原子慣性導(dǎo)航將大幅度地壓縮GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用空間
——GNSS測(cè)量成果應(yīng)用問題之五

劉基余

（武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079）

據(jù)法新社2013年4月25日?qǐng)?bào)道，美軍正在研發(fā)新一代導(dǎo)航系統(tǒng)，用于替代易受干擾的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)。這一系統(tǒng)將不再依賴衛(wèi)星，它將被集成在以立方毫米為單位的超小芯片上，被稱之為原子慣性導(dǎo)航。

1 慣性導(dǎo)航概況

和天文導(dǎo)航一樣，慣性導(dǎo)航也是一種自主式的導(dǎo)航技術(shù)。按照慣性測(cè)量裝置在運(yùn)載體上的安裝方式，分為平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（慣性測(cè)量裝置安裝在慣性平臺(tái)的臺(tái)體上，如圖1所示）和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（慣性測(cè)量裝置直接安裝在運(yùn)載體上），后者能夠省去平臺(tái)，但是，儀表工作條件不佳（影響精度），計(jì)算工作量大。

圖1 慣性平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

一個(gè)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS，Inertial Navigation System），一般由慣性測(cè)量裝置、計(jì)算機(jī)、控制顯示器等部件組成。慣性測(cè)量裝置包括加速度計(jì)和陀螺儀（稱之為慣性導(dǎo)航組合）：3個(gè)自由度陀螺儀用來測(cè)量飛行器的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，3個(gè)加速度計(jì)用來測(cè)量飛行器的3個(gè)平移運(yùn)動(dòng)的加速度。計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)得的加速度信號(hào)計(jì)算出飛行器的速度和位置數(shù)據(jù)?？刂骑@示器顯示各種導(dǎo)航參數(shù)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：一是由于它是不依賴于任何外部信息，也不向外部輻射能量的自主式系統(tǒng)，故隱蔽性好且不受外界電磁干擾的影響；二是可全天候、全球性、全時(shí)間地工作于空中地球表面乃至水下；三是能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，所產(chǎn)生的導(dǎo)航信息連續(xù)性好而且噪聲低；四是數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好。它的缺點(diǎn)：一是由于導(dǎo)航信息經(jīng)過積分而產(chǎn)生，定位誤差隨時(shí)間而增大，長(zhǎng)期精度差；二是每次使用之前需要較長(zhǎng)的初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間；三是設(shè)備的價(jià)格較昂貴；四是不能給出時(shí)間信息。

1954年慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在飛機(jī)上試飛成功；1958年“舡魚”號(hào)潛艇依靠慣性導(dǎo)航穿過北極時(shí)，在冰層下航行了21天。中國(guó)從1956年開始研制慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，自1970年以來，在多次發(fā)射的人造地球衛(wèi)星和火箭上，以及各種飛機(jī)上，都采用了本國(guó)研制的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。近年來，我國(guó)的慣性導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，液浮陀螺平臺(tái)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、動(dòng)力調(diào)諧陀螺四軸平臺(tái)系統(tǒng)已相繼應(yīng)用于長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭。其他各類小型化捷聯(lián)慣導(dǎo)、光纖陀螺慣導(dǎo)、激光陀螺慣導(dǎo)以及匹配GPS修正的慣導(dǎo)裝置等，也大量應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)武器、飛機(jī)、艦艇、運(yùn)載火箭、宇宙飛船等。

慣性導(dǎo)航技術(shù)在國(guó)防裝備技術(shù)中占有非常重要的地位。對(duì)于慣性制導(dǎo)的中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈，一般說來命中精度70%取決于制導(dǎo)系統(tǒng)的精度；對(duì)于導(dǎo)彈核潛艇，由于潛航時(shí)間長(zhǎng)，其位置和速度是變化的，而這些數(shù)據(jù)是發(fā)射導(dǎo)彈的初始參數(shù)，直接影響導(dǎo)彈的命中精度，因而需要提供高精度位置、速度和垂直對(duì)準(zhǔn)信號(hào)，目前適用于潛艇的惟一導(dǎo)航設(shè)備就是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航完全是依靠運(yùn)載體自身設(shè)備獨(dú)立自主地進(jìn)行導(dǎo)航，不依賴外部信息，具有隱蔽性好、工作不受氣象條件和人為干擾影響的優(yōu)點(diǎn)，而且精度高。對(duì)于遠(yuǎn)程巡航導(dǎo)彈，慣性制導(dǎo)系統(tǒng)加上地圖匹配技術(shù)或其他制導(dǎo)技術(shù)，可保證它飛越幾千千米之后仍能以很高的精度擊中目標(biāo)。

現(xiàn)代慣性導(dǎo)航技術(shù)在各國(guó)政府雄厚資金的支持下，己經(jīng)從最初的軍事應(yīng)用滲透到民用領(lǐng)域。慣性導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)逐步推廣到航天、航空、航海、石油開發(fā)、大地測(cè)量、海洋調(diào)查、地質(zhì)鉆控、機(jī)器人技術(shù)和鐵路等領(lǐng)域，隨著新型慣性敏感器件的出現(xiàn)，慣性導(dǎo)航技術(shù)在汽車工業(yè)、醫(yī)療電子設(shè)備中都得到了應(yīng)用。因此，慣性導(dǎo)航技術(shù)不僅在國(guó)防現(xiàn)代化中占有十分重要的地位，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中也日益顯示出它的巨大作用。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)屬于推算導(dǎo)航方式，即從一已知點(diǎn)的位置根據(jù)連續(xù)測(cè)得的運(yùn)動(dòng)體航向角和速度推算出其下一點(diǎn)的位置，因而可連續(xù)測(cè)出運(yùn)動(dòng)體的當(dāng)前位置。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的陀螺儀用來形成一個(gè)導(dǎo)航坐標(biāo)系，使加速度計(jì)的測(cè)量軸穩(wěn)定在該坐標(biāo)系中，并給出航向和姿態(tài)角；用加速度計(jì)（慣性敏感元件）測(cè)量出運(yùn)動(dòng)載體在北向、東向和重力向的三個(gè)加速度，經(jīng)過積分器的一次積分，求得上述三向的三個(gè)速度，進(jìn)而由另一種積分器積分成為三個(gè)坐標(biāo)分量，再經(jīng)過坐標(biāo)變換，而獲得運(yùn)動(dòng)載體的實(shí)用點(diǎn)位坐標(biāo)和姿態(tài)（如圖2所示）。

圖2 慣性導(dǎo)航的三維坐標(biāo)測(cè)定

當(dāng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)按照地球橢球體面的曲率沿測(cè)線運(yùn)行時(shí)，慣性平臺(tái)上的北向、東向和重力向的三個(gè)加速度計(jì)，分別測(cè)得在這三個(gè)方向上的載體加速度aNaEaZ，經(jīng)過一次積分得到它們的相應(yīng)速度是：

式中，VN0VE0VZ0分別為北向、東向和重力向的載體初始速度，對(duì)這三個(gè)方向的速度再進(jìn)行積分就能夠求得載體的位移距離xyz；依據(jù)載體初始進(jìn)動(dòng)點(diǎn)的已知坐標(biāo)λ0、φ0、H0，以及地球橢球面的子午圈曲率半徑RM和卯酉圈曲率半徑RN，進(jìn)而求得載體在t時(shí)刻的經(jīng)度、緯度和高程分別是：

從式（2）可知，載體初始進(jìn)動(dòng)點(diǎn)的已知坐標(biāo)λ0、φ0、H0的測(cè)定誤差（mφ0mλ0mH0），直接影響載體的三維位置測(cè)量精度，因此，應(yīng)該盡量減小mφ0mλ0mH0值，以此提高載體三維位置測(cè)量精度。

由上述可見，慣性導(dǎo)航不需要依賴外界信息，就能夠獨(dú)立自主地給出運(yùn)動(dòng)載體的位置、速度和姿態(tài)參數(shù)，而具有抗電磁輻射干擾、大機(jī)動(dòng)飛行和隱蔽性好的特點(diǎn)。但是，它所測(cè)定的點(diǎn)位坐標(biāo)等導(dǎo)航參數(shù)誤差隨時(shí)間增長(zhǎng)而增大，不適合長(zhǎng)時(shí)間的導(dǎo)航應(yīng)用。衛(wèi)星導(dǎo)航所測(cè)定的點(diǎn)位坐標(biāo)等導(dǎo)航參數(shù)，不僅精度高，而且誤差不隨時(shí)間長(zhǎng)短而變化，因此，以衛(wèi)星導(dǎo)航之長(zhǎng)、克服慣性導(dǎo)航之短的GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，就成為國(guó)內(nèi)外的一個(gè)熱門研發(fā)項(xiàng)目，現(xiàn)已在海空天的運(yùn)動(dòng)載體上獲得了較多的工程實(shí)用。例如，美軍的BGM-109C“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈，當(dāng)用慣性加地形匹配制導(dǎo)時(shí)，它的圓概率誤差僅為9m左右，在它的慣性加地形匹配制導(dǎo)系統(tǒng)中加入GPS技術(shù)之后，它的圓概率誤差降低到3m，顯著提高了“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈的制導(dǎo)精度，進(jìn)而增強(qiáng)了它的殺傷力。

捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Strap-down Inertial Navigation System，SINS）是將加速度計(jì)和陀螺儀直接安裝在載體上，在計(jì)算機(jī)中實(shí)時(shí)計(jì)算姿態(tài)矩陣，即計(jì)算出載體坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的關(guān)系，從而把載體坐標(biāo)系的加速度計(jì)信息轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航坐標(biāo)系下的信息，然后進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算。由于具有可靠性高、功能強(qiáng)、重量輕、成本低、精度高以及使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，使得SINS成為當(dāng)今慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的主流。捷聯(lián)慣性測(cè)量組件（Inertial Measurement Unit，IMU）是慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心組件，IMU輸出信息的精度在很大程度上決定了系統(tǒng)的精度。陀螺儀和加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中不可缺少的核心測(cè)量器件，現(xiàn)代高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)所采用的陀螺儀和加速度計(jì)提出了很高的要求，因?yàn)橥勇輧x的漂移誤差和加速度計(jì)的零位偏值是影響慣導(dǎo)系統(tǒng)精度的最直接的和最重要的因素，因此如何改善慣性器件的性能，提高慣性組件的測(cè)量精度，特別是陀螺儀的測(cè)量精度，一直是慣性導(dǎo)航領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

陀螺儀的發(fā)展經(jīng)歷了幾個(gè)階段：最初的滾珠軸承式陀螺漂移速率為（l-2）°/h，通過攻克慣性儀表支撐技術(shù)而發(fā)展起來的氣浮、液浮和磁浮陀螺儀，其精度可以達(dá)到0.001°/h，而靜電支撐陀螺的精度可優(yōu)于0.0001°/h。從20世紀(jì)60年代開始，撓性陀螺的研制工作開始起步，其漂移精度優(yōu)于0.05°/h量級(jí)，最好的水平可以達(dá)到0.001°/h。1961年激光陀螺首次研制成功，標(biāo)志著光學(xué)陀螺開始主宰陀螺市場(chǎng)。目前激光陀螺的零偏穩(wěn)定性最高可達(dá)0.0005°/h，激光陀螺面臨的最大問題是其制造工藝比較復(fù)雜，因而造成成本偏高，同時(shí)其體積和重量也偏大，這一方面在一定程度上限制了其在某些領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用，另一方面也促使激光陀螺向低成本、小型化以及三軸整體式方向發(fā)展。而另一種光學(xué)陀螺-光纖陀螺不但具有激光陀螺的很多優(yōu)點(diǎn)，而且還具有制造工藝簡(jiǎn)單、成本低和重量輕等特點(diǎn)，目前正成為發(fā)展最快的一種光學(xué)陀螺。

2 原子慣性導(dǎo)航技術(shù)即將問世

2010年開始，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency， DARPA）開展了不依賴衛(wèi)星的導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)工作，目的在于全面替代GPS衛(wèi)星導(dǎo)航，而不是作為GPS系統(tǒng)的補(bǔ)充。成立于1958年的美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局，是美國(guó)國(guó)防部屬下的一個(gè)行政機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)研發(fā)軍事用途的高新科技。目前，該局聯(lián)合美國(guó)密歇根大學(xué)的研究人員已經(jīng)研制出了一種不依賴衛(wèi)星的新型導(dǎo)航系統(tǒng)，它被集成在一個(gè)僅有8立方毫米的芯片上，芯片中集成有3個(gè)微米級(jí)的陀螺儀、加速器和原子鐘，它們共同構(gòu)成了一個(gè)不依賴外界信息的自主導(dǎo)航系統(tǒng)。這名項(xiàng)目主管還稱，按計(jì)劃，這種新一代的導(dǎo)航系統(tǒng)將會(huì)首先被用于小口徑彈藥制導(dǎo)、重點(diǎn)人員監(jiān)控，以及水下武器平臺(tái)等GPS應(yīng)用觸及不到的領(lǐng)域。

美軍所謂的新一代導(dǎo)航系統(tǒng)其實(shí)質(zhì)是一種基于現(xiàn)代原子物理最新技術(shù)成就的微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是人類最早發(fā)明的導(dǎo)航系統(tǒng)之一，早在1942年德國(guó)在V-2火箭上就首先應(yīng)用了慣性導(dǎo)航技術(shù)。而美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局新一代導(dǎo)航系統(tǒng)主要通過集成在微型芯片上的原子陀螺儀、加速器和原子鐘精確測(cè)量載體平臺(tái)相對(duì)慣性空間的角速率和加速度信息，利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律自動(dòng)計(jì)算出載體平臺(tái)的瞬時(shí)速度、位置信息并為載體提供精確的授時(shí)服務(wù)。有資料顯示，2003年美國(guó)國(guó)防部就斥資千萬美元開始對(duì)原子慣性導(dǎo)航技術(shù)的研制。該技術(shù)一旦研制成功，將會(huì)使慣性導(dǎo)航達(dá)到前所未有的精度。具體來說，將會(huì)比目前最精準(zhǔn)的軍用慣性導(dǎo)航的精度還要高出100到1，000倍，而這將會(huì)對(duì)軍用定位、導(dǎo)航領(lǐng)域帶來革命性影響。由于該導(dǎo)航系統(tǒng)具有體積小、成本低、精度高、不依賴外界信息、不向外界輻射能量、抗干擾能力極強(qiáng)、隱蔽性好等特點(diǎn)，很有可能成為GPS技術(shù)的替代者。依筆者之見，原子慣性導(dǎo)航技術(shù)的成功實(shí)現(xiàn)，對(duì)于海陸空的軍用，確實(shí)能夠產(chǎn)生革命性的變化，但是，原子慣性導(dǎo)航難以在下列器件上取代GPS：戴在人們頭上的GPS眼鏡、穿在人們腳上的GPS鞋、握在人們手中的GPS照相機(jī)和陪伴人們行走的GPS手機(jī)，老人和小學(xué)生隨身所帶的GPS跟蹤器，成為他們安全行蹤的“守護(hù)者”，及時(shí)告知他們所在位置。因此，原子慣性導(dǎo)航技術(shù)只能夠大幅度地壓縮GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用空間，取代GNSS在海陸空軍用設(shè)備上的應(yīng)用。