[科普中國]-捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)

工作原理

慣導(dǎo)系統(tǒng)主要分為平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)兩大類。慣導(dǎo)系統(tǒng)（INS）是一種不依賴于任何外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，具有隱蔽性好，可在空中、地面、水下等各種復(fù)雜環(huán)境下工作的特點。
捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)（SINS）是在平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它是一種無框架系統(tǒng)，由三個速率陀螺、三個線加速度計和微型計算機組成。平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的主要區(qū)別是：前者有實體的物理平臺，陀螺和加速度計置于陀螺穩(wěn)定的平臺上，該平臺跟蹤導(dǎo)航坐標(biāo)系，以實現(xiàn)速度和位置解算，姿態(tài)數(shù)據(jù)直接取自于平臺的環(huán)架；后者的陀螺和加速度計直接固連在載體上作為測量基準(zhǔn)，它不再采用機電平臺，慣性平臺的功能由計算機完成，即在計算機內(nèi)建立一個數(shù)學(xué)平臺取代機電平臺的功能，其飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)通過計算機計算得到，故有時也稱其為"數(shù)學(xué)平臺"，這是捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)區(qū)別于平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)的根本點。由于慣性元有固定漂移率，會造成導(dǎo)航誤差，因此，遠程導(dǎo)彈、飛機等武器平臺通常采用指令、GPS或其組合等方式對慣導(dǎo)進行定時修正，以獲取持續(xù)準(zhǔn)確的位置參數(shù)。如采用指令+捷聯(lián)式慣導(dǎo)、GPS+慣導(dǎo)（GPS/INS）。美國的戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈采用了GPS+INS +地形匹配組合導(dǎo)航。1

慣導(dǎo)系統(tǒng)基本工作原理是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時間進行積分，之后將其變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系，得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置信息等。對捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)而言，平臺的作用和概念體現(xiàn)在計算機中，它是寫在計算機中的方向余弦陣。直接安裝在載體上的慣性元件測得相對慣性空間的加速度和角加速度是沿載體軸的分量，將這些分量經(jīng)過一個坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方向余弦陣，可以轉(zhuǎn)換到要求的計算機坐標(biāo)系內(nèi)的分量。如果這個矩陣可以描述載體和地理坐標(biāo)系之間的關(guān)系，那么載體坐標(biāo)系測得的相對慣性空間的加速度和角速度，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后便可得到沿地理坐標(biāo)系的加速度和角速度分量，有了已知方位的加速度和角速度分量之后，導(dǎo)航計算機便可根據(jù)相應(yīng)的力學(xué)方程解出要求的導(dǎo)航和姿態(tài)參數(shù)來。1

與平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)的對比捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)和平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)在本質(zhì)是相同的，但在系統(tǒng)的具體實現(xiàn)上卻存在著明顯的不同。

（1）陀螺動態(tài)范圍要求不同。平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)陀螺安裝在平臺臺體上，陀螺感測臺體偏離導(dǎo)航坐標(biāo)系的偏差，平臺通過穩(wěn)定回路消除這種偏差，其作用是隔離掉運載體的角運動，使陀螺的工作環(huán)境不受運載體角運動的影響。同時，平臺通過修正回路使陀螺按一定要求進動，控制平臺跟蹤導(dǎo)航坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)運動。而導(dǎo)航坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)僅由運載體相對于地球的線運動和地球的自轉(zhuǎn)引起，這些旋轉(zhuǎn)角速度都十分微小，所以對陀螺的指令施矩電流是很小的。這就是說平臺慣導(dǎo)陀螺的動態(tài)范圍可設(shè)計得較小。但捷聯(lián)慣導(dǎo)陀螺直接安裝在運載體上，陀螺必須跟隨運載體的角運動，施矩電流遠比僅跟蹤導(dǎo)航坐標(biāo)系的施矩電流大，即捷聯(lián)慣導(dǎo)所用陀螺的動態(tài)范圍遠比平臺慣導(dǎo)所采用的大。

（2）慣導(dǎo)器件的工作環(huán)境不同，慣導(dǎo)器件動態(tài)誤差和靜態(tài)誤差的補償要求也不同。在平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)中，平臺對運載體的角運動起隔離作用，安裝在平臺上的慣導(dǎo)器件只需對線加速度引起的靜態(tài)誤差作補償。而捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中的慣性器件除補償靜態(tài)誤差以外，還需要對角速度和角加速度引起的動態(tài)誤差作補償。因此必須在實驗室條件下對捷聯(lián)陀螺和加速度計的動、靜態(tài)誤差系數(shù)作嚴(yán)格的測試和標(biāo)定。

（3）捷聯(lián)慣導(dǎo)必須對三種算法誤差作補償。在實際系統(tǒng)中，為了降低捷聯(lián)陀螺和加速度計的輸出噪聲對系統(tǒng)解算精度的影響，并且能夠完全利用輸出信息，陀螺和加速度計的輸出全部采用增量形式，即加速度計輸出為速度增量，陀螺輸出為角增量（液浮陀螺或撓性陀螺及加速度計輸出采用I-F或V-F轉(zhuǎn)換成脈沖輸出，激光陀螺本身就是脈沖輸出）。在此情況下，姿態(tài)解算和導(dǎo)航解算只能通過求解差分方程來完成，而當(dāng)運載體存在線振動和角振動，或運載體做機動運動時，在姿態(tài)解算中會存在圓錐誤差，在速度解算中會存在劃槳誤差，在位置解算中會存在渦卷誤差。在這些誤差中，圓錐誤差會對捷聯(lián)慣導(dǎo)精度的影響最嚴(yán)重，劃槳誤差次之，渦卷誤差最輕，在相應(yīng)算法中需要作嚴(yán)格補償。

（4）計算量不同。平臺慣導(dǎo)中，平臺以物理實體形式存在，平臺模擬了導(dǎo)航坐標(biāo)系，運載體的姿態(tài)角和航向角可直接從平臺框架上拾取或僅通過少量計算獲得。但在捷聯(lián)慣導(dǎo)中，平臺并不實體存在，而以數(shù)學(xué)平臺形式存在，姿態(tài)角和航向角都必須經(jīng)過計算獲得，計算量龐大。

盡管在慣性器件、計算量等方面捷聯(lián)慣導(dǎo)遠比平臺慣導(dǎo)要求苛刻，但由于省去了復(fù)雜的機電平臺，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低、維護簡單、可靠性高、還可以通過冗余技術(shù)提高其容錯能力。并且，由于諸如激光陀螺、光纖陀螺等固態(tài)慣性器件的出現(xiàn)，計算機技術(shù)的快速發(fā)展和計算理論的日益完善，捷聯(lián)慣導(dǎo)的優(yōu)越性日趨顯露。2

特點捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)和平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)一樣，能精確提供載體的姿態(tài)、地速、經(jīng)緯度等導(dǎo)航參數(shù)。但平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、可靠性較低、故障間隔時間較短、造價較高，為可靠起見，通常在一個運載體上要配用兩套慣導(dǎo)裝置，這就增加了維修和購置費用。在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中，由于計算機中存儲的方向余弦解析參考系取代了平臺系統(tǒng)以物理形式實現(xiàn)的參考系，因此，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)有以下獨特優(yōu)點：1

（1）去掉了復(fù)雜的平臺機械系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)極為簡單，減小了系統(tǒng)的體積和重量，同時降低了成本，簡化了維修，提高了可靠性。
（2）無常用的機械平臺，縮短了整個系統(tǒng)的啟動準(zhǔn)備時間，也消除了與平臺系統(tǒng)有關(guān)的誤差。
（3）無框架鎖定系統(tǒng)，允許全方位（全姿態(tài)）工作。
（4）除能提供平臺式系統(tǒng)所能提供的所有參數(shù)外，還可以提供沿彈體三個軸的速度和加速度信息。
但是，由于在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中，慣性元件與載體直接固連，其工作環(huán)境惡劣，對慣性元件及機（彈）載計算機等部件也提出了較高的要求：
（1）要求加速度表在寬動態(tài)范圍內(nèi)具有高性能、高可靠性，且能數(shù)字輸出。
（2）因為要保證大攻角下的計算精度，對計算機的速度和容量都提出了較高的要求。

發(fā)展趨勢早期的慣導(dǎo)系統(tǒng)由于采用了機械式精密穩(wěn)定平臺，被稱為平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)，它不僅體積大、重量重、可靠性低、維護復(fù)雜、費用昂貴，而且系統(tǒng)性能還受到機械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和極限精度的制約。最早的機械式慣導(dǎo)系統(tǒng)是美國麻省理工學(xué)院研制的于1953年投于使用的空間穩(wěn)定慣性基準(zhǔn)設(shè)備，其直徑為1.5m，重量達908kg，系統(tǒng)精度約為0.925km/h。到20世紀(jì)70年代，美空軍采用了高級慣性基準(zhǔn)球用于MX洲際彈道導(dǎo)彈上，將系統(tǒng)的精度提高了一個數(shù)量級以上。它代表了機械實現(xiàn)的頂峰，該系統(tǒng)采用了浮球平臺結(jié)構(gòu)，直徑為0.5m，重量為52kg。 隨著計算機和微技術(shù)的迅猛發(fā)展，利用計算機的強大解算和控制功能代替機電穩(wěn)定系統(tǒng)成為可能。于是，一種新型慣導(dǎo)系統(tǒng)--捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)從20世紀(jì)60年代初開始發(fā)展起來，尤其在1969年，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)作為"阿波羅"-13號登月飛船的應(yīng)急備份裝置，在其服務(wù)艙發(fā)生爆炸時將飛船成功地引導(dǎo)到返回地球的軌道上時起到了決定性作用，成為捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)展中的一個里程碑。1

進入20世紀(jì)80~90年代，在航天飛機、宇宙飛船、衛(wèi)星等民用領(lǐng)域及在各種戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、軍用飛機、反潛武器、作戰(zhàn)艦艇等軍事領(lǐng)域開始采用動力調(diào)諧式陀螺、激光陀螺和光纖式陀螺的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，尤其是激光陀螺和光纖式陀螺是捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的理想器件。激光陀螺具有角速率動態(tài)范圍寬、對加速度和震動不敏感、不需溫控、啟動時間特別短和可靠性高等優(yōu)點。激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)已在波音757/767、A310民機以及F-20戰(zhàn)斗機上試用，精度達到1.85km/h的量級。20世紀(jì)90年代，激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)估計占到全部慣導(dǎo)系統(tǒng)的一半以上，其價格與普通慣導(dǎo)系統(tǒng)差不多，但由于增加了平均故障間隔時間，因而其壽命期費用只有普通慣導(dǎo)系統(tǒng)的15%~20%。光纖陀螺實際上是激光陀螺中的一種，其原理與環(huán)型激光陀螺相同，克服了因激光陀螺閉鎖帶來的負效應(yīng)，具有檢測靈敏度和分辨率極高（可達10-7rad/s）、啟動時間極短（原理上可瞬間啟動）、動態(tài)范圍極寬、結(jié)構(gòu)簡單、零部件少體積小、造價低、可靠性高等優(yōu)點。采用光纖陀螺的捷聯(lián)航姿系統(tǒng)已用于戰(zhàn)斗機的機載武器系統(tǒng)中及波音777飛機上。波音777由于采用了光纖陀螺的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，其平均故障間隔時間可高達20000h。采用光纖陀螺的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)被認(rèn)為是一種極有發(fā)展前途的導(dǎo)航系統(tǒng)。1

盡管捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)不能避免慣性器件的固有缺點，但由于它具有諸多優(yōu)點，因此，目前捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)在各類民用的航天飛行器、運載火箭、客/貨機及軍事領(lǐng)域的各類軍用飛機、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等武器系統(tǒng)上都已被廣泛采用。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展及新型慣性器件的關(guān)鍵技術(shù)的陸續(xù)突破進而被大量應(yīng)用，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的可靠性、精度將會更高，成本將更低，同時，隨著機（彈）載計算機容量和處理速度的提高，許多慣性器件的誤差技術(shù)也可走向?qū)嵱?，它可進一步提高捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度。此外，隨著以繞飛行體軸旋轉(zhuǎn)角增量為輸出的新型高精度捷聯(lián)式陀螺的出現(xiàn)，用以描述剛體姿態(tài)運動的數(shù)學(xué)方法也有了新的發(fā)展，將以經(jīng)典的歐拉角表示法向四元素表示法發(fā)展。1

不管慣性器件的精度多高，由于陀螺漂移和加速度計的誤差隨時間逐漸積累（這也是純慣導(dǎo)系統(tǒng)的主要誤差源之一，它對位置誤差增長的影響是時間的三次方函數(shù)），慣導(dǎo)系統(tǒng)長時間運行必將導(dǎo)致客觀的積累誤差，因此，目前人們在不斷探索提高自主式慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度外，還在尋求引入外部信息，形成組合式導(dǎo)航系統(tǒng)，這是彌補慣導(dǎo)系統(tǒng)不足的一個重要措施。1

組合導(dǎo)航系統(tǒng)通常以慣導(dǎo)系統(tǒng)作為主導(dǎo)航系統(tǒng)，而將其他導(dǎo)航定位誤差不隨時間積累的導(dǎo)航系統(tǒng)如無線電導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、地形匹配導(dǎo)航、GPS等作為輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，應(yīng)用卡爾曼濾波技術(shù)，將輔助信息作為觀測量，對組合系統(tǒng)的狀態(tài)變量進行最優(yōu)估計，以獲得高精度的導(dǎo)航信號。這樣，既保持了純慣導(dǎo)系統(tǒng)的自主性，又防止了導(dǎo)航定位誤差隨時間積累。組合導(dǎo)航系統(tǒng)不僅在民用上而且在軍事上均具有重要意義。1

隨著 GPS的普及， SINS /GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?。該組合導(dǎo)航系統(tǒng)由GPS提供三維位置、三維速度和精確的時間信息，系統(tǒng)的核心是卡爾曼濾波器，它是在線性最小方差下的最優(yōu)估計。美國海軍在海灣戰(zhàn)爭發(fā)射的"斯拉姆"導(dǎo)彈的慣導(dǎo)系統(tǒng)采用了GPS技術(shù)，其命中精度達10~15m之內(nèi)；美國于20世紀(jì)80年代研制的已在"三叉戟"核潛艇上部署的射程達11110km的"三叉戟2"D-5戰(zhàn)略導(dǎo)彈，采用了CNS/INS(天文導(dǎo)航系統(tǒng)/慣性導(dǎo)航系統(tǒng))組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其導(dǎo)彈落點圓周概率(CEP)小于185m。1

軍事應(yīng)用
目前，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)已在軍民領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。對于飛航式戰(zhàn)術(shù)地地導(dǎo)彈，由于其全程均在稠密大氣層內(nèi)飛行，且射程遠，飛行時間長，容易受到大氣干擾的影響，因此，采用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)是唯一可選的制導(dǎo)方式；對于中遠程的空空導(dǎo)彈，因?qū)椀陌l(fā)射距離遠，具有攻擊多目標(biāo)的能力，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)也是比較理想的中制導(dǎo)方式；中遠程地空導(dǎo)彈的制導(dǎo)方式一般為初始制導(dǎo)+中制導(dǎo)+末制導(dǎo)，其中中制導(dǎo)一般采用具有捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)；各類反艦導(dǎo)彈采用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)也可簡化降低成本，提高性能價格比。1