捷联惯性技术在水中兵器制导与测试中的应用探讨

【摘要】综合论述了捷联惯性技术在水中兵器制导与测试中的应用现状、存在问题以及发展方向。首先简述了捷联惯性技术的基本原理，然后重点介绍了其在精确制导水中兵器、远程自航水中兵器以及水中兵器弹道测试中的应用现状、使用方式和特点、对比分析了对捷联惯导系统提出的不同要求，最后对捷联惯性技术在现代水中兵器应用中的发展趋势提出了看法，并提出了建议。

【关键词】捷联惯导；水中兵器；制导；测试

1.引言

捷联惯导系统是将惯性敏感元件（陀螺仪和加速度计）直接安装在载体上（不再需要机电式的稳定平台），利用惯性传感器基准方向及最初的位置信息来确定载体的姿态、方位、位置和速度的推算导航系统。在捷联惯导系统中，用计算机来完成导航平台的功能，以数学平台代替了常规的惯导系统中的物理平台。由于省去了机电式的导航平台，给系统带来许多优点：（1）整个系统的体积和成本大大降低。（2）惯性仪表便于安装、维修、和更换。（3）能够提供更多的导航和制导信息。（4）惯性仪表便于采用余度配置，提高系统性能和可靠性。由于捷联式惯性导航系统具有一系列优点，在许多方面正逐步取代平台式惯导系统，它占领了除战略级应用之外的各个领域。有关资料报道，美国军用惯导系统1984年全部为平台式，到1989年已有一半改为捷联式，1994年捷联式已占有90%。由船、飞机、战术导弹、鱼雷的惯导系统具有中等精度与低成本的要求，所以采用捷联方案非常适宜，在这些领域中已广泛采用捷联式惯导系统。尽管如此，捷联惯性系统也有其不利的方面。首先，由于惯性测量部件（陀螺仪与加速度计）直接捆绑在载体上，所处的动态环境非常恶劣，这样整个惯性导航系统将产生不可忽视的动态误差，而动态误差的减小，一方面是从工艺上提高惯性测量部件（陀螺仪与加速度计）的测量精度；另一方面，则是优化捷联算法，从算法上降低捷联姿态误差，由于数学平台代替物理平台，捷联系统的导航信息基本是由导航计算机来提供的，捷联系统的导航计算机的计算量非常大，因而，设计捷联算法不仅要尽量提高导航精度，还要兼顾导航计算机的计算能力。随着近年来计算机技术的发展，计算机的处理能力越来越强，这为设计高精度的捷联算法提供了坚实的基础，这也正是捷联惯性导航技术快速发展的重要原因。其次，捷联惯导中的动基座初始对准问题，近年来一直是国际国内的研究热点。

2.精确制导水中兵器的制导

精确制导水中兵器因采用了精确制导系统、速度快、航行时间极短，使其一旦锁定目标，就可快速接近，直至摧毁目标。在打击精度、单位数量水中兵器的控制区域和提高对敌大中型水面舰只及潜艇威慑力方面，具有其它水中兵器无法比拟的优越性。由于捷联惯导系统是完全自主式的，不需要外界提供信息，并且提供的信息量充分、精度高，抗环境干扰能力强，与其它制导方式相比，应用于高速水中兵器制导具有明显优势。

高速制导水中兵器本身的特点决定了其对捷联惯导系统的要求：1）必须提供尽可能多的导航信息，比如姿态、位置等。当然根据不同的制导方式和制导精度要求，所要求的信息量及精度是不同的。2）体积小，必须结构紧凑。虽然水中兵器直径通常为533mm，但是其航行体直径却很小，至少要把惯性制导系统尺寸控制在Φ200mm以内。3）准备时间要短，该时间包括陀螺启动稳定时间和捷联惯导系统初始对准时间。由于惯性仪表功耗大，只能在接到启动指令时才能动作，而制导水中兵器从引信系统发出攻击指令到航行体出平台的时间极短，这样就要求惯导系统从启动到准备好工作几乎要“瞬间”完成。4）动基座、快速自对准。由于水中兵器（例如水雷）长期潜伏在水下，几乎不可能利用外界信息来进行传递对准；而且受水流等环境因素影响，雷体一直处于运动状态。因此捷联惯导系统的动基座、快速自对准是其应用于水雷制导的一大技术难题。5）环境条件恶劣。水中兵器在布放以及发动机工作的过程当中，其冲击加速度可能高达30～50g。这一点对于敏感元件的可靠性提出了很高的要求。用于精确制导水中兵器因为使用时间短，其陀螺精度要求不高，一般随机漂移为0.1-1°/h即可。

总的来说，为了更好地将捷联惯导技术应用于精确制导水中兵器，将有很多技术问题需要解决，从大的方面可以归纳为两类：一是引进捷联惯性制导系统将在某种程度上给全雷系统带来全局性的变化，如武器系统接口、发射前准备、参考信息的获得、全雷供电及各系统接口等，而且势必要打破传统的分工模式；二是捷联惯导自身的技术问题，对于惯性敏感元件、各种算法、微机、供电、控制回路、平衡回路、系统编排等如何适应高速制导水中兵器的特殊要求还要做很多应用研究。

3.远程自航水中兵器的导航

远程自航水中兵器能隐蔽地远距离布放到具有重要战略意义的海域，如敌方控制的港口、海湾，它以兵器的深入代替潜艇兵力的深入，能增加布雷平台的安全性和机动性，减少水雷布放工具的战损率，因此潜布远程自航水雷是未来海上封锁作战的重要武器系统。远程自航水雷最主要的战技指标是航行距离和就位点误差，俄罗斯的SMSM—1型自航水雷可根据预设的程序隐蔽地航行达19000米，然后沉至海底，其导航精度优于1%；俄罗斯的SMDM—2型自航沉底水雷，其航程可高达46000米，导航精度更高；美国的MK67型水雷其航程也达到16000米。从国外资料来看，该水雷采用了多种导航方式，或者说采用了组合导航系统，因为任何一种可用于水下的单一的导航与定位系统是无法同时满足远距离和就位精度这两个指标的。但是，无论采用哪种组合导航方式，捷联惯导系统都是最主要的导航系统。

对于远程自航水雷的导航系统，位置精度比姿态精度要重要，因为位置精度直接决定了水雷的就位精度。由于惯性元件的漂移误差，使得捷联惯导系统的误差随时间积累，因此仅用惯导系统作为唯一的导航方式，对于大航程（大于10千米）长时间的自航水雷的导航是不太现实的。一般来说，可能适用的组合方式有惯性导航/地磁导航、惯性导航/船位推算导航、惯性导航/声基阵定位导航、惯性导航/地形匹配导航、惯性导航/重力梯度导航等几种导航方式，当然，也可用两种以上导航方式相组合，比如惯性导航、地磁导航、船位推算导航、声基阵定位导航以及深度传感器相结合起来的组合导航方式。

远程自航水雷对捷联惯导系统的要求有别于高速制导水雷对其的要求：1）必须长时间（1～2小时）地提供高精度的位置信息，位置误差至少应优于±1%D（D为航程），因此必须采用高精度的陀螺和加速度计，陀螺的随机漂移一般要优于0.02°/h；2）因为陀螺长时间运行需大功率电源，对电源提出了很高的要求，最好能应用功耗小的全固态陀螺；3）因为自航水雷的布放时间相对来说不紧张，所以惯导系统启动和准备时间相对宽裕；4）初始对准可借用布放平台的导航系统来进行传递对准，时间和精度都可得到优化。

总之，用于远程自航水雷的捷联惯导系统主要是要采用高精度、低功耗、反应迅速的惯性敏感元器件，如能快速启稳的机械陀螺、环形激光陀螺、光纤陀螺和高精度的加速度计等，并且还必须加强对远程自航水雷组合导航的多传感器数据融合技术研究。

4.水中兵器弹道测试

将捷联惯性导航技术引入水中兵器的测试系统中，是水中兵器测试技术的一项重大进步。采用捷联惯导系统进行水中兵器航行体弹道测量，可获得的弹道参数包括姿态角、角速率、速度、位移、弹道倾角、弹道偏角、倾斜角、攻角、侧滑角等，是获取弹道参数最全面的测量手段。根据弹道测量系统测量到的数据可确定水中兵器攻击弹道轨迹、弹道散布、动作特性、近炸引信工作性能，作为新型水中兵器研制过程中参数优化和改进设计的重要依据以及定型试验中考核水中兵器上浮攻击性能的重要依据。

5.结束语

捷联惯导技术在现代水中兵器中的应用，应充分考虑水中兵器及水中兵器武器装备系统的特点，要针对不同水中兵器的作战使命与战技要求进行研究和探讨。一般来讲，在用于精确制导水雷的捷联惯导中，现在可选用挠性陀螺或光纤陀螺，将来可能会考虑使用微机械陀螺的捷联惯导；远程自航水雷中，因为对陀螺的要求较高，适宜选用激光陀螺，但价格昂贵，将来有可能选用光纤陀螺；对于水雷攻击弹道的测量，过去经常选用的是挠性陀螺的捷联惯导，由于近几年国内光纤陀螺技术的突飞猛进，因为其成本、可靠性、抗冲击、小体积等因素，光纤陀螺捷联惯导是大势所趋。

高性能和低成本这一对矛盾在捷联惯导系统中，表现尤为突出，作为使用者，首先必须摸清系统要求的最低指标，以期用最低价格的方案来完成总体下达的任务。捷联惯导在水中兵器制导与测试中的应用还需要完善和提高一系列的技术性能，如在研究时要与制导大回路整体考虑，通盘研究惯导系统的方案和机械编排，研究信息采集与处理方案，利用软件充分发掘系统功能，以弥补昂贵复杂硬件的不足，提高制导系统整体性能。同时，要不断跟踪捷联惯导系统研究领域的最新进展，以期该技术在水中兵器行业，其性价比能够不断提高。

作者简介：齐文军（1966—），吉林洮安人，高级工程师，现供职于中国人民91500部队，主要从事试验测控通信工作。