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      深??臻g站導(dǎo)航技術(shù)初探

      2011-01-15 00:51:48吉雨冠八研究所上海200011
      船舶 2011年1期
      關(guān)鍵詞:慣導(dǎo)陀螺儀深海

      吉雨冠(七○八研究所 上海 200011)

      程榮濤(海裝武漢局湖北 武漢 430060)

      深海空間站導(dǎo)航技術(shù)初探

      吉雨冠(七○八研究所 上海 200011)

      程榮濤(海裝武漢局湖北 武漢 430060)

      深??臻g站;導(dǎo)航技術(shù);光纖陀螺

      船舶科技發(fā)展“十一五”規(guī)劃綱要中,超前布置了包括深海空間站等10項(xiàng)代表船舶科技發(fā)展方向的重大關(guān)鍵技術(shù)。而導(dǎo)航技術(shù)的研究是深海空間站保障系統(tǒng)中一個(gè)主要內(nèi)容,基于光纖陀螺(FOG)的慣導(dǎo)技術(shù)(INS)的開(kāi)發(fā)和利用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

      0 引言

      隨著各國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,海洋資源的爭(zhēng)奪日趨激烈,海洋安全、維權(quán)的重要性日益凸顯。我國(guó)是海洋大國(guó),無(wú)論近海還是深遠(yuǎn)海的利用都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。船舶科技發(fā)展“十一五”規(guī)劃綱要中,超前布置了包括深海空間站關(guān)鍵技術(shù)在內(nèi)的10項(xiàng)代表船舶科技發(fā)展方向的重大關(guān)鍵技術(shù),增強(qiáng)了開(kāi)展深??臻g站研究的責(zé)任感和緊迫感。

      在上海市造船工程學(xué)會(huì)主辦的“2010年中國(guó)國(guó)際海洋工程發(fā)展論壇”上,專(zhuān)家再次呼吁,應(yīng)充分發(fā)揮“官、產(chǎn)、學(xué)、研、用”結(jié)合的模式,向目前我國(guó)船舶工業(yè)最薄弱的深海技術(shù)進(jìn)軍。在國(guó)家已經(jīng)初步認(rèn)定海工裝備作為新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)上,把“深??臻g站”作為重大科技工程,能夠列入“十二五”發(fā)展規(guī)劃中。

      1 深??臻g站簡(jiǎn)介

      深海裝備由于要適應(yīng)其所處的深海(目前定義為500 m)復(fù)雜、嚴(yán)酷環(huán)境,在技術(shù)發(fā)展上與其他海洋裝備相比有許多特異之處。軍民用深海裝備在技術(shù)發(fā)展上各有側(cè)重,同時(shí),許多深海裝備技術(shù)呈現(xiàn)出良好的軍民共用性。近年來(lái)軍、民用領(lǐng)域?qū)ι詈Qb備技術(shù)日益增長(zhǎng)的需求以及深海裝備技術(shù)良好的軍民共用性極大地促進(jìn)了深海裝備技術(shù)的發(fā)展,使深海裝備技術(shù)成為當(dāng)前及未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)期非常值得關(guān)注的前沿技術(shù)領(lǐng)域。

      深海裝備的種類(lèi)繁多,主要包括大深度潛艇、移動(dòng)式載人深海空間站、固定式居住型深海空間站、固定式無(wú)人深海空間站、載人潛器(包括系纜潛器,浮力艙式潛器和自由自航潛器)、無(wú)人潛器(包括遙控潛器和智能潛器)、深海探測(cè)裝備、深海導(dǎo)航裝備、深海通信裝備、深海作業(yè)工具等。

      美國(guó)的深??臻g站計(jì)劃源自康涅狄格州的國(guó)家水下研究中心主管庫(kù)伯教授,其目前正在醞釀世界上第一個(gè)深海生活—工作實(shí)驗(yàn)室——海洋大氣海底綜合研究基地。該海洋基地將成為世界上第一個(gè)深海研究設(shè)備,它將處于水下139.7m的大陸架上,占地2 580m2,分三部分:水上上層建筑部分、中部和海底基地。一個(gè)水密的柱式電梯將往返實(shí)驗(yàn)室和居室之間。

      海洋基地研究的內(nèi)容將涉及:氣候變化研究、海水—空氣交換、生態(tài)系統(tǒng)模型確認(rèn)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)、居住研究、海上水產(chǎn)業(yè)、人在極限環(huán)境下的反應(yīng)等等。

      美國(guó)海軍1969年就投入使用了NR-1核動(dòng)力潛器,潛水深度914 m。21世紀(jì)美國(guó)提出了深海研究平臺(tái)的新要求。母船平臺(tái)必須能夠秘密獨(dú)立地航行到任務(wù)目的地,執(zhí)行所定的任務(wù),包括布放、回收和支持潛器,并且在這期間不需要其他船舶的支持。

      2 用于海洋平臺(tái)的導(dǎo)航技術(shù)

      現(xiàn)代導(dǎo)航已隨著科學(xué)技術(shù),如超音速飛機(jī)、核動(dòng)力潛艇、宇航飛行和運(yùn)輸事業(yè)等的發(fā)展而得到了驚人的發(fā)展。從概念上講,現(xiàn)代導(dǎo)航已不再只是作為運(yùn)動(dòng)體安全可靠地到達(dá)目的地的保障手段,而包含著全天侯覆蓋、自動(dòng)駕駛、著陸引導(dǎo)、進(jìn)港拋錨、交通管制、武器制導(dǎo)、電子對(duì)抗,以及諸如偵察、反潛、拍照、協(xié)同作戰(zhàn)……等特殊應(yīng)用的要求。它是一門(mén)與電波傳播、電子計(jì)算機(jī)、信息論、自動(dòng)控制論、系統(tǒng)工程等多種新興技術(shù)密切相關(guān)的綜合性高技術(shù)。

      用于海洋平臺(tái)的導(dǎo)航技術(shù)有:羅蘭-C、GPS、北斗、慣性導(dǎo)航(INS)等。羅蘭-C(Loran-C)系統(tǒng)是一種低頻脈沖相位雙曲線遠(yuǎn)程導(dǎo)航系統(tǒng),定位精度≤0.25~1.25 n·mile(當(dāng)S/N=1∶3,羅蘭C臺(tái)鏈有效地波覆蓋區(qū));GPS(Global Positioning System)——全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),是利用空中衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)。它能在全球范圍內(nèi),全天候連續(xù)地提供高精度三維位置、三維速度和精密的時(shí)間信息,定位精度:≤100 m(2D、SA,、HDOP≤2條件下);北斗定位系統(tǒng),是我國(guó)自主研制的衛(wèi)星定位系統(tǒng),定位精度:≤100m。

      以上三種導(dǎo)航技術(shù)基本可以滿(mǎn)足水上海洋平臺(tái)的使用要求,但對(duì)于水下的海洋平臺(tái)(如潛艇、深??臻g站)由于無(wú)線電波的迅速衰減,而無(wú)法使用。目前,潛艇的水下導(dǎo)航主要利用慣性導(dǎo)航(INS)系統(tǒng),航向精度:≤1.5′、4 h(RMS),航程解算精度≤0.5%。

      3 基于光纖陀螺(FOG)的慣導(dǎo)技術(shù)

      3.1 慣導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展

      隨著航海的發(fā)展,19世紀(jì)后半葉就出現(xiàn)了鋼制輪船,由于磁羅盤(pán)無(wú)法保證鋼質(zhì)輪船的導(dǎo)航精度,容易發(fā)生海難事故,更無(wú)法在潛艇中使用,從而促進(jìn)了陀螺儀在航海中的應(yīng)用。

      第二次世界大戰(zhàn)期間,德國(guó)的V-2導(dǎo)彈使用陀螺儀和加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)量定位,形成了慣性制導(dǎo)的雛形。雖然受到當(dāng)時(shí)技術(shù)和工藝水平的限制,它的導(dǎo)航定位精度還比較低,結(jié)構(gòu)也不完善,但這卻是慣性制導(dǎo)在工程上開(kāi)創(chuàng)性的應(yīng)用。

      第二次世界大戰(zhàn)以后,美國(guó)和蘇聯(lián)都投入了大量的人力和物力開(kāi)展慣導(dǎo)系統(tǒng)的研制工作。50年代,由于技術(shù)和工藝的進(jìn)步以及電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展,為比較完善的慣導(dǎo)系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)提供了較好的物質(zhì)條件。美國(guó)首先在陀螺精度上取得突破,麻省理工學(xué)院(MIT)儀表實(shí)驗(yàn)室研制慣性級(jí)精度的液浮陀螺儀。1954年,慣導(dǎo)系統(tǒng)在飛機(jī)上試飛成功。1958年,“魟魚(yú)”號(hào)潛艇從珍珠港附近潛入深海,依靠慣導(dǎo)系統(tǒng)穿越北極到達(dá)英國(guó)波蘭港,歷時(shí)21天,航程8 146m。這表明慣性導(dǎo)航(INS)技術(shù)在50年代已經(jīng)趨于成熟。

      從50年代末至60年代初,以液浮陀螺儀、氣浮陀螺儀和動(dòng)力諧調(diào)陀螺儀構(gòu)成的平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)得到迅速發(fā)展,并大量裝備各種飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈和航天飛行器;70年代,以靜電陀螺儀構(gòu)成的高精度平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)開(kāi)始步入實(shí)用。由于科技的進(jìn)步,激光陀螺達(dá)到慣性級(jí)精度,還相繼出現(xiàn)了光纖陀螺和半球諧振陀螺儀;80年代,以激光陀螺儀和光纖陀螺儀構(gòu)成的捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)獲得了工程應(yīng)用,這是慣性導(dǎo)航(INS)技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中又一個(gè)重要的里程碑。

      3.2 光纖陀螺(FOG)的現(xiàn)狀

      光纖陀螺儀作為繼激光陀螺儀之后出現(xiàn)的新一代陀螺,各國(guó)的研制工作已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展。光纖陀螺儀的研制對(duì)慣性導(dǎo)航(INS)和控制領(lǐng)域十重要,隨著計(jì)算機(jī)、微電子和光纖技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,它將取代傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺和平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)。

      光纖陀螺儀與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀相比,優(yōu)點(diǎn)是全固態(tài),沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件,壽命長(zhǎng),動(dòng)態(tài)范圍大,瞬時(shí)啟動(dòng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,尺寸小,重量輕;與激光陀螺儀相比,光纖陀螺儀沒(méi)有閉鎖問(wèn)題,也不用在石英塊精密加工出光路,成本低。

      光纖陀螺儀按原理上分類(lèi),可以分為:干涉儀式、諧振腔式和光纖型環(huán)型激光陀螺儀。

      干涉儀式光纖陀螺儀按照光路的組成又可以分為:消偏型、全光纖型和集成光學(xué)型。

      諧振腔式光纖陀螺儀按照光路的組成又可以分為:全光纖型和集成光學(xué)型。

      光纖型環(huán)形激光陀螺儀是一種利用光纖環(huán)形腔中的受激布里淵散射的方向性增益效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)利用Saganc效應(yīng)檢測(cè)諧振速率,其原理與激光陀螺儀完全相似。由于無(wú)需復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)檢測(cè)技術(shù),國(guó)際上倍受重視。

      美國(guó)的光纖陀螺研制單位有:利頓公司、霍尼威爾公司、德雷泊實(shí)驗(yàn)室公司、斯坦福大學(xué)以及光纖傳感技術(shù)公司等。以利頓公司為例:1988年研制出SCIT實(shí)驗(yàn)慣性裝置,慣件器件是光纖陀螺和硅加速度計(jì);1989年公司研制的CIGIF論證系統(tǒng)飛行試驗(yàn)裝置;1991/1992年研制出用于導(dǎo)彈和姿態(tài)與航向參考系統(tǒng)的慣性測(cè)量系統(tǒng)。1992年研制出GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

      日本研制光纖陀螺的單位有東京大學(xué)尖端技術(shù)室、日立公司、住友電工公司、三菱公司、日本航空電子工業(yè)公司。在日本,光纖陀螺作為汽車(chē)的旋轉(zhuǎn)速率傳感器已進(jìn)入市場(chǎng)。利用光纖陀螺儀進(jìn)行導(dǎo)航,用車(chē)輪轉(zhuǎn)速計(jì)傳感器測(cè)移動(dòng)距離,用光纖陀螺測(cè)量車(chē)體的回轉(zhuǎn),同時(shí)采用圖像匹配、GPS系統(tǒng)等配合計(jì)算汽車(chē)的位置和方位,顯示在信息處理器上。

      俄羅斯的光纖陀螺有全光纖型和集成光學(xué)型。全光纖型是把所有的光纖器件都做在同一根光纖上。Fizoptika公司研制的光纖陀螺已經(jīng)商品化,產(chǎn)品型號(hào)有:VG949、VG941B等。

      我國(guó)也非常重視光纖陀螺技術(shù)的研究,上世紀(jì)80年代后,許多大學(xué)和研究所相繼啟動(dòng)光纖陀螺的研發(fā)項(xiàng)目,如航天工業(yè)總公司所屬13研究所和上海803研究所、哈爾濱工程大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)等,也取得了一定的成績(jī),如1996年,航天總公司13所成功研制采用Y分支多功能集成光路、零偏穩(wěn)定性達(dá)全數(shù)字閉環(huán)保偏光纖陀螺,浙江大學(xué)和Honeywell公司幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)利用消偏可提高精度等。國(guó)內(nèi)的光纖陀螺研制水平雖然與國(guó)際水平有一定距離,但已具備或接近中、低精度要求。

      3.3 基于光纖陀螺(FOG)的慣導(dǎo)技術(shù)

      慣性導(dǎo)航(INS)也存在一個(gè)問(wèn)題:其誤差會(huì)隨著時(shí)間積累——工作時(shí)間越長(zhǎng),誤差越大。深??臻g站或潛艇往往要在水下航行幾天、幾十天甚至幾個(gè)月,這個(gè)累計(jì)誤差不可小覷。所以,關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn),還是陀螺儀的精準(zhǔn)度。因此,運(yùn)用于導(dǎo)航系統(tǒng)的陀螺儀,是非常精密、復(fù)雜的器件。把一個(gè)機(jī)械陀螺的漂移誤差做到小于每小時(shí)千分之一度或萬(wàn)分之一度,絕非易事。現(xiàn)在比較先進(jìn)的光纖陀螺儀已經(jīng)達(dá)到0.01度/小時(shí),比較典型的光纖陀螺應(yīng)該具有量程寬、精度高、響應(yīng)快、靈敏度高、模擬和數(shù)字輸出、堅(jiān)固可靠、不受電磁與震動(dòng)影響等特點(diǎn).因此光纖陀螺已成為準(zhǔn)確控制和高精度角速度測(cè)量的首選應(yīng)用。

      基于光纖陀螺(FOG)的慣導(dǎo)技術(shù)需要突破的主要技術(shù)分為三個(gè)方面:

      a)光纖陀螺(FOG)精準(zhǔn)度的改進(jìn)提高

      靈敏度消失、噪聲和光纖雙折射引起的漂移是影響光纖陀螺(FOG)精度的三個(gè)主要因素。在旋轉(zhuǎn)速率接近0時(shí),靈敏度會(huì)消失。這是由于檢測(cè)器中的光密度正比于Saganc相移的余弦量所引起。光纖陀螺儀的噪聲是由于瑞利背向散射引起的,為了達(dá)到低噪聲,應(yīng)采用小相干長(zhǎng)度的光源。如果兩束相反傳播的光波在不同的光路上,就會(huì)產(chǎn)生光纖雙折射飄移。

      b)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用冗余技術(shù)

      冗余技術(shù)是指當(dāng)系統(tǒng)無(wú)故障時(shí)取消這些冗余措施不會(huì)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。常用的冗余方法有硬件冗余、軟件冗余、信息冗余、時(shí)間冗余、解析冗余及幾種冗余技術(shù)的綜合應(yīng)用,冗余技術(shù)應(yīng)用可以提高慣導(dǎo)的精準(zhǔn)度。

      可以確保導(dǎo)航信息的使用精度;

      在設(shè)備存在軟故障而引起較大的導(dǎo)航輸出信息誤差的情況下,可以準(zhǔn)確而及時(shí)地進(jìn)行故障判定和切換,從而排除故障信息,保證導(dǎo)航信息的使用安全性;

      根據(jù)故障信息的特征,實(shí)現(xiàn)故障診斷,保證系統(tǒng)的有效性;

      根據(jù)慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)不同工作方式的誤差傳播特性,利用冗余信息建立系統(tǒng)誤差和誤差源之間的求解方程組,實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差源的估算、修正和補(bǔ)償,以延長(zhǎng)系統(tǒng)的重調(diào)時(shí)間,提高系統(tǒng)輸出導(dǎo)航信息的精度。

      c)慣性組合導(dǎo)航積累誤差補(bǔ)償及修正

      慣性導(dǎo)航(INS)原理上存在的長(zhǎng)時(shí)間積累誤差決定了必須尋找有效手段加以補(bǔ)償,利用北斗導(dǎo)航定位信息或多卜勒導(dǎo)航信息進(jìn)行修正,是提高INS性能重要手段之一。

      4 結(jié)語(yǔ)

      導(dǎo)航技術(shù)的研究是深??臻g站保障系統(tǒng)中一個(gè)主要內(nèi)容。哈爾濱工程大學(xué)基于光纖陀螺(FOG)慣導(dǎo)技術(shù)(INS)的研究已持續(xù)了很多年,預(yù)計(jì)在未來(lái)3~5年內(nèi),高精度光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將達(dá)到實(shí)用狀態(tài)。這一技術(shù)的開(kāi)發(fā)和利用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

      [1]曾恒一,李清平,吳應(yīng)湘.開(kāi)發(fā)深海資源的海底空間站技術(shù)[D].2006年度海洋工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.中國(guó)造船.

      [2]王洪志,周君益,韓恩權(quán).光纖陀螺在潛艇導(dǎo)航中的應(yīng)用分析[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器,2004(01).

      [3]王珍熙.可靠性、冗余及容錯(cuò)技術(shù)[M].航空工業(yè)出版社,1991.

      [4]錢(qián)華明,袁贛南.分布式數(shù)據(jù)總線及其在慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào),1997,5(4).

      [5]郭素云.陀螺儀原理及應(yīng)用[M].哈工大出版社,1985.

      The navigation technique for the deep-sea space station

      Ji Yuguan Cheng Rongtao

      deep-sea space station;navigation technique;optical fiber gyro

      The“eleven-5th”ship technology development planning compendium has assigned ten key technologies,which representing the development trend of the ship technology,including the deep-sea space station.Moreover,the navigation technique is a main content in the deep-sea space station logistics system,and the development and application of the optical fiber gyro(FOG)and inertial navigation system(INS)have very important practical significance.

      U666.1

      A

      1001-9855(2011)01-0048-04

      2010-11-17

      吉雨冠(1959.01-),男,漢族,高級(jí)工程師,主要從事通信導(dǎo)航研究設(shè)計(jì)工作。

      程榮濤(1975.12-),男,漢族,工程師,主要從事通信導(dǎo)航研究設(shè)計(jì)工作。

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