取得CCS证书，但是目前为止订单几乎没有，原因之一就是价格跟