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惯性导航:遨游空天的“指路明灯”

2017年06月16日 10:45 来源:解放军报 参与互动 

  破解未来战争精确导航迷雾

  当你在战场上娴熟地打开卫星定位终端,试图寻找基点坐标时,却无奈地发现此时的卫星导航已被“致盲”。这并不奇怪,因为在未来战争中,卫星导航系统是对手首先要摧毁的战略目标之一。

  惯性导航系统是一种不依赖任何外部信息、也不向外辐射能量的自主式导航系统,它主要利用惯性敏感元件、基准方向和最初的位置信息,自主推算物体的各类导航信息。近年来,由于搭上了激光陀螺等战略前沿技术的“顺风车”,惯性导航正迎来自身跨越式发展的“第二春”。其中,捷联惯导系统是基于惯性测量元件和导航计算机构成的多功能自主式导航系统,具有隐蔽性好、抗干扰能力强等优点。

  导航系统助你看透战争迷雾

  “如何看透山那边的迷雾”,这是拿破仑在滑铁卢从心底发出的悲叹。几百年沧桑巨变,现代军事手段虽然能轻易看透山那边的风景,却依旧被困在未来战争的诸多迷雾之中。惯性导航系统就是看透战争迷雾的重要手段之一。

  目前,惯性导航系统可分为平台惯导和捷联惯导两大类。在捷联惯导大行其道之前,平台惯导是最早得到应用的导航界“老前辈”,主要将陀螺仪和加速度计安装在稳定的平台上,以平台坐标系为基准,“把脉”物体的运动参数。美中不足的是,平台式惯导系统多采用机械式稳定平台,不仅体型硕大、可靠性差,而且维护保养费用昂贵,这大大限制了其在残酷战场环境下的生存空间。美国麻省理工学院于1953年投入使用的平台式惯导系统重量接近1吨,且精度系统不高。上个世纪70年代美国空军在洲际导弹上安装的高级惯性基准平台,系统精度虽有所提高,但“肥胖病”依旧没有得到有效控制。

  在现代社会,人们使用导航的目的是为了得到物体的实时方位、姿态和速度信息。捷联惯导系统直接将惯性敏感元件安装在待测物体上,具有体积小巧、稳定性高等优势,可把信息直接输送到导航计算机中进行实时姿态解算,精确提供载体的姿态、速度和经纬度等参数信息。

  在捷联惯导系统诞生之初,人们就迫不及待地将其作为“阿波罗-13号”登月飞船的应急备份装置。在服务舱发生爆炸时,该系统成功引导飞船重返地球轨道,此事件成为捷联惯导系统发展中的里程碑。如今,捷联惯导系统已经广泛运用于航天、航空、航海等军事领域。随着技术发展的成熟和相关成本的降低,许多国家已经将其应用领域扩大到交通运输、海洋开发、大地测量与勘探、机器人控制等诸多行业。

  新型导航实现“千里点穴”

  捷联惯导系统是在平台式惯导系统之上发展而来的一种无框架系统,主要由陀螺仪、加速度计和计算机系统组成。相比平台式惯导系统,捷联惯导系统不再需要庞大的机电平台,只要一枚小小的芯片就足以“掌控”一切姿态数据,是各类飞行器遨游空天的“指路明灯”。当然,也正因为捷联惯导在军事上有如此重要的地位,才受到世界军事强国的普遍重视。

  早在上世纪50年代,捷联惯导系统已经在美国获取技术专利,并在随后的“阿波罗登月计划”中大放异彩。到上世纪70年代,随着激光陀螺等一大批新型技术设备的问世,捷联惯导系统得到快速发展。20世纪80年代以来,航天飞机、宇宙飞船、卫星以及各类导弹、战机和作战舰艇都开始升级捷联惯导系统,目前美国的军用惯导系统捷联模式占比已接近90%。

  近年来,随着微机电技术的进一步升级,捷联惯导系统正朝着高精度、小型化和数字化方向发展。2016年3月,美国国防部高级研究计划局微系统技术办公室开始新一代惯性测量单元研究。此外,美国还在开展多项导航技术研究计划,目的是让军事设施和作战人员摆脱对卫星导航系统的依赖,利用集成在微型芯片上的陀螺仪、加速度计和原子钟就能获得定位授时导航。

  未来,随着航空航天技术、新型惯导器件以及微型计算机技术的不断发展和突破,捷联惯导系统的结构更为简单,可靠性和精度将会更高。依靠捷联惯导系统实现“千里点穴”已不再是痴人说梦。

  强强联合确保一击制胜

  随着各类武器系统逐渐向自主、长航时方向迈进,惯性导航技术的重要性愈加凸显,不依赖卫星导航系统的自主导航技术、核磁共振陀螺仪、量子导航技术、脉冲星导航技术等陆续成为军事技术的前沿阵地。目前,中程空空导弹、中远程地空导弹和各类型反舰导弹都相继采用捷联惯导制导模式,并取得重要进展。

  然而,这并不意味着捷联惯导系统就无懈可击。惯性元件固有的漂移率会造成导航误差,且误差存在随时间积累而逐渐增大的趋势,这对于既要长时间飞行又要高精度定位的作战装备而言,是致命的缺点。因此,现有的导弹、飞机等武器平台多采用指令、卫星导航等组合方式对惯导系统进行定时修正,美国的“战斧”式巡航导弹就采用了卫星导航+惯性导航+地形匹配的“三保险”模式,显示出“强强联合”的优势所在。

  目前,捷联惯导与卫星导航搭配的组合导航模式成为研究的热点之一。美国国防部在其公布的“空/海联合直接攻击武器”计划中明确提出了通过给非制导炸弹加装导航组件,使其成为一种全天候精确进攻武器的技术思路。2015年12月,美国海军在更换大部分作战和支援舰船惯性导航系统合同中,进一步增强了其与卫星导航系统的融合程度。美国国防部高级研究计划局启动的“自适应导航系统”计划,通过灵活组合现有的传感器和测量装置,实现高精度、高可靠性和低成本的组合导航平台,部署周期也大大缩短。

  未来,以捷联惯导系统为主、其他导航系统为辅的新型组合导航系统,可弥补单一导航系统在高精度军事行动中的先天不足,将为确保未来作战一击制胜,提供具有良好动态性能和抗干扰能力的高精度导航。谢 琦 张乃千

【编辑:魏巍】
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