[b]1　前　言 [/b]　　捷聯(lián)慣性系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、體積小、重量輕、成本低、容易維修等特點(diǎn)，近年來得到很快的發(fā)展，并且在一些戰(zhàn)術(shù)武器中得到應(yīng)用。由于精度尚未達(dá)到平臺系統(tǒng)的精度水平，所以其應(yīng)用范圍受到了一定程度的限制。GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）／慣性組合技術(shù)在提高精度、降低成本、全天候、全球?qū)Ш降确矫嫒〉昧伺e世矚目的成就，其應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。由于GPS的授權(quán)限制、動態(tài)性能及抗干擾能力等因素，其軍事應(yīng)用范圍有一定程度的局限。解決矛盾的方法是進(jìn)行慣性技術(shù)與多體制導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的組合技術(shù)研究，來避免單一的GPS／INS組合模式所受到的限制，采用GPS與慣性系統(tǒng)深組合方式提高導(dǎo)航系統(tǒng)的動態(tài)性能和抗干擾能力，為軍事裝備提供了高性能的導(dǎo)航設(shè)備。 　　第2次世界大戰(zhàn)后期，德國人率先采用簡單的捷聯(lián)慣性儀表作為近程彈道導(dǎo)彈V-2火箭自主式制導(dǎo)系統(tǒng)的核心部件，隨后，美蘇兩國進(jìn)入了戰(zhàn)后長期冷戰(zhàn)的軍備競賽時期。隨著各種戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、空間技術(shù)、航空、航海及陸地戰(zhàn)車等軍事裝備的發(fā)展和不斷完善，慣性技術(shù)也得到了空前的發(fā)展與進(jìn)步。慣性技術(shù)中首先重點(diǎn)發(fā)展的是平臺系統(tǒng)和與之相適應(yīng)的氣浮、液浮和靜電懸浮支撐技術(shù)為基礎(chǔ)的各種慣性儀表。在長達(dá)30多年的時間內(nèi)，陀螺漂移從10°／h左右提高到0.000 015°／h，幾乎提高了6個數(shù)量級，但真正工程應(yīng)用中的陀螺儀卻長期停留在0.001°／h左右。為得到高精度水平的慣性系統(tǒng)卻付出了十分昂貴的代價(jià)，僅一臺浮球平臺系統(tǒng)的研制費(fèi)用就超過1 000萬美元，即使在投入批量生產(chǎn)以后，每套產(chǎn)品的成本也高達(dá)400萬美元。這種昂貴的產(chǎn)品，只有美國空軍一家將其用在MX戰(zhàn)略導(dǎo)彈上。 　　市場需求是推動科學(xué)發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步的動力，隨著前蘇聯(lián)-東歐體系的解體，美蘇冷戰(zhàn)時期結(jié)束，各種戰(zhàn)略性進(jìn)攻型武器的研制冷卻下來，各種防御性戰(zhàn)術(shù)武器迅速發(fā)展，使慣性儀表及系統(tǒng)從單純地追求高精度轉(zhuǎn)向以降低成本為主，兼顧可靠性、快速性、機(jī)動性、小型化為技術(shù)指標(biāo)的發(fā)展方向。 　　 隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論的飛速進(jìn)步，為捷聯(lián)慣性技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。新一代低成本中等精度的慣性儀表如撓性陀螺、激光陀螺、光纖陀螺、石英加速度計(jì)的研制成功，為捷聯(lián)系統(tǒng)打下了物質(zhì)基礎(chǔ)。捷聯(lián)技術(shù)的研究工作，如算法編排、誤差建模、誤差標(biāo)定與補(bǔ)償、測試技術(shù)等迅速得到發(fā)展。新的捷聯(lián)慣性系統(tǒng)產(chǎn)品普遍用于各種戰(zhàn)術(shù)武器和飛機(jī)航姿系統(tǒng)中，隨著固態(tài)儀表精度的不斷提高，誤差補(bǔ)償技術(shù)的逐漸完善，捷聯(lián)系統(tǒng)將逐步取代平臺系統(tǒng)。 [b]2　捷聯(lián)系統(tǒng)的精度 [/b]　　目前，捷聯(lián)系統(tǒng)的精度還未達(dá)到平臺系統(tǒng)所取得的精度水平，還不能完全滿足各種軍用和民用的要求，其原因是： 　　a） 新型捷聯(lián)用慣性儀表，如動力調(diào)諧陀螺儀、激光陀螺儀、光纖陀螺等漂移達(dá)到0.01°／h，石英加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)誤差達(dá)到1×10-4之后，進(jìn)一步提高儀表精度將會遇到加工工藝、材料、光電元器件等方面技術(shù)極限的限制，進(jìn)一步提高儀表硬件精度將會更加困難，大幅度地追加投資不一定能夠收到成比例的技術(shù)效益，同時也會給低成本優(yōu)勢的捷聯(lián)系統(tǒng)蒙上陰影。 　　b） 捷聯(lián)系統(tǒng)中的慣性儀表是直接與載體聯(lián)接，飛行器的惡劣動力學(xué)環(huán)境如過載沖擊、振動以及機(jī)動飛行等都會給慣性儀表和捷聯(lián)系統(tǒng)帶來動態(tài)誤差。這類誤差比較難以補(bǔ)償，這也是捷聯(lián)系統(tǒng)還沒有達(dá)到平臺系統(tǒng)精度水平的主要原因。 　　c） 為了充分發(fā)揮捷聯(lián)慣性系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢，利用其它系統(tǒng)的高精度測量信息來補(bǔ)償和抑制慣性系統(tǒng)隨工作時間延長而增長的誤差，達(dá)到提高導(dǎo)航（制導(dǎo)）精度的目的，建立以慣性系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以其它各種測量信息為輔助的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。 　　慣性技術(shù)的發(fā)展表明：從傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)子型陀螺向固態(tài)陀螺儀（激光、光纖和半球諧振陀螺儀）轉(zhuǎn)移并進(jìn)一步向以半導(dǎo)體硅為基本材料的微機(jī)械振動陀螺發(fā)展；從框架式平臺系統(tǒng)向捷聯(lián)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移；從純慣性捷聯(lián)系統(tǒng)向以慣性系統(tǒng)為基礎(chǔ)的多體制導(dǎo)航組合系統(tǒng)發(fā)展，成為今后慣性技術(shù)發(fā)展的總趨勢。 [b]3　組合導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)勢 [/b]　　組合導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)解脫了慣性系統(tǒng)的精度負(fù)擔(dān)，保留了慣性系統(tǒng)的自主性、短時間的相對高精度和連續(xù)提供全部導(dǎo)航（制導(dǎo)）參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。 　　美國的潘興Ⅱ彈道導(dǎo)彈采用中等精度的撓性陀螺平臺，加上數(shù)字景象匹配組合末制導(dǎo)技術(shù)，使導(dǎo)彈射程為1 800 km時落點(diǎn)誤差CEP達(dá)到39 m。戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈采用LN-35純慣性系統(tǒng)時導(dǎo)航誤差為1.17 km／h，這已經(jīng)是相當(dāng)高的精度水平，但在進(jìn)一步采用慣性與地形匹配組合技術(shù)以后，當(dāng)導(dǎo)彈巡航射程為2 000 km時，落點(diǎn)誤差進(jìn)一步縮小到100 m。 　　三叉戟Ⅱ洲際彈道導(dǎo)彈采用星光／慣性組合制導(dǎo)技術(shù)，使落點(diǎn)誤差CEP達(dá)到120 m，這與MX導(dǎo)彈采用的浮球平臺技術(shù)所達(dá)到的精度處于同一水平，但是該導(dǎo)彈的研制經(jīng)費(fèi)卻只及MX導(dǎo)彈的1／5。當(dāng)然這類組合制導(dǎo)系統(tǒng)，需要花費(fèi)一定的人力、物力、財(cái)力進(jìn)行各種作戰(zhàn)區(qū)域的高精度地形地圖的制作和高精度星光敏感器的研制，但它仍比浮球平臺技術(shù)簡單得多。 　　利用國外現(xiàn)有的導(dǎo)航衛(wèi)星資源進(jìn)行導(dǎo)航衛(wèi)星與慣性系統(tǒng)組合技術(shù)研究是一種比較簡捷的技術(shù)途徑。 　　GPS是導(dǎo)航星全球定位系統(tǒng)（NavstarGPS）的簡稱，它是由美國從70年代開始研制的第2代星基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)包括地面主控站、監(jiān)測站和注入站，空間包括24顆導(dǎo)航衛(wèi)星。1994年GPS衛(wèi)星布網(wǎng)結(jié)束，正式投入使用。 　　前蘇聯(lián)也建立了自己的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS），其系統(tǒng)的工作原理和組成與GPS相似。 　　國際民航組織（ICAO）確定并進(jìn)入實(shí)施階段的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS的基本思想是建立一個多星座的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，這個系統(tǒng)不是由某一個大國單獨(dú)控制。第1代GNSS由GPS、GLONASS和INMARSAT組成，其中INMARSAT為國際海事衛(wèi)星組織的通信導(dǎo)航衛(wèi)星，它包括4顆同步衛(wèi)星，15顆中高空（10 000 km）非同步衛(wèi)星。這個系統(tǒng)與GPS、GLONASS相對獨(dú)立，即使前二者關(guān)閉撤出服務(wù)，它也可以滿足全球?qū)Ш降男枰? 　　GPS可以在全球?yàn)橛脩羧旌虻靥峁┚_的位置、速度和授時數(shù)據(jù)，導(dǎo)航數(shù)據(jù)穩(wěn)定精確，但不能提供載體的姿態(tài)信息，工作性能受環(huán)境條件（山區(qū)、森林、隧洞、城市建筑及載體自身）、載體機(jī)動飛行和無線電干擾的影響。 　　慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是自主性好，不受環(huán)境、載體機(jī)動及無線電干擾的影響，能連續(xù)地提供全部導(dǎo)航參數(shù)（位置、速度和姿態(tài)），其數(shù)據(jù)更新率快、量程較大，且具有短時間內(nèi)較高的相對精度。但是隨著工作時間的延長，導(dǎo)航誤差隨時間積累增長，對捷聯(lián)系統(tǒng)來說還存在附加的動態(tài)誤差。 　　實(shí)現(xiàn)以慣性系統(tǒng)為基礎(chǔ)的GPS／SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)就可以優(yōu)勢互補(bǔ)、取長補(bǔ)短。用GPS接收機(jī)的高精度定位信息通過組合濾波器來標(biāo)定和補(bǔ)償捷聯(lián)系統(tǒng)的積累誤差，提高導(dǎo)航精度。同時，利用捷聯(lián)系統(tǒng)的速度和加速度信息對GPS接收機(jī)進(jìn)行速度輔助，以提高GPS接收機(jī)的抗干擾能力和動態(tài)性能，即使在GPS接收機(jī)測量數(shù)據(jù)短時間出現(xiàn)故障或消失，慣性系統(tǒng)仍能獨(dú)立工作并提供高精度的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。這是一個最佳組合方案，其性能、成本和體積均能滿足各種運(yùn)載器的導(dǎo)航技術(shù)要求。但是，這種組合導(dǎo)航方案在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些不足之處： 　　a） GPS為美國軍方控制，他們對衛(wèi)星系統(tǒng)施加SA噪聲信號使接收機(jī)在使用C／A碼的情況下精度下降，定位誤差達(dá)到100 m。另外，根據(jù)國際形勢的發(fā)展，美國軍方可能對外國用戶進(jìn)行區(qū)域性封鎖、關(guān)閉，這對國外軍事用戶來說是值得警惕的。為了減少這種風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)該研究與發(fā)展多星座衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性系統(tǒng)的組合方式。采用慣性系統(tǒng)與美國的GPS、俄羅斯的GLONASS和國際海事衛(wèi)星組織的INMARSAT進(jìn)行多重兼容的組合模式，以減少某些大國在特定時間對國外用戶單方面實(shí)施控制、封鎖甚至關(guān)閉的危險(xiǎn)，防止一國壟斷衛(wèi)星資源，保證用戶安全可靠地工作。 　　b） 為了有效地解決GPS接收機(jī)的抗干擾和動態(tài)性能問題，必須深入研究深組合的一些問題，例如將慣性速度信息（加速度信息）轉(zhuǎn)換成多普勒頻率變化估值輸入到接收機(jī)的載波回路，以擴(kuò)展接收機(jī)的快速追捕能力，提高動態(tài)性能，或者采用自適應(yīng)帶寬控制和自適應(yīng)相關(guān)器擴(kuò)距技術(shù)來改善接收機(jī)的動態(tài)性能。當(dāng)然這樣做并不是一件容易的事情，它需要改變接收機(jī)內(nèi)部的線路結(jié)構(gòu)，修改內(nèi)部軟件，但是所需的投入不會像研制慣性器件那樣多，所獲得的效益卻是相當(dāng)可觀的。 　　位置組合（即淺組合）濾波器的觀測量是GPS接收機(jī)輸出的位置和速度信息，這些信息是經(jīng)過一次濾波處理的。如果利用它與慣性系統(tǒng)的輸出信息進(jìn)行第2次濾波，然后反饋校正就容易出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了減小濾波的相關(guān)性，必須對組合濾波器的迭代頻率作嚴(yán)格的限制。 　　偽距和偽距變化率組合模式可以避免組合濾波器的相關(guān)性問題。因?yàn)閭尉嗪蛡尉嘧兓适荊PS接收機(jī)通道的原始測量數(shù)據(jù)，沒有經(jīng)過濾波處理，所以不存在組合濾波的相關(guān)性問題。這類測量數(shù)據(jù)數(shù)值很大，在組合濾波器中計(jì)算起來很不方便，利用偽距和偽距／偽距變化率的殘差進(jìn)行組合濾波就十分方便，它不是原始數(shù)據(jù)，而是一種補(bǔ)償了確定性誤差以后的準(zhǔn)原始數(shù)據(jù)。殘差數(shù)據(jù)數(shù)值較小，變化較慢，在時間延遲和不精確等方面對組合濾波的影響較小。 　　利用偽距和偽距變化率殘差還可以實(shí)現(xiàn)組合濾波器的多星測量模型，即所謂“All-in-view”測量模型。利用多星測量信息可以得到更好的導(dǎo)航精度和改善換星引起的數(shù)據(jù)波動。 　　c） 為了拓寬GPS／SINS組合系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，應(yīng)研究和設(shè)計(jì)成本更低、體積更小，適用于大批量生產(chǎn)的新的硅微固態(tài)慣性器件。 　　近年來，GPS接收機(jī)的研制工作進(jìn)展很快，成本已大幅度下降，多通道、小型化的多路導(dǎo)航OEM GPS模塊板已經(jīng)商品化。隨著微電子技術(shù)、光電技術(shù)和微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，硅微慣性器件也迅速發(fā)展起來。這種慣性器件以硅為基片材料，用半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)中的光刻和各向異性刻蝕技術(shù)進(jìn)行微細(xì)加工，生產(chǎn)出低成本、高可靠、抗振動、抗沖擊和極小體積及重量的慣性器件，例如，硅微陀螺儀有雙框架式陀螺、音叉式陀螺和框架振動輪式陀螺幾種，單個陀螺尺寸小于1 mm2，目前精度性能不高，帶寬60 Hz，分辨率為0.1 °／s，預(yù)計(jì)到本世紀(jì)末，陀螺漂移將達(dá)到1°／h。 　　硅微加速度計(jì)的最大尺寸為1 mm，偏置穩(wěn)定性（補(bǔ)償后）20 mg（-10 ℃～75 ℃），分辨率2 mg（60 Hz帶寬）。 　　由于這兩種慣性器件體積小，因此，可以在一塊不大的芯片上制作出多個陀螺和加速度計(jì)的慣性測量組合（IMU）。如果將它們與多路OEM GPS接收機(jī)模塊設(shè)計(jì)成GPS／SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，則可得到高精度、高可靠、耐惡劣環(huán)境條件、極小體積、低成本的導(dǎo)航設(shè)備，其商品價(jià)值和應(yīng)用領(lǐng)域是不可估量的。 [b]參考文獻(xiàn) [/b]　1　彭允祥. 導(dǎo)彈慣性技術(shù)向何處去. 現(xiàn)代軍事，1989（7）. 　2　Greiff P ，et al . Vibrating whell micromechanical gyro. IEEE， 1996. 編輯：何世平