[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，近年來得到很快的發(fā)展，并且在一些戰(zhàn)術(shù)武器中得到應用。由于精度尚未達到平臺系統(tǒng)的精度水平，所以其應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，其應用范圍逐漸擴大。由于GPS的授權(quán)限制、動態(tài)性能及抗干擾能力等因素，其軍事應用范圍有一定程度的局限。解決矛盾的方法是進行慣性技術(shù)與多體制導航衛(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彈V-2火箭自主式制導系統(tǒng)的核心部件，隨后，美蘇兩國進入了戰(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)展與進步。慣性技術(shù)中首先重點發(fā)展的是平臺系統(tǒng)和與之相適應的氣浮、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，僅一臺浮球平臺系統(tǒng)的研制費用就超過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)略導彈上。 　　市場需求是推動科學發(fā)展與技術(shù)進步的動力，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、機動性、小型化為技術(shù)指標的發(fā)展方向。 　　 隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、現(xiàn)代控制理論的飛速進步，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、誤差標定與補償、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)武器和飛機航姿系統(tǒng)中，隨著固態(tài)儀表精度的不斷提高，誤差補償技術(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、光纖陀螺等漂移達到0.01°／h，石英加速度計的標度因數(shù)誤差達到1×10-4之后，進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環(huán)境如過載沖擊、振動以及機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償，這也是捷聯(lián)系統(tǒng)還沒有達到平臺系統(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償和抑制慣性系統(tǒng)隨工作時間延長而增長的誤差，達到提高導航（制導）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航系統(tǒng)。 　　慣性技術(shù)的發(fā)展表明：從傳統(tǒng)的機械轉(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)移并進一步向以半導體硅為基本材料的微機械振動陀螺發(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　組合導航技術(shù)的優(yōu)勢 [/b]　　組合導航系統(tǒng)技術(shù)解脫了慣性系統(tǒng)的精度負擔，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)提供全部導航（制導）參數(shù)的優(yōu)點。 　　美國的潘興Ⅱ彈道導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技術(shù)，使導彈射程為1 800 km時落點誤差CEP達到39 m。戰(zhàn)斧巡航導彈采用LN-35純慣性系統(tǒng)時導航誤差為1.17 km／h，這已經(jīng)是相當高的精度水平，但在進一步采用慣性與地形匹配組合技術(shù)以后，當導彈巡航射程為2 000 km時，落點誤差進一步縮小到100 m。 　　三叉戟Ⅱ洲際彈道導彈采用星光／慣性組合制導技術(shù)，使落點誤差CEP達到120 m，這與MX導彈采用的浮球平臺技術(shù)所達到的精度處于同一水平，但是該導彈的研制經(jīng)費卻只及MX導彈的1／5。當然這類組合制導系統(tǒng)，需要花費一定的人力、物力、財力進行各種作戰(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)有的導航衛(wèi)星資源進行導航衛(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）確定并進入實施階段的全球?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)星導航系統(tǒng)，這個系統(tǒng)不是由某一個大國單獨控制。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可以在全球為用戶全天候地提供精確的位置、速度和授時數(shù)據(jù)，導航數(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）、載體機動飛行和無線電干擾的影響。 　　慣性導航系統(tǒng)的優(yōu)點是自主性好，不受環(huán)境、載體機動及無線電干擾的影響，能連續(xù)地提供全部導航參數(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。 　　實現(xiàn)以慣性系統(tǒng)為基礎(chǔ)的GPS／SINS組合導航系統(tǒng)就可以優(yōu)勢互補、取長補短。用GPS接收機的高精度定位信息通過組合濾波器來標定和補償捷聯(lián)系統(tǒng)的積累誤差，提高導航精度。同時，利用捷聯(lián)系統(tǒng)的速度和加速度信息對GPS接收機進行速度輔助，以提高GPS接收機的抗干擾能力和動態(tài)性能，即使在GPS接收機測量數(shù)據(jù)短時間出現(xiàn)故障或消失，慣性系統(tǒng)仍能獨立工作并提供高精度的導航數(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載器的導航技術(shù)要求。但是，這種組合導航方案在實際應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噪聲信號使接收機在使用C／A碼的情況下精度下降，定位誤差達到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。為了減少這種風險，應該研究與發(fā)展多星座衛(wèi)星導航系統(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施控制、封鎖甚至關(guān)閉的危險，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的載波回路，以擴展接收機的快速追捕能力，提高動態(tài)性能，或者采用自適應帶寬控制和自適應相關(guān)器擴距技術(shù)來改善接收機的動態(tài)性能。當然這樣做并不是一件容易的事情，它需要改變接收機內(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可觀的。 　　位置組合（即淺組合）濾波器的觀測量是GPS接收機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。因為偽距和偽距變化率是GPS接收機通道的原始測量數(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，在組合濾波器中計算起來很不方便，利用偽距和偽距／偽距變化率的殘差進行組合濾波就十分方便，它不是原始數(shù)據(jù)，而是一種補償了確定性誤差以后的準原始數(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)的應用范圍，應研究和設(shè)計成本更低、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接收機的研制工作進展很快，成本已大幅度下降，多通道、小型化的多路導航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，用半導體集成電路生產(chǎn)中的光刻和各向異性刻蝕技術(shù)進行微細加工，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，預計到本世紀末，陀螺漂移將達到1°／h。 　　硅微加速度計的最大尺寸為1 mm，偏置穩(wěn)定性（補償后）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的慣性測量組合（IMU）。如果將它們與多路OEM GPS接收機模塊設(shè)計成GPS／SINS組合導航系統(tǒng)，則可得到高精度、高可靠、耐惡劣環(huán)境條件、極小體積、低成本的導航設(shè)備，其商品價值和應用領(lǐng)域是不可估量的。 [b]參考文獻 [/b]　1　彭允祥. 導彈慣性技術(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