【深度】惯性技术在航空领域的发展与应用|163

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引言

对于人类活动来说，远程自主导航是一项艰巨的任务。惯性导航系统是不依赖于任何外部信息、也不向外部辐射能量、不易受到干扰的自主导航系统，在商用和军事领域得到广泛的应用，目前是军用和民用飞机必不可少的装备之一。

在现代战争中，惯性系统无论是保障作战飞机进行精确导航和定位，还是支撑精确制导武器实施防区外精确打击，都发挥了保障作用、支撑作用和全局性作用，惯性装置已成为现代高技术武器中不可替代的一种装备；对于民用飞机，以惯性器件为中心的导航系统是机上不可或缺的装置，是支持飞机安全飞行、引导和进近，顺利实施飞行任务的重要保证。惯性在军民用两方面都有极大的需求，世界各大国历来重视发展惯性技术，惯性技术已成为国防现代化中的一项关键技术。

航空领域对惯性导航系统的需求

就航空领域而言，不同机种因任务特点不同，对惯性导航的需求就不同，如战斗机高速、高机动性，作战时间较短，一般为2-3小时，对隐身要求高，同时是空中战术导弹之类精确打击武器的平台，对抗环境中惯性导航是主要导航手段，因此战斗机对对惯性技术的要求为高动态范围、导航级精度且要求校准时间短。像预警与侦察机需要在防区外具有长航时稳定工作能力，预警机一般为10小时左右，“全球鹰”无人侦察机可达40小时，其也是机载侦察和探测有效载荷的平台基准，因此主机载体要求惯性技术为导航级精度，载荷平台可用战术级精度。民用运输机由于飞行环境较为平稳，对GPS和地面导航设备依赖性强，飞行航路较为固定，经济性和可靠性因素占比较重，因此惯性技术主要作为GPS的补充导航手段，多用于航向姿态测量，要求低寿命周期成本。

从整体来看，空、天、海（包括战术导弹）各领域对惯性导航系统的要求各不相同，航空用惯性导航系统在一次任务中的持续工作时间较短，一般在数小时之内，最长不过几十小时，但航空惯性导航的体积、重量和功耗（SWaP）有较多的限制，而且受到的振动和机动性影响也较大。表1为空天海以及战术导弹平台特性和导航要求的比较。

表1 空、天、海和战术导弹领域特点对比

惯性技术在航空领域的发展历程

二战之前，尤其是二战期间，无线电导航是当时飞机导航的主要手段。然而，地基信标战争时期容易被干扰和摧毁，和平时期存在衰减和大气问题。因此，对独立于地基信标的空中导航系统的需求催生了第一套机载惯性导航系统的出现。1950年，由美国奥特奈蒂克斯公司研制的全惯性导航仪XN1在C-47飞机上进行了约1小时的飞行试验，飞行误差约为2英里。

20世纪60年代，第二代超音速喷气战斗机问世，并开始装备惯性导航系统。1961年利顿公司平台式液浮陀螺惯性导航系统-LN-3-装备在美国第二代战斗机F104上，成为首个战斗机用惯性导航系统。动力调谐陀螺也是20世纪60年代研制的，响应时间较快，在较宽的温度范围内具有较好的性能，比液浮陀螺仪便宜，国外70年代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。1963年霍尼韦尔研制出第一套飞机用静电悬浮陀螺(ESG)惯性导航系统，其长时间误差仅为0.02°／h，主要用于自主导航精度要求非常高的远程军用飞机上，如B-52和F-117A。

至20世纪70年代及80年代，旋转质量陀螺（如：空气轴承液浮陀螺、静电陀螺）和动力调谐陀螺等机电陀螺技术基本成熟，在飞机惯性导航系统中得到了广泛的应用，尤其是动力调谐陀螺技术促进了平台式惯性导航系统的发展，不过由于新型光学陀螺-环形激光陀螺（RLG）和干涉型光纤陀螺(FOG)的出现，80年代后期平台式惯性系统相关的开发工作基本终止。

在光学技术和数字计算技术飞速发展的70年代和80年代，RLG和FOG脱颖而出，使惯性技术发生了从平台式转向捷联式的巨大飞跃。RLG捷联导航系统因其体积小、重量轻、反应速度快和可靠性高，被大量民用和军用飞机所选用。1982年，霍尼韦尔公司符合ARINC 704标准的RLG惯性基准系统正式投入民用航线使用。1984年，美国空军出台了捷联惯性导航系统标准SNU84-1，并开始了RLG惯性导航系统替换机电陀螺系统的工作。同期，海军也用RLG舰载飞机惯性导航系统（CAINS-2）取代当时正在服役的采用动力调谐陀螺的CAINS-1系统。80年代末以后，GPS与惯性导航的组合系统成为研究焦点。1993年初，美国国防部指定美空军牵头研制“嵌入式GPS接收机的惯性导航系统”（EGI）,推动以利顿公司（现属诺斯罗普-格鲁门公司）的LN-100G和霍尼韦尔公司的H764G为代表的RLG基EGI系统在军用飞机上大量应用。

FOG比RLG开发略晚，随着20世纪80年代期间保偏光纤、超辐射发光二极管和多功能集成光学芯片研制成功，其性能得到大幅提高，目前美国的FOG已在中高精度导航领域应用。发达国家的惯性技术研制重点已经转移至新兴惯性传感器以及传统惯性传感器的小型化和低功耗上，如MEMS和片上惯性器件与系统。美国国防高级研究计划局（DARPA）正在组织诺斯罗普-格鲁门等公司研制导航级MEMS基惯性测量单元（IMU）。就目前应用而言，微惯性器件与系统主要用于微型飞行器和高机动近程战术导弹。

惯性技术在航空领域的应用

主要军用飞机装备的惯性导航情况

70年代是以第二代战斗机（F-15、F-16和Su-27等）为代表的军用飞机盛产的年代，作战飞机装备的导航系统大多为动力调谐陀螺基系统，如：基尔福特的Gyroflex动力调谐陀螺基惯性导航系统SKN-2416装备在美F-16战斗机上，利顿生产的LN-30装备在美国F-15战斗机上，法国的“幻影-2000”装备的是SAGEM公司研制的Uliss52。

冷战结束后，很多国家开始削减国防预算，特别是80年代中后期，由于RLG捷联式惯性导航系统已经达到了中等精度性能要求，系统体积、重量和成本仅为同等性能水平的平台惯性导航系统的一半或1/3，因此备受各国青睐，现在在役的主流战机基本使用的是RLG捷联式惯性导航系统，典型的机载系统有霍尼韦尔公司的H423/E和H-764G以及诺斯罗普-格鲁门公司的LN-93和LN-100G。

目前，国际上FOG基惯性导航系统已达导航级，如诺斯洛普-格鲁门公司的LN-251和LN-260。LN-251装备于美国陆军的“猎手”无人机和美国海军的E-2先进“鹰眼”预警机。LN-260被选中升级美国空军F-16机队和美国海军F-5"虎"II战斗机。

惯性MEMS技术因为在体积、重量和成本上的优势，获得众多的应用。诺斯罗普-格鲁门公司的MEMS加速度计基光纤陀螺惯性基准单元LN-200 IMU被用于战术导弹和其它稳定及跟踪应用。

主要民用飞机装备的惯性导航情况

20世纪80年代中后期，环形激光捷联惯性导航系统开始大量装备民机。目前，激光陀螺捷联惯性导航系统在中高精度惯性导航系统中占有相当大的市场，主要民机机型均配置了这种设备。主要产品有：霍尼韦尔公司的Laseref系列惯性基准单元（IRU），配套波音737—300/400/500、747—400、757、767、787及空客公司A310、A300—600，以及Embraer 170/175/190/195等。诺斯洛谱-格鲁门公司的激光捷联惯性基准系统LTN—90—100用于A300—600及俄航的伊尔—96—300客机；LTN—92用于波音747、麦道DC—10、湾流Ⅱ/Ⅳ等；LTN-101用于包括A320、A330和A340在内的多种客机和货运飞机。

与当前环形激光陀螺技术相比，光纤陀螺技术所带来的更高可靠性和长寿命对于民用飞机导航市场格外重要。诺斯罗普·格鲁门公司的MEMS加速度计和FOG基惯性基准单元LTN-101E被A380飞机选用，FOG构成的航姿基准系统（ARHS）LCR-92μ大量装备支线飞机如“多尼尔”328、“隼”20及“湾流”G等，以及S76、S-92和Bell 412直升机。霍尼韦尔公司FOG基ARHS也用于“多尼尔”328、Embraer145等支线机。

航空惯性导航系统的演进

嵌入式GPS/INS（EGI）系统是20世纪90年代末美国海陆空三军联合研制的综合导航系统，主要制造商为诺斯罗普-格鲁门和霍尼韦尔，产品分别为H764和LN-100G，目前装备于大多数主战航空平台上。

诺斯罗普-格鲁门公司的LN-100G是RLG基EGI，装备于 F-22和F-35战斗机上。LN-100G的核心部件是18cm光程的四频差动非抖动式“零锁”激光陀螺(ZLG)，随机游走达到0.001/h，刻度因子误差小于1ppm。 LN-251是诺斯罗普-格鲁门目前最新的基于FOG的EGI，在性能和SWaP方面比RLG基EGI系统有了很大改进（见表2）。同样，霍尼韦尔的最新版H764虽然仍为RLG基系统，但经历这些年后，在各方面都有大幅提升（见表3）。

目前美国正在通过名为军用GPS用户设备(MGUE)项目升级EGI，包括升级GPS接收机带有M码功能。新设备预计2018年投入使用。

表2 诺格公司RLG和FOG基EGI惯性导航系统对比

表3 霍尼韦尔的老款和新款RLG基EGI-H764主要性能对比

在民机应用方面，也上演着RLG与FOG基产品的对决。对比霍尼韦尔和诺斯罗普-格鲁门的大气数据惯性基准单元（ADIRU）主要指标，发现霍尼韦尔的RLG基产品经过不断改进，在重量、功耗和可靠性方面，相较诺斯罗普-格鲁门的FOG基产品，不相上下，仍然颇具竞争力。

在战术导弹和无人机用战术级MEMS IMU方面，霍尼韦尔和诺斯罗普-格鲁门公司均有系列化产品适于不同应用，典型产品的性能对比见表4和图1。通过对比可以看出，两家公司的对等产品性能上旗鼓相当。

表4 霍尼韦尔和诺斯罗普-格鲁门的战术级MEMS IMU性能对比

图1 霍尼韦尔和诺格的战术级MEMS IMU性能对比

美国的惯性技术开发与研究

由于全球导航卫星（GPS）存在易受干扰、欺骗和在某些环境下不可用等缺陷，美国一直在寻求GPS替补技术和解决方案，以打破对GPS的高度依赖，其中最主要的努力是DARPA成体系化开展的相关研究项目。目前DARPA正在开展的5个定位、导航和授时（PNT）相关项目，包括适应型导航系统（ANS）、微小型化PNT（Micro-PNT）、量子辅助的感应和读出（QuASAR）、超快激光科学与工程项目（PULSE）以及对抗环境下时空和方向信息（STOIC），见图2。

图2 DARPA目前开展的PNT相关项目

Micro-PNT项目是开发PNT相关的MEMS技术。QuASAR项目旨在制造世界上最精确结实的便携式原子钟。PULSE项目是应用最新的脉冲激光技术改进原子钟和微波源的精度和尺寸，从而提高时间和频率的远程同步精度，其成果对QuASAR原子钟的应用至关重要。若成功的话，PULSE技术可以使全球分布的时间的精度与世界上最精确的光学原子钟相当。

ANS项目的目标一是提高惯性测量单元（IMU）的性能和降低体积重量与功耗；二是利用其他信号源定位；三是开发新算法和新架构，实现各种传统和非传统PNT传感器的即插即用。STOIC项目是基于远程基准信号、战术光学时钟和多功能通信系统，开发对抗环境下精度与GPS相当但独立于GPS的PNT方法。

一方面，DARPA通过一系列项目，从微时钟、微惯性传感器到微综合系统，全方位实施微型化，降低功耗和提高升精度（如图3所示）。

图3 微小型化PNT（Micro-PNT）项目组成

在原子钟微小型化方面，2004年DARPA成功开发出芯片级原子钟（CSAC）。2009年启动综合微型主原子钟技术(IMPACT)项目，进一步提高CSAC的精度和长期稳定性，开发与台式铯原子钟性能相当的下一代芯片级原子钟技术。2011年芯片级铯原子钟实现商业化。在原子钟性能提高方面，2016年启动增强稳定性的原子钟（ACES）项目，开发性能优于DARPA当前一代CSAC芯片级原子钟1000倍、系统体积小于50cm、功耗小于250mW的电池供电原子钟。QuASAR项目目前已在实验室开发出50亿年误差不足1秒的光学原子钟。

在惯性传感器微小型化方面，2011年启动为期3年的微型速率积分陀螺(MRIG)项目，开发导航级可批产的3D微机械振动陀螺，功耗小于100毫瓦。目前已成功开发体积10mm、衰减时间100秒的半球与酒杯形的结构和共振腔体。

在惯性导航系统微小型化方面，微型惯性导航技术（MINT）的目的是开发可装在鞋靴内的体积1cm、功耗5mW、导航精度1m(保持在10小时以上)的INS。活跃层主次级校准（PASCAL）项目在微小型化传感器的同时，解决微机械惯性传感器和时钟的长期漂移问题，达到惯性传感器体积小于30mm、功耗低于50mW、偏移和刻度因子误差小于1ppm(百万分之一)/月，实现现场零维护。授时惯性测量单元(TIMU)项目开发3个陀螺、3个加速度计和1个时钟一体化的战术级IMU芯片，达到漂移率低于1nm/h，体积小于10mm，功耗不足200mW。芯片级组合原子导航仪(C-SCAN)项目是开发组合传统惯性传感器与核磁共振（NMR）陀螺或原子干涉仪（AI）的片上原子基惯性导航系统，芯片小于20cm，功耗低于1W。在惯性导航系统精度提高方面，DARPA于2003年启动精确惯性导航系统（PINS）项目，开发基于冷原子干涉仪的高精度IMU。2011年基于PINS的成果，开展了高动态范围原子传感器（PINS-HiDAR）项目研究。目前AOSense公司已开发出冷原子干涉仪基IMU，漂移率达到5m/h，下一步是激光器微小型化和改进性能。PINS是DARPA在2012年启动的ANS项目的重要组成部分之一。

另一方面，DARPA通过开发新系统架构和新算法以及新的多功能系统，充分综合和利用各种传统与非传统信息源实现PNT功能。ANS项目的另一组成部分-全源定位与导航（ASPN）项目开发新系统架构，并探索使用芯片级原子钟（CSAC）和非导航的机会信号（SOI）（如商用卫星、电台、电视信号、移动电话发射塔甚至闪电等）提供PNT基准点，见图4。PINS项目在2017财年进行子系统的演示验证，ASPN项目已完成在陆海空平台上的多次外场演示验证，2017财年进行最后的演示验证。

图4 自适应导航系统（ANS）的项目组成

总结来看，惯性技术以其固有的独立特性和无可替代的优势，在GPS替补系统解决方案中占据重要地位，成为重点发展的核心部分。无论是MEMS惯性传感器还是新兴的惯性技术，都在快速发展中。

近期内会维持RLG和FOG在主流飞机上并存的局面。由于RLG基INS可靠性高寿命长，因此仍在大多主流飞机上应用，而新研飞机和改进改型飞机大多采用FOG基的导航系统。目前RLG和FOG技术已经非常成熟，实现稳定的量产，如：霍尼韦尔的RLG产量已能达到17000套/年。目前的改进主要是进一步小型化和降成本。MEMS基导航系统目前主要在无人机、平台稳定、飞行控制和民用飞机领域大量应用。相信随着新惯性技术的出现以及导航精度和SWaP+C的不断改进，飞机上的RLG和FOG最终会像传统机械陀螺一样被取代而成为历史。

惯性技术的市场潜力巨大。惯性技术无论对国防还是工业乃至个人消费品都发挥很大作用，特别是人们越来越担心对GPS的过度依赖，因此惯性技术的用武之地自然会越来越大。据专业市场研究公司MarketsandMarkets在2016年1月发布的预测报告，未来五年全球INS市场将以复合年增长率（CAGR）13.81%的速度增长，由2015年的46.4亿美元增长到2020年的88.7亿美元。主要驱动因素有飞机数量的增加、对导航精度的要求提高以及部件的微小型化和低成本等。

惯性技术是军民两用技术，但更具明显的军用属性，因此备受各国的关注，也一直是西方国家对中国禁售的技术之一。因此我国的高精度惯性技术必须也只能依靠自主研发，才能摆脱受制于人的局面，才能满足我军各种国防武器平台的导航需求。我国导航级RLG和FOG方面，目前性能基本满足航空应用要求，但可靠性与国外的差距较大（如霍尼韦尔军民导航系统通用的GG1320RLG陀螺可靠性超过45万小时），规模量产方面也存在差距，相应的成本也较高。惯性技术，无论是RLG、FOG还是MEMS，均属资金密集型高科技前沿技术，上世纪80年代美国军方仅在霍尼韦尔一家公司就投入多达1.3亿美元用于研制RLG。然而，一旦关键技术取得突破，给导航系统带来的是革命性变化。面对国民经济和国防建设的需求，我国导航器件和系统落后制约战机及导弹战斗力发挥的局面亟需改变。我们应呈体系化发展高精度惯性技术，特别是加大对新兴惯性技术的研发力度，促进产学研的有效衔接，实现跨越式发展。

作者：中国航空工业发展研究中心范秋丽

本文拟刊载于《飞航导弹》2017年第10期

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