惯性导航技术是现代科学技术中的一门重要的技术学科,在航空、航天、航海等军事领域以及民用方面都得到了广泛应用。随着科学技术的发展,特别是现代化战争的需求,对惯性导航技术提出了更高的要求。在惯性导航技术的发展过程中,主要经历以下几个阶段:
(1)平台式惯性导航系统
早期的惯性导航系统采用精密稳定平台,不仅体积重量大,而且系统性能受机械结构的复杂性和极限精度的制约,再加上产品可靠性和维护方面的问题,成本十分昂贵。美国MIT研制的空间稳定惯性基准设备((SPIRE)是最早的惯性系统之一,于1953年用于沿海岸飞行。它有5个常平架,直径1.5米,重908峪系统精度约为0.925km/h。到70年代,美国空军NIX洲际弹道导弹用的高级惯性基准球(AIRS)代表了机械实现技术的顶峰。它采用浮球平台结构,直径减小到0.5m,重52kg,系统精度提高了一个数量级以上。
(2)捷联式惯性导航系统
随着计算机和微电子技术的发展,人们致力于用解算系统代替机电稳定系统的捷联方案成为可能。二十世纪70年代以来,捷联惯导系统取得突破性发展并得到广泛应用,而且成为一向以平台技术为主的战略级惯导系统的一个主要竞争者。捷联惯性导航系统的陀螺和加速度计直接固联在载体上,直接敏感运载体的线运动和角运动,这就使得捷联式惯导的敏感元件同平台式惯导的敏感元件所承受的角速率的动态范围截然不同,前者以。/s为单位,后者则为0/h。陀螺仪必须对角速率进行非常精密的测量,捷联式陀螺仪的动态测量范围由0.01 0/h扩展到1000/s或者更大,其响应比达10,,而稳定平台的响应比则为1护。美国首先研制出用于空间飞行器的捷联系统,1969年,捷联系统作为宇航飞船的应急备份装置,在阿波罗-13服务舱发生爆炸时将飞船引导到返回地球轨道上起了决定性作用。
80年代航天飞机和宇宙飞船都采用动力调谐陀螺(DIG)捷联惯导系统,但由于其结构复杂、体积大、成本高,在一定程度上限制了捷联惯导系统的应用范围,因此研制一种体积小、成本低、具有中等精度的新型陀螺仪就成为新的研究课题。激光陀螺就是这种新型陀螺仪的代表,是捷联惯导系统的理想器件,它具有角速率动态范围宽、对加速度和振动不敏感、不需温控、启动时间特别短和可靠性高等优点,激光陀螺惯导系统己在波音757, 767及欧洲A310宽机身客机和美国军用机F-20等飞机上应用,精度达1.855km/h的量级。90年代激光陀螺惯导系统估计占到全部惯导系统的50%,其价格与普通惯导差不多,但由于省掉了复杂的机械平台,其可靠性大大提高,其寿命费用只有平台式惯导的15%^-20%"'。此外,采用光纤陀螺(FOG)的捷联航姿系统已用于战斗机及机载武器系统,采用光纤陀螺的捷联惯导系统已用于波音777,与激光陀螺相比,光纤陀螺具有体积小、造价低、可靠性高和无闭锁区等优点,被认为是一种极有发展前途的新型惯性器件〔8]。近10年来,微电子技术已被用来制造微机械装置,如各种微传感器和微执行器,据AIAA报告,可以在一块4"的硅片上用化学刻蚀的方法批生产出4000多个独立的微型惯性仪表〔‘01。这些微惯性仪表的出现,迅速扩大了微惯性测量装置在军事和民用领域的应用,美国己投入了上千万美元用于研究微型机械,并将它列为21世纪的科学发展规划。近几年我们国家也投入大量的人力、物力进行这方面的研究。
可以说,捷联惯导系统的产生和发展是现代科学技术水平、工艺水平不断提高的结果,同时捷联技术的发展又为科学技术的发展提出了新的研究课题,如算法编排、误差建模、测试技术等。
综上所述,捷联式惯性导航系统由于省掉了机电式的导航平台,体积、重量和成本大大降低,易于冗余配置、可靠性高、维护方便,加之捷联系统提供的信息全部是数字信息,所以特别适用在采用数字飞行控制系统的载体上,随着计算机技术的飞速发展以及各种新型陀螺仪的出现,捷联系统的应用必将越来越广泛。
(3)组合导航系统
现代高性能飞机对导航精度和可靠性的要求越来越高,例如要求导航系统能提供全面、精确的导航定位信息;不受气候条件的影响,能全天候工作;隐蔽性强,不辐射雷达可测的电磁波;自主性强,抗干扰性能好等,但到目前为止,没有哪一种导航设备单独使用就能满足这些要求。如果能把几种导航设备组合起来,取长补短,就可发挥各自的优势,取得全面的导航性能。二十世纪80年代出现的组合导航系统,就是为了弥补单一导航系统的不足而发展起来的。根据不同要求有各种不同的组合导航系统,但由于惯性导航系统突出的优点,使得它成为各种组合导航系统的首选,目前应用较多的有地形辅助惯性导航系统、多普勒/’惯性导航系统、INS/UPS导航系统、INS/天文导航系统等。其中以UPS(全球定位系绷/惯性导航系统组成的组合导航系统最为瞩目。GPS等外部基准信息成功的引入,修正了惯导系统随时间积累的位置,而惯导系统反馈信息又拓宽了UPS的动态范围。因而发展惯性系统和GPS等的组合导航系统成为一个重要发展方向。可以说组合导航技术的应用是惯性导航技术的又一重大突破。
我国的惯性导航系统的研制从70年代开始,经过三十多年的预研与技术攻关,走过了从液浮(陀螺、加速度计)到挠性、从平台到捷联、从纯惯性导航到惯性/GPS组合导航的过程。目前,我国自行研制的第一代机载中等精度、高等精度挠性平台式惯性导航系统己发展成一个系列,并已批量装机使用:低成本、中等精度的挠性捷联惯导己完成试飞、试用,进入生产。但由于受国内制造工艺技术水平的限制和国外技术先进国家的技术封锁,高等精度的激光陀螺、光纤陀螺还处在研制阶段,微机械惯性仪表还处在萌芽期。