浅谈捷联式惯导系统的历史发展与未来应用趋势
卫星定位导航系统可以引导精确制导武器准确击中数千公里外的目标。不过，随着电子对抗技术的发展，蒙上卫星定位系统的“双眼”已并非难事，各军事强国不得不寻求更可靠的定位技术，其中基于惯性测量元件和专用计算芯片的“捷联惯导系统”具有隐蔽性好、抗干扰能力强、能全天候工作等诸多优点，或将成为揭开战场迷雾的“破局者”。
捷联式惯导装置，资料图
捷联式惯性导航系统
捷联式惯性导航是把惯性测量元件（主要是陀螺仪和加速度传感器）直接装在飞行器上，用计算机把测量信号变换为导航参数的导航技术。捷联式惯性导航系统的产生有赖于现代电子计算机技术的迅速发展。20世纪50年代，人们开始研制这种新型导航系统，首先用于导引航天器在大气层的飞行，例如美国“阿波罗”号飞船上就曾使用捷联式惯性导航系统。70年代以后，捷联式惯性导航又在导弹和飞机上获得应用。
捷联式惯性导航系统工作时不依赖外界信息，不易受到干扰破坏，是一种自主式导航系统。相对于平台式惯性导航系统，捷联式省去了惯性平台，系统体积和重量大为减小，维护起来也比较方便。但由于陀螺仪和加速度传感器直接承受飞机的振动、冲击和角运动，因而会产生动态误差。这就对陀螺仪和加速度传感器提出了更高的要求。仪器测出信号后，要通过计算机的计算，才能得出所需要的导航参数。
“卫星定位”短板明显
时至今日，依靠航空航天等现代军事手段，在一些情况下，仍旧会受到诸多战争迷雾等问题的困扰。以卫星定位技术为例，依靠廉价干扰设备就能轻易制造出信号“盲区”，相关技术甚至能从互联网上找到，依靠卫星导航的军用无人机还曾被“诱捕”，可靠性低的缺点暴露无遗。
卫星定位系统，资料图
其实，早在卫星定位系统问世之前，人们就曾利用惯性测量元件获得物体的运动姿态和速度变化等信息，有了这些信息再结合物体的初始位置，就能计算出物体的实时位置，这就是大名鼎鼎的“惯性导航系统”。18世纪50年代德国科学家博耐伯格就提出了在稳定平台上安装陀螺仪的惯导系统雏形。惯性导航最大的优势就在于它不依赖任何声、光、磁、电等外部信息，工作完全不受自然界和人为干扰。
可惜的是，早期的惯性导航系统需要安装在机械式精密稳定平台上。这种“平台式”惯导系统存在体积大、精度低、可靠性差、维护费用高、误差累积等诸多缺点，大大限制了其在残酷战场环境下的应用。1953年，美国麻省理工学院投入使用的平台式惯导系统直径1.5米，重量接近1吨，且系统精度着实不高。当时，美国空军在MX洲际导弹上安装的高级惯性基准球，代表着早期惯导系统的巅峰，其定位精度虽有所提高，但“肥胖病”依旧没有得到有效控制。
“捷联惯导”异军突起
上世纪70年代，随着光学陀螺、微波谐振加速度计等一大批在原理、材料和结构上出现“颠覆性”改变的新型惯性敏感器件问世，利用计算机的实时解算和控制功能代替机电系统也成为可能，不再需要机械稳定平台的“捷联惯导系统”应运而生。
捷联惯导系统主要由三个陀螺仪、三个加速度传感器和计算机系统组成。与“平台式”惯导系统相比，捷联惯导系统直接将惯性敏感元件安装在待测物体上，输出信息直接输送到导航计算机中进行实时解算，能精确提供载体的姿态、速度和经纬度等参数信息，具有灵敏度高、可靠性高、启动时间短、结构简单零部件少、体积小造价低等诸多优势。
俄联盟号飞船使用的惯导装置imu500t（左）和用于导弹的惯导装置imu-501（右）。资料图
在捷联惯导诞生之初的1969年，人们就迫不及待地将其作为“阿波罗-13”号登月飞船的应急装置，在服务舱发生爆炸时成功引导飞船重返地球轨道，进而成为捷联惯导系统发展中的里程碑。进入20世纪80年代，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，在波音、空客系列民用飞机上以激光陀螺为代表的捷联惯导系统也为长途飞行提供了稳定可靠的空中“灯塔”。
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、高可靠性、低成本、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基于MEMS的新一代惯性测量单元研究，主要通过加速度和角速度测量为飞行控制系统提供更为精确的数据信息。此外，美国目前还在开展多项导航技术研究计划，目的就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原子陀螺仪、加速传感器和原子钟，就能获得定位授时导航服务。
“组合导航”成为热点
捷联惯导技术的优点很多，但并不意味着捷联惯导系统就无懈可击。惯性测量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缺点，这对于既需要长时间飞行又需要高精度定位需求的作战装备而言，是无法忽视的致命缺点。因此，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。
上世纪80年代，美国就开始了卫星导航与捷联惯导组合系统的研究，并在民用领域取得较好成果。此后，美国国防部在其公布的“空海联合直接攻击武器（JDAM）”计划中明确提出了通过给非制导炸弹加装组合导航组件，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（ANS）”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，部署周期甚至可以从数月缩短到数天。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，美军使用的“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，在战场上表现出色，显示出“强强联合”的优势。
