导航系统发展趋势

船用导航产品技术发展趋势

1概述

船用导航技术很多，主要由磁导航、卫星导航、无线电导航、雷达导航、惯性导航和天体导航。我公司主要涉及磁导航和惯性导航，磁导航发展较早，主要产品为磁罗经，惯性导航产品同样有着辉煌的历史，是国内最早一批开始惯性导航产品的企业。

磁罗经因其连续工作时间长、自主性强、可靠性强和经济性好等显著地优点，始终是为各类舰艇与传播提供航向和观测物标方位等数据所必备的导航仪器。尽管近年来陀螺罗经、GPS定位设备、船用雷达的技术与精度有了飞跃式发展，但依然不可以取代磁罗经在舰艇上的使用地位。惯性导航设备可以为载体提供航向、位置、姿态、速度等基本物理信息，是信息化装备中最核心的传感设备之一。惯性导航设备仅需要敏感地球自转而不需要借助外界任何的光、电、磁信息的机理决定了它的完全自主的特点，是复杂战场环境中保底的导航手段。惯性导航技术是最重要的军用技术之一，可以毫不夸张的说，惯性导航的发展水平直接影响了一个国家的武器装备的先进性。惯性导航产业起步于军用，目前仍主要应用于军用领域。不过随着随着成本的降低和需求的增长，其范围已由原来的舰艇、飞机、航天宇航、制导武器、战车等军用或军民两用领域，扩展到大地测量、资源勘测、地球物理测量、海洋探测、铁路、隧道等民用领域，甚至在机器人、摄像机、儿童玩具中也被广泛应用。

2国外发展现状

2.1磁罗经

磁罗经是利用地磁场对磁针具有吸引力的现象而制成的一种航海指向仪器，地磁场是一种天然的矢量场，由地球自身的物理特性所产生，其方向和强度几乎不随时间、天气等的影响。因此，与其它导航方式相比，地磁导航是一种极为稳定，误差不累加（陀螺），不依赖于外界数据交互（GPS）的自主导航方式。虽然历史悠久，直到今日仍然被广泛的用于各类导航领域。并且是IMO（国际海事组织）强制装船的设备。过去，由于弱磁测量技术的限制，一直采用机械式磁罗经，与其他导航技术相比，地磁导航技术并未有真正的突破和发展。Sperry Marine 作为国外老牌导航产品厂商，生产的磁罗经目前依然在销售，其航向精度标称值优于0.5°。

2.2陀螺罗经

惯性导航系统根据陀螺仪的不同，可分为机电（包含液浮、气浮、静电、挠性等种类）陀螺仪、光学(包含激光、光纤等种类) 陀螺仪、微机械（MEMS）陀螺仪等类型的惯性导航系统。根据惯性导航系统的力学编排实现形式又可以分为：平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统。平台式惯性导航系统是将陀螺仪和加速度等惯性元件通过万向支架角运动隔离系统与运动载物固联的惯性导航系统，其惯性测量装置（加速度计和陀螺仪）安装在机电导航平台上，以平台坐标系为基准，测量运载体运动参数。平台式惯性导航系统通过框架伺服系统隔离了载体的角运动，因此可以获得较高的系统精度。捷联式惯性导航系统，其惯性测量装置（加速度计和陀螺仪）直接装在飞行器、舰艇、导弹等载体上，载体转动时，加速度计和陀螺仪的敏感轴指向也跟随转动。陀螺仪测量载体角运动，计算载体姿态角，从而确定加速度计敏感轴指向。再通过坐标变换，将加速度计输出的信号变换到导航坐标系上，进行导航计算。目前，平台惯导系统已经达到了很高的水平，但是其造价、维修费用十分昂贵，而且其采用了框架伺服系统，相对可靠性将会下降。捷联式惯性导航技术是20世纪60年代发展起来的，将惯性测量装置直接安装在载体而非机电平台上，以数学平台代替机电式导航平台的导航技术，捷联系统惯性测量装置便于安装、维修和更换，体积小，是惯性导航技术的一个重要发展方向。

1930年以前的惯性技术被称为第一代惯性导航技术，奠定了整个惯性导航发展的基础。牛顿三大定律成为惯性导航的理论。1852年法国科学家傅科提出陀螺的定义、原理及应用设想；1908年德国科学家安修茨研制出世界上第1台摆式陀螺罗经；1910年德国科学奖舒勒发现了陀螺罗经的无干扰条件，即舒勒调谐原理；美国人斯佩里于1911年、英国人S.G.布朗于1916年分别研制出以他们姓氏命名的陀螺罗经。前苏联也于20世纪30年代生产出方位仪及陀螺罗经。

第二代惯性技术开始于上世纪40年代火箭发展的初期，其研究内容从惯性仪表技术发展扩大到惯性导航系统的应用。首先是惯性技术在德国V-II火箭上的第一次成功应用。到50年代中后期，0.5n mile/h的单自由度液浮陀螺平台惯性导航系统研制并应用成功。1968年，漂移约为0.005º/h的G6B4型动压陀螺研制成功。这一时期，还出现了另一种惯性传感器－加速度计。在技术理论研究方面，为减少陀螺仪表支承的摩擦与干扰，挠性、液浮、气浮、磁悬浮和静电等支承悬浮技术被逐步采用；1960年激光技术的出现为今后激光陀螺的发展提供了理论支持；捷联惯性导航（SINS）理论研究趋于完善。

70年代初期，第三代惯性技术发展阶段出现了一些新型陀螺、加速度计和相应的惯性导航系统（INS），其研究目标是进一步提高INS的性能，并通过多种技

术途径来推广和应用惯性技术。这一阶段的主要陀螺包括：静电陀螺（ESG）、动力调谐陀螺（DTG，也叫挠性陀螺）、环形激光陀螺（RLG）、干涉式光纤陀螺IFOG 等。ESG的漂移可达10-4°/h；DTG的体积小、结构简单，随机漂移可达0.01°/h量级；基于Sagnac干涉效应的环形激光陀螺和捷联式激光陀螺惯性导航系统（SINS）在民航方面得到应用，导航精度可达0.1n mile/h（海里/小时）。除此之外，超导体陀螺、粒子陀螺、音叉振动陀螺、流体转子陀螺及固态陀螺等基于不同物体原理的陀螺仪表相继设计成功。80年代，伴随着半导体工艺的成熟和完善，采用微机械结构和控制电路工艺制造的微机电系统（MEMS）开始出现。

3国内发展现状

3.1磁罗经

传统机械式磁罗经由于原理简单，技术难度不大，所以国内磁罗经发展也较早，在技术水平及精度上都跟国外产品差别不大。

3.2陀螺罗经

1961我公司试制出全国第一台电罗经，至二十世纪八十年代末，我国先后研制了PL-I（455厂）、PL-II（707所）、PL-III（442厂）、PL-IV（707所）等型平台罗经，我公司于1988年H/HLP003型平台罗经通过设计定型审查，我国平台罗经与国外产品在精度和可靠性方面有很大差距，目前的平台罗经系统基本采用机械陀螺来实现。随着国对光学陀螺的研究进展和实际应用，我国对于光学陀螺的研究工作也取得了很大的进步，目前已经开始将光学陀螺应用于罗经。我国对激光陀螺的研究工作始于“七五”期间，“九五”以来，对激光陀螺和系统的研究工作有了跨越式的发展，“九五”期末，国防科大、航空618所突破了激光陀螺制造的关键技术，激光惯导系统也随之取得了新的进展，2012年，海军在南海开展了激光惯导竟优工作；光纤陀螺目前国内研制单位主要包括北航、浙大、哈尔滨工程大学、航天九院、707所、中航618所、航天科工33所、兵器导控所以及后来的我们公司，从目前国内单位光纤陀螺的研制情况来看，精度优于0.001°/H的中等精度陀螺技术已经成熟，并获得广泛应用，随着光纤陀螺精度及环境适应性能的不断提高，相信以光纤陀螺为核心的惯性产品将更为广泛的应用于舰船领域，2017年海军也已在南海开展了中低精度惯导和光纤罗经的竟优工作。

4发展趋势

4.1磁罗经

传统机械式磁罗经体积大，除受地磁力作用外,还将受到船舶磁场的影响。存在自差且经常变化,需要专业人员用自差校正器进行校正。随着弱磁测量技术