军用飞机惯性导航技术的发展

军用飞机惯性导航技术的发展

作者：王小阳李骏赵琛

来源：《中国军转民》 2021年第17期

王小阳李骏赵琛

军用机载导航领域对导航系统有高精度、自主性和抗干扰的要求，特别是在复杂电子战环

境下，要求导航系统必须具备不依赖卫星、无线电导航的高精度自主导航能力，持续输出位置、速度、姿态等导航信息。机载惯性导航系统作为主要的自主导航手段，近年来不断取得技术上

的突破和进展。

1 军用机载惯性导航技术的发展历程

机载惯性导航系统最早起始于20 世纪50 年代，最先以平台式惯导的形式出现，1950 年

5 月美国北美航空公司奥拓奈蒂克斯分公司在C-47 军用运输机上装备XN1 纯惯性导航系统，

揭开了机载惯性导航的帷幕，随后于1961 年，美国在F-104 战斗机配装了首个战斗机机载平

台式液浮陀螺惯性导航系统LN3。

1965 年，英国皇家航空研究院（RAE）根据挠性支撑的概念研制出挠性陀螺原理样机，即

动力调谐式陀螺。相对于液浮陀螺，动力调谐式陀螺结构简单成本低廉响应迅速，经过不断改

善和完善，精度不断提高，在20 世纪70 年代开始，以动力调谐陀螺为基础的平台式惯导系统大量出现并装备与研制的第三代战斗机上均装备了动力调谐陀螺基平台惯性导航系统，如美国

F15 战机装备的LN30系统，F16 战机装备的SKN-2416 系统和法国幻影-2000 战机装备的

Uliss52 系统等。

另一类新兴起的支承陀螺是1952 年美国伊利诺依大学提出的静电陀螺分支，静电陀螺经

过改进与完善，最大漂移误差一般低于° /h，主要用于远程战略轰炸平台，如美国的B-52

与F-117A 等。

20 世纪60 年代年，光学技术与计算技术迅速发展，激光陀螺和光纤陀螺等光学陀螺的出现，引领了机载惯导由平台式向捷联式转换的浪潮，光学陀螺以奈克效应为原理，以其简单的

结构与减小的体积，逐渐取代了原本的机械转子陀螺，同时以多圈光纤环形成大等效面积闭合

光路的思路为基础的光纤陀螺也开始出现。光学陀螺引领机载惯导系统从平台式向捷联式更替，是军事领域应用最为广泛的陀螺与导航系统类别，如美国利登、霍尼韦尔等公司的LN-100G、

LN-260、LN-270 等捷联惯导系统产品，法国SAGEM 公司的SIGMA 95L系统等，均大量列装于

现役飞机、舰船和潜艇等装备平台。

微机电系统MEMS 技术大大缩小了惯性系统陀螺仪和加速度计的体积、成本等，尽管精度

较低，但是以其低廉的成本可以实现超大批量的生产，是另一类机载惯导的发展方向，在战术

导弹领域被广泛使用，如诺格公司的LN200IMU 产品单元等。2019 年4 月，霍尼韦尔公司公布了其用于平台稳定的MEMS 陀螺性能，具有0.2°/h 的零偏稳定性与的角度随机游走。

MEMS 陀螺精度不断提高，有望实现光纤陀螺的替代方案。

进入21 世纪以后，科学家开始展开对以量子力学为基础的冷原子陀螺仪和核磁共振陀螺

等原子陀螺的研究工作，面向未来超高精度的导航需求，随着研究的不断深入，原子陀螺仪已

逐渐开始从实验室走向工程化并最终迈向实际应用。

2 军用机载惯性导航技术的发展

2.1 平台惯性导航技术的发展

平台式惯导系统，是在载体上利用实体的惯性平台跟踪导航坐标系实现导航的惯性系统，

其核心是惯性平台，也称为“陀螺稳定平台”，陀螺仪与加计均安装在平台上，通过计算信息

对力矩器施矩，使物理平台跟随导航坐标系。

1908 年德国科学家安修茨以牛顿力学为基础设计出世界上第一台摆式转子陀螺仪，揭开了陀螺仪技术发展的帷幕，20 世纪50 年代，为减小转子陀螺仪的摩擦，出现了液浮陀螺，1955 年，定位精度为0.5nm/h 的的单自由度液浮陀螺平台惯导系统研制成功，使陀螺漂移达到惯性

级要求，1958 年，装备有液浮陀螺惯导系统的核潜艇经过96 小时潜航从北极冰层下穿越北极时，实际位置和计算为止仅差几海里。由于液浮陀螺成本高昂，制造维护不便，20 世纪60 年

代开始，出现了动力调谐陀螺和静电陀螺等挠性支承陀螺。

1952年静电陀螺的设计概念被提出，利用高压静电场支承球形转子一般的机械支承，很大

程度上见笑了陀螺的干扰力矩，1963 年霍尼韦尔公司研制成功核潜艇使用的静电陀螺平台惯导系统，并于1970 年应用于北极星和海神核潜艇上。静电陀螺平台式飞机导航系统的定位精度

为0.04 ～ 0.1nm/h。

1962年出现了动力调谐式挠性陀螺，其结构简单，功耗低、体积小。1966 年KearFott 公司研制出挠性陀螺惯导系统，并应用于导弹与飞机，此外美国Sperry公司的MGL-80 微型陀螺

也广泛应用于平台式惯导系统中。

之后，随着光学陀螺技术的兴起，以挠性陀螺为基础的平台式惯导系统开始逐渐退出主流，到了20 世纪80 年代后期，国外平台式惯性系统相关的开发工作基本终止。

2.2 捷联惯性导航技术的发展

20 世纪80 年代开始，随着惯性器件性能及计算水平的提升，捷联式惯导系统逐渐取代平

台式惯导系统，成为惯性导航系统的主流产品。捷联式惯导系统依靠算法建立起导航坐标系，

以数学平台的形式替换原有的物理平台，结构简单、体积小重量轻、可靠性高，还可以通过余

度技术提高系统容错能力，捷联式惯导系统开始逐渐取代平台式惯导，成为主流机载惯导类别。

1982 年，美国霍尼韦尔公司批量生产出GG1342 激光陀螺。美国利顿公司以此为基础生产

出LTN-92 系列激光捷联惯性导航系统，成为新一代标准机载惯导系统，1984 年美国空军发布

捷联惯性导航系统标准SNU84-1，开始进行机载惯导系统升级工作。随着美国GPS 卫星网络的

部署，惯性卫星组合导航开始引起研究者的研究，20 世纪末，美国空军在以利登公司研制生产出的LN-100G 与霍尼韦尔公司的H764G 激光陀螺基捷联式惯性导航系统中，嵌入GPS 接收机

芯片，在导弹防御系统预警卫星及军用飞机上大量应用。

光纤陀螺技术起步相对激光陀螺稍晚，1976 年美国学者V.Vali 首次提出利用多圈光纤环

形成大等效面积闭合光路的思路，此后光纤陀螺仪研究得到迅猛发展，尽管同时期光纤陀螺精

度低于激光陀螺，主要适配一些中低精度场合，但随着光纤制造技术与光学器件性能的提升，

光纤陀螺更低廉的价格与功耗体积等优势逐渐显露。目前国际上以光纤陀螺为基础的捷联惯导

系统已能满足战略武器的装机要求，如装备于美国海军的E-2 鹰眼预警机。2019 年5 月，美

国Northrop Grumman 公司研制出的的光纤惯性导航系统SeaFIND，拥有与MK39 环形激光陀螺

系列惯性产品相同的性能，且体积质量大大减小。干涉性光纤陀螺惯性系统性能逐渐接近激光

陀螺惯导系统，并开始应用于战略武器。

2.3 旋转调制技术的发展

由于惯性导航系统原理限制，误差会随时间不断累积，长时间独立工作时难以保证惯导定

位精度，通过工艺手段提高陀螺仪和加速度计的精度面临技术难度高，迭代周期长等问题。针

对这一问题出现了激光陀螺旋转调制技术，将系统惯性测量单元IMU 绕一轴或多轴周期性旋转，使得短时间数据平台某些常值误差积分或均值趋于零，提高长时间工作精度。

20 世纪80 年代，Levinson 首次提出旋转调制技术，指出在方位轴上增加连续或者周期

的旋转运动，可以有效抑制惯性器件常值漂移造成的误差发散问题，1963 年，美国Sperry 公

司基于此开始研发平台式旋转调制系统，70 年代初期，美国Delco 公司研制出轮盘木马IV 型四框架凭条惯导系统，定位精度达到1nm/h，90 年代Sperry 公司研制出MK39Mod3C 和WSN-7B 单轴旋转调制系统，可以达到24h 内1nm 的位置精度，已装备美国海军舰队及护卫舰。

在系统单轴旋转的运动下，非旋转轴方向的器件误差可以有效被调制补偿，但是原理上旋

转轴方向的器件误差无法调制，限制了系统精度，为了解决此问题研究者们开始研制双轴旋转

调制系统，1989 年，美国Sperry 公司与霍尼韦尔公司联合研制了MK49 双轴旋转调制高精度

船用环形激光陀螺惯导系统，大量装备于水面舰艇和潜艇，作为北约组织的船用标准惯性系统，20 世纪90 年代，美国Sperry 公司研究出WSN-7A 双轴旋转调制系统，系统具有超过14 天

的修正周期，于1995 年开始列装美国海军，到2006 年左右已经装备美国海军除装载弹道导弹核潜艇以外的所有舰艇。

1994 年，美国启动了战略核潜艇用高精度光纤陀螺惯性导航计划，开始研制三轴旋转调制系统。2005 年，初步研制出产品，光纤陀螺常值漂移为0.00023° /h，2009 年第一套正式产

品问世。可以对3 个轴向的常值漂移，安装偏角和刻度系数误差进行有效调制，系统长时间误

差理论上仅仅受到陀螺仪和加速度计随机游走的影响。

2.4 组合导航技术的发展

二战时期的罗兰、台卡等陆基无线电导航系统可以看做是GPS 的发展雏形，1978 年2 月，美国发射了第一颗GPS 卫星，开始进行GPS 卫星组网，20 世纪末，随着美国全球卫星导航系

统GPS 的逐渐组网完善，美国开始展开惯性卫星组合导航研究。之后俄罗斯的GLONASS、欧盟

的Galileo、中国北斗等全球或区域性卫星系统组网工作紧接着不断开展，卫星导航、差分卫

星导航等精度的不断提高，惯性卫星组合技术日趋成熟，成为目前应用最广泛，最主流的组合