集成光学 导航系统中的惯性技术(2)

除军用以外, 目前惯性技术在民用领域也有大量应用, 如大地测量、 石油钻井、 隧道工程、 地质勘探、 机器人、 智能交通、 医疗设备、 照相机、 手机、玩具等。因此凡是需要实时敏感或测量物体运动信息的场合, 惯性技术均可发挥重要作用。

惯性导航系统的主要不足是导航误差会随时间积累, 且成本相对较高. 随着其他导航技术尤其是卫星导航技术, 如 GPS 技术的成熟和广泛应用, 研究人员曾担心惯导技术未来的前景。

但是几次高技术局部战争中, 电子战、 导航战、 体系化作战模式的出现证明了几乎仅有惯性导航系统都能在强电磁干扰的极端恶劣环境下持续、 稳定地工作, 这进一步强化了惯性系统在武器装备中不可替代的地位。

惯性技术的发展历程

惯性技术已经历百余历史，其发展历程如图1所示。图中，折线下方为该阶段主要技术理论，上方为出现的惯性器件及其精度。且各技术发展阶段间并无完整界限。由图可见，按各类陀螺仪、理论和新型传感器先后，惯性技术发展通常分为四代。

惯性技术发展历程

第一代，基于牛顿经典力学原理。自1687年牛顿三大定律的建立，到1910年的舒勒调谐原理，第一代惯性技术奠定了整个惯性导航发展的基础。典型代表为三浮陀螺、静电陀螺以及动力调谐陀螺。特点是种类多、精度高、体积质量大、系统组成结构复杂、性能受机械结构复杂和极限精度制约，产品制造维护成本昂贵，典型产品有美国MX洲际导弹用三浮仪表平台系统。

第二代，基于萨格奈克（Sagnac）效应。 典型代表是激光和光纤陀螺。其特点是反应时间短、动态范围大、可靠性高、环境适应性强、易维护、寿命长。典型产品是美国诺格斯佩里公司研制成功的Mk39系列和Mk49型激光陀螺捷联式舰船惯性导航系统、美国霍尼韦尔公司的激光捷联惯导系统。光学陀螺的出现有力推动了捷联惯性系统发展。

第三代，基于哥氏振动效应和微米/纳米技术。典型代表是MEMS陀螺、MEMS加速度计及相应系统。其特点是体积小、成本低、中低精度、环境适应性强、易于大批量生产和产业化。典型产品为美国霍尼韦尔公司HG1900、HG1930系列。MEMS惯性仪表的出现，使得惯性系统应用领域大为扩展，惯性技术已不仅仅用于军用装备，更是广泛用于各类民用应用中。

第四代，基于现代量子力学技术。典型代表为核磁共振陀螺、原子干涉陀螺。其目标是实现高精度、高可靠、小型化和更广泛应用领域的导航系统。其特点是高精度、高可靠性、微小型、环境适应性强。目前，DARPA研制的核磁共振陀螺精度能达到0.01(°/h) (1σ)的水平，斯坦福大学开发的原子陀螺精度可达6×10-5 (°/h)(1σ)水平。

惯性技术国内外发展状况

西方发达国家代表了惯性仪表技术的国际先进水平，以陀螺技术为例，其传统机械转子陀螺技术在经历了包括滚珠轴承支承、液浮支承、气浮支承、磁浮支承、挠性支承、静电支承在内的多种支承技术之后，已经达到非常成熟的地步；光学陀螺技术经过40余年的发展也已经达到了鼎盛时期；微机电陀螺技术以其产品在成本、尺寸和重量等方面的潜在优势正在经历高速发展期；新型陀螺技术也已得到重点关注和大力发展。我国在惯性技术领域与上述国际先进水平相比还存在一定的差距，主要原因在于理论研究的深度和广度不足，基础工业条件上的薄弱以及对惯性技术发展规律认识上欠缺。具体到技术上，体现在以下几个方面。

1、惯性仪表技术

我国的传统机械陀螺与国际先进水平之间的差距主要体现在仪表材料技术、超精密制造技术等基础工业方面，在技术的成熟度方面还有较大的发展空间。光学陀螺技术方面，国内在仪表精度、电子技术、仪表环境适应性技术、市场占有率等方面相对落后。国外的微机电惯性仪表技术进展迅速，批量生产的产品已经进入战术级应用领域，国内在这一精度领域的主导技术仍以动力调谐陀螺和光学陀螺为主，微机电惯性仪表在设计理论、制造工艺、集成电路技术、工程化技术等方面与国外相比还有相当大的差距；我国的微机电加速度计尚未开始广泛应用，机械加速度计在精度与稳定性方面也相对落后。惯性执行机构方面，国内在磁悬浮变速控制力矩陀螺技术、陀螺/飞轮一体化技术等方面与国外先进水平相比有一定差距。我国的半球谐振陀螺技术在仪表精度与稳定性、工艺技术等方面还落后于国际先进水平。集成光学在新型惯性仪表技术的基础研究上与国外相比也有差距。