深?？臻g站導(dǎo)航技術(shù)初探

吉雨冠（七○八研究所 上海 200011）

程榮濤（海裝武漢局湖北 武漢 430060）

深海空間站導(dǎo)航技術(shù)初探

吉雨冠（七○八研究所 上海 200011）

程榮濤（海裝武漢局湖北 武漢 430060）

深?？臻g站；導(dǎo)航技術(shù)；光纖陀螺

船舶科技發(fā)展“十一五”規(guī)劃綱要中，超前布置了包括深海空間站等10項(xiàng)代表船舶科技發(fā)展方向的重大關(guān)鍵技術(shù)。而導(dǎo)航技術(shù)的研究是深海空間站保障系統(tǒng)中一個(gè)主要內(nèi)容，基于光纖陀螺（FOG）的慣導(dǎo)技術(shù)（INS）的開(kāi)發(fā)和利用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

0 引言

隨著各國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，海洋資源的爭(zhēng)奪日趨激烈，海洋安全、維權(quán)的重要性日益凸顯。我國(guó)是海洋大國(guó)，無(wú)論近海還是深遠(yuǎn)海的利用都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。船舶科技發(fā)展“十一五”規(guī)劃綱要中，超前布置了包括深海空間站關(guān)鍵技術(shù)在內(nèi)的10項(xiàng)代表船舶科技發(fā)展方向的重大關(guān)鍵技術(shù)，增強(qiáng)了開(kāi)展深?？臻g站研究的責(zé)任感和緊迫感。

在上海市造船工程學(xué)會(huì)主辦的“2010年中國(guó)國(guó)際海洋工程發(fā)展論壇”上，專(zhuān)家再次呼吁，應(yīng)充分發(fā)揮“官、產(chǎn)、學(xué)、研、用”結(jié)合的模式，向目前我國(guó)船舶工業(yè)最薄弱的深海技術(shù)進(jìn)軍。在國(guó)家已經(jīng)初步認(rèn)定海工裝備作為新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)上，把“深?？臻g站”作為重大科技工程，能夠列入“十二五”發(fā)展規(guī)劃中。

1 深?？臻g站簡(jiǎn)介

深海裝備由于要適應(yīng)其所處的深海（目前定義為500 m）復(fù)雜、嚴(yán)酷環(huán)境，在技術(shù)發(fā)展上與其他海洋裝備相比有許多特異之處。軍民用深海裝備在技術(shù)發(fā)展上各有側(cè)重，同時(shí)，許多深海裝備技術(shù)呈現(xiàn)出良好的軍民共用性。近年來(lái)軍、民用領(lǐng)域?qū)ι詈Ｑb備技術(shù)日益增長(zhǎng)的需求以及深海裝備技術(shù)良好的軍民共用性極大地促進(jìn)了深海裝備技術(shù)的發(fā)展，使深海裝備技術(shù)成為當(dāng)前及未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)期非常值得關(guān)注的前沿技術(shù)領(lǐng)域。

深海裝備的種類(lèi)繁多，主要包括大深度潛艇、移動(dòng)式載人深海空間站、固定式居住型深海空間站、固定式無(wú)人深海空間站、載人潛器（包括系纜潛器，浮力艙式潛器和自由自航潛器）、無(wú)人潛器（包括遙控潛器和智能潛器）、深海探測(cè)裝備、深海導(dǎo)航裝備、深海通信裝備、深海作業(yè)工具等。

美國(guó)的深?？臻g站計(jì)劃源自康涅狄格州的國(guó)家水下研究中心主管庫(kù)伯教授，其目前正在醞釀世界上第一個(gè)深海生活—工作實(shí)驗(yàn)室——海洋大氣海底綜合研究基地。該海洋基地將成為世界上第一個(gè)深海研究設(shè)備，它將處于水下139.7m的大陸架上，占地2 580m2，分三部分：水上上層建筑部分、中部和海底基地。一個(gè)水密的柱式電梯將往返實(shí)驗(yàn)室和居室之間。

海洋基地研究的內(nèi)容將涉及：氣候變化研究、海水—空氣交換、生態(tài)系統(tǒng)模型確認(rèn)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)、居住研究、海上水產(chǎn)業(yè)、人在極限環(huán)境下的反應(yīng)等等。

美國(guó)海軍1969年就投入使用了NR-1核動(dòng)力潛器，潛水深度914 m。21世紀(jì)美國(guó)提出了深海研究平臺(tái)的新要求。母船平臺(tái)必須能夠秘密獨(dú)立地航行到任務(wù)目的地，執(zhí)行所定的任務(wù)，包括布放、回收和支持潛器，并且在這期間不需要其他船舶的支持。

2 用于海洋平臺(tái)的導(dǎo)航技術(shù)

現(xiàn)代導(dǎo)航已隨著科學(xué)技術(shù)，如超音速飛機(jī)、核動(dòng)力潛艇、宇航飛行和運(yùn)輸事業(yè)等的發(fā)展而得到了驚人的發(fā)展。從概念上講，現(xiàn)代導(dǎo)航已不再只是作為運(yùn)動(dòng)體安全可靠地到達(dá)目的地的保障手段，而包含著全天侯覆蓋、自動(dòng)駕駛、著陸引導(dǎo)、進(jìn)港拋錨、交通管制、武器制導(dǎo)、電子對(duì)抗，以及諸如偵察、反潛、拍照、協(xié)同作戰(zhàn)……等特殊應(yīng)用的要求。它是一門(mén)與電波傳播、電子計(jì)算機(jī)、信息論、自動(dòng)控制論、系統(tǒng)工程等多種新興技術(shù)密切相關(guān)的綜合性高技術(shù)。

用于海洋平臺(tái)的導(dǎo)航技術(shù)有：羅蘭-C、GPS、北斗、慣性導(dǎo)航（INS）等。羅蘭－C（Loran－C）系統(tǒng)是一種低頻脈沖相位雙曲線遠(yuǎn)程導(dǎo)航系統(tǒng)，定位精度≤0.25~1.25 n·mile（當(dāng)S/N=1∶3，羅蘭C臺(tái)鏈有效地波覆蓋區(qū)）；GPS（Global Positioning System）——全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是利用空中衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)。它能在全球范圍內(nèi)，全天候連續(xù)地提供高精度三維位置、三維速度和精密的時(shí)間信息，定位精度：≤100 m（2D、SA,、HDOP≤2條件下）；北斗定位系統(tǒng)，是我國(guó)自主研制的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，定位精度：≤100m。

以上三種導(dǎo)航技術(shù)基本可以滿(mǎn)足水上海洋平臺(tái)的使用要求，但對(duì)于水下的海洋平臺(tái)（如潛艇、深?？臻g站）由于無(wú)線電波的迅速衰減，而無(wú)法使用。目前，潛艇的水下導(dǎo)航主要利用慣性導(dǎo)航（INS）系統(tǒng)，航向精度：≤1.5′、4 h（RMS）,航程解算精度≤0.5%。

3 基于光纖陀螺（FOG）的慣導(dǎo)技術(shù)

3.1 慣導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展

隨著航海的發(fā)展，19世紀(jì)后半葉就出現(xiàn)了鋼制輪船，由于磁羅盤(pán)無(wú)法保證鋼質(zhì)輪船的導(dǎo)航精度，容易發(fā)生海難事故，更無(wú)法在潛艇中使用，從而促進(jìn)了陀螺儀在航海中的應(yīng)用。

第二次世界大戰(zhàn)期間，德國(guó)的V-2導(dǎo)彈使用陀螺儀和加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)量定位，形成了慣性制導(dǎo)的雛形。雖然受到當(dāng)時(shí)技術(shù)和工藝水平的限制，它的導(dǎo)航定位精度還比較低，結(jié)構(gòu)也不完善，但這卻是慣性制導(dǎo)在工程上開(kāi)創(chuàng)性的應(yīng)用。

第二次世界大戰(zhàn)以后，美國(guó)和蘇聯(lián)都投入了大量的人力和物力開(kāi)展慣導(dǎo)系統(tǒng)的研制工作。50年代，由于技術(shù)和工藝的進(jìn)步以及電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，為比較完善的慣導(dǎo)系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)提供了較好的物質(zhì)條件。美國(guó)首先在陀螺精度上取得突破，麻省理工學(xué)院（MIT）儀表實(shí)驗(yàn)室研制慣性級(jí)精度的液浮陀螺儀。1954年，慣導(dǎo)系統(tǒng)在飛機(jī)上試飛成功。1958年，“魟魚(yú)”號(hào)潛艇從珍珠港附近潛入深海，依靠慣導(dǎo)系統(tǒng)穿越北極到達(dá)英國(guó)波蘭港，歷時(shí)21天，航程8 146m。這表明慣性導(dǎo)航（INS）技術(shù)在50年代已經(jīng)趨于成熟。

從50年代末至60年代初，以液浮陀螺儀、氣浮陀螺儀和動(dòng)力諧調(diào)陀螺儀構(gòu)成的平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，并大量裝備各種飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈和航天飛行器；70年代，以靜電陀螺儀構(gòu)成的高精度平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)開(kāi)始步入實(shí)用。由于科技的進(jìn)步，激光陀螺達(dá)到慣性級(jí)精度，還相繼出現(xiàn)了光纖陀螺和半球諧振陀螺儀；80年代，以激光陀螺儀和光纖陀螺儀構(gòu)成的捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)獲得了工程應(yīng)用，這是慣性導(dǎo)航（INS）技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中又一個(gè)重要的里程碑。

3.2 光纖陀螺（FOG）的現(xiàn)狀

光纖陀螺儀作為繼激光陀螺儀之后出現(xiàn)的新一代陀螺，各國(guó)的研制工作已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展。光纖陀螺儀的研制對(duì)慣性導(dǎo)航（INS）和控制領(lǐng)域十重要，隨著計(jì)算機(jī)、微電子和光纖技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，它將取代傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺和平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)。

光纖陀螺儀與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀相比，優(yōu)點(diǎn)是全固態(tài)，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件，壽命長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)范圍大，瞬時(shí)啟動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量輕；與激光陀螺儀相比，光纖陀螺儀沒(méi)有閉鎖問(wèn)題，也不用在石英塊精密加工出光路，成本低。

光纖陀螺儀按原理上分類(lèi)，可以分為：干涉儀式、諧振腔式和光纖型環(huán)型激光陀螺儀。

干涉儀式光纖陀螺儀按照光路的組成又可以分為：消偏型、全光纖型和集成光學(xué)型。

諧振腔式光纖陀螺儀按照光路的組成又可以分為：全光纖型和集成光學(xué)型。

光纖型環(huán)形激光陀螺儀是一種利用光纖環(huán)形腔中的受激布里淵散射的方向性增益效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)利用Saganc效應(yīng)檢測(cè)諧振速率，其原理與激光陀螺儀完全相似。由于無(wú)需復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)檢測(cè)技術(shù)，國(guó)際上倍受重視。

美國(guó)的光纖陀螺研制單位有：利頓公司、霍尼威爾公司、德雷泊實(shí)驗(yàn)室公司、斯坦福大學(xué)以及光纖傳感技術(shù)公司等。以利頓公司為例：1988年研制出SCIT實(shí)驗(yàn)慣性裝置，慣件器件是光纖陀螺和硅加速度計(jì)；1989年公司研制的CIGIF論證系統(tǒng)飛行試驗(yàn)裝置；1991/1992年研制出用于導(dǎo)彈和姿態(tài)與航向參考系統(tǒng)的慣性測(cè)量系統(tǒng)。1992年研制出GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

日本研制光纖陀螺的單位有東京大學(xué)尖端技術(shù)室、日立公司、住友電工公司、三菱公司、日本航空電子工業(yè)公司。在日本，光纖陀螺作為汽車(chē)的旋轉(zhuǎn)速率傳感器已進(jìn)入市場(chǎng)。利用光纖陀螺儀進(jìn)行導(dǎo)航，用車(chē)輪轉(zhuǎn)速計(jì)傳感器測(cè)移動(dòng)距離，用光纖陀螺測(cè)量車(chē)體的回轉(zhuǎn)，同時(shí)采用圖像匹配、GPS系統(tǒng)等配合計(jì)算汽車(chē)的位置和方位，顯示在信息處理器上。

俄羅斯的光纖陀螺有全光纖型和集成光學(xué)型。全光纖型是把所有的光纖器件都做在同一根光纖上。Fizoptika公司研制的光纖陀螺已經(jīng)商品化，產(chǎn)品型號(hào)有：VG949、VG941B等。

我國(guó)也非常重視光纖陀螺技術(shù)的研究，上世紀(jì)80年代后,許多大學(xué)和研究所相繼啟動(dòng)光纖陀螺的研發(fā)項(xiàng)目，如航天工業(yè)總公司所屬13研究所和上海803研究所、哈爾濱工程大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)等，也取得了一定的成績(jī)，如1996年，航天總公司13所成功研制采用Y分支多功能集成光路、零偏穩(wěn)定性達(dá)全數(shù)字閉環(huán)保偏光纖陀螺，浙江大學(xué)和Honeywell公司幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)利用消偏可提高精度等。國(guó)內(nèi)的光纖陀螺研制水平雖然與國(guó)際水平有一定距離，但已具備或接近中、低精度要求。

3.3 基于光纖陀螺（FOG）的慣導(dǎo)技術(shù)

慣性導(dǎo)航（INS）也存在一個(gè)問(wèn)題：其誤差會(huì)隨著時(shí)間積累——工作時(shí)間越長(zhǎng)，誤差越大。深?？臻g站或潛艇往往要在水下航行幾天、幾十天甚至幾個(gè)月，這個(gè)累計(jì)誤差不可小覷。所以，關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)，還是陀螺儀的精準(zhǔn)度。因此，運(yùn)用于導(dǎo)航系統(tǒng)的陀螺儀，是非常精密、復(fù)雜的器件。把一個(gè)機(jī)械陀螺的漂移誤差做到小于每小時(shí)千分之一度或萬(wàn)分之一度，絕非易事。現(xiàn)在比較先進(jìn)的光纖陀螺儀已經(jīng)達(dá)到0.01度/小時(shí)，比較典型的光纖陀螺應(yīng)該具有量程寬、精度高、響應(yīng)快、靈敏度高、模擬和數(shù)字輸出、堅(jiān)固可靠、不受電磁與震動(dòng)影響等特點(diǎn).因此光纖陀螺已成為準(zhǔn)確控制和高精度角速度測(cè)量的首選應(yīng)用。

基于光纖陀螺（FOG）的慣導(dǎo)技術(shù)需要突破的主要技術(shù)分為三個(gè)方面：

a）光纖陀螺（FOG）精準(zhǔn)度的改進(jìn)提高

靈敏度消失、噪聲和光纖雙折射引起的漂移是影響光纖陀螺（FOG）精度的三個(gè)主要因素。在旋轉(zhuǎn)速率接近0時(shí)，靈敏度會(huì)消失。這是由于檢測(cè)器中的光密度正比于Saganc相移的余弦量所引起。光纖陀螺儀的噪聲是由于瑞利背向散射引起的，為了達(dá)到低噪聲，應(yīng)采用小相干長(zhǎng)度的光源。如果兩束相反傳播的光波在不同的光路上，就會(huì)產(chǎn)生光纖雙折射飄移。

b）系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用冗余技術(shù)

冗余技術(shù)是指當(dāng)系統(tǒng)無(wú)故障時(shí)取消這些冗余措施不會(huì)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。常用的冗余方法有硬件冗余、軟件冗余、信息冗余、時(shí)間冗余、解析冗余及幾種冗余技術(shù)的綜合應(yīng)用，冗余技術(shù)應(yīng)用可以提高慣導(dǎo)的精準(zhǔn)度。

可以確保導(dǎo)航信息的使用精度；

在設(shè)備存在軟故障而引起較大的導(dǎo)航輸出信息誤差的情況下，可以準(zhǔn)確而及時(shí)地進(jìn)行故障判定和切換，從而排除故障信息，保證導(dǎo)航信息的使用安全性；

根據(jù)故障信息的特征，實(shí)現(xiàn)故障診斷，保證系統(tǒng)的有效性；

根據(jù)慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)不同工作方式的誤差傳播特性，利用冗余信息建立系統(tǒng)誤差和誤差源之間的求解方程組，實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差源的估算、修正和補(bǔ)償，以延長(zhǎng)系統(tǒng)的重調(diào)時(shí)間，提高系統(tǒng)輸出導(dǎo)航信息的精度。

c）慣性組合導(dǎo)航積累誤差補(bǔ)償及修正

慣性導(dǎo)航（INS）原理上存在的長(zhǎng)時(shí)間積累誤差決定了必須尋找有效手段加以補(bǔ)償,利用北斗導(dǎo)航定位信息或多卜勒導(dǎo)航信息進(jìn)行修正，是提高INS性能重要手段之一。

4 結(jié)語(yǔ)

導(dǎo)航技術(shù)的研究是深?？臻g站保障系統(tǒng)中一個(gè)主要內(nèi)容。哈爾濱工程大學(xué)基于光纖陀螺（FOG）慣導(dǎo)技術(shù)（INS）的研究已持續(xù)了很多年，預(yù)計(jì)在未來(lái)3~5年內(nèi)，高精度光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將達(dá)到實(shí)用狀態(tài)。這一技術(shù)的開(kāi)發(fā)和利用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］曾恒一，李清平，吳應(yīng)湘.開(kāi)發(fā)深海資源的海底空間站技術(shù)［D］.2006年度海洋工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.中國(guó)造船.

［2］王洪志，周君益，韓恩權(quán).光纖陀螺在潛艇導(dǎo)航中的應(yīng)用分析［J］.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2004（01）.

［3］王珍熙.可靠性、冗余及容錯(cuò)技術(shù)［M］.航空工業(yè)出版社，1991.

［4］錢(qián)華明，袁贛南.分布式數(shù)據(jù)總線及其在慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，1997，5（4）.

［5］郭素云.陀螺儀原理及應(yīng)用［M］．哈工大出版社，1985.

The navigation technique for the deep-sea space station

Ji Yuguan Cheng Rongtao

deep-sea space station；navigation technique；optical fiber gyro

The“eleven-5th”ship technology development planning compendium has assigned ten key technologies，which representing the development trend of the ship technology，including the deep-sea space station.Moreover，the navigation technique is a main content in the deep-sea space station logistics system，and the development and application of the optical fiber gyro（FOG）and inertial navigation system（INS）have very important practical significance.

U666.1

A

1001-9855（2011）01-0048-04

2010-11-17

吉雨冠（1959.01-），男，漢族，高級(jí)工程師，主要從事通信導(dǎo)航研究設(shè)計(jì)工作。

程榮濤（1975.12-），男，漢族，工程師，主要從事通信導(dǎo)航研究設(shè)計(jì)工作。