陀螺惯性制导及其军事应用

陀螺惯性制导及其军事应用物理自然技术社会陀螺惯性制导及其军事应用陈心中,徐润君(中国人民解放军汽车管理学院物理教研室,安徽蚌埠233011)摘要：简要介绍机械惯性陀螺、环形激光陀螺、光纤陀螺、半球谐振陀螺、石英音叉陀螺的基本工作原理及其军事应用,并预测了陀螺惯性制导的发展趋势.关键词：陀螺；惯性制导；军事应用中图分类号：O 318文献标识码：A文章编号：100020712(2004)0320046205现代战场上的飞机、导弹、装甲、坦克以及军舰等兵器,只有准确地测量方位、速度、姿态等参量才能完成预定的导航或稳定任务,因此常常需要利用惯性测量装置.惯性测量装置中,加速度计可用于测量物体的平动加速度,陀螺仪则可用于测量物体的转动情况.陀螺仪已成为现代兵器惯性制导系统中的核心部件.在希腊文中,陀螺一词的原意为旋转指示器.在现代科学技术中,不论基于何种原理,凡能感测旋转状态的任何装置,一般都可称之为陀螺仪.关于陀螺运动的基础理论研究大约是从18世纪开始的.早期采用的是根据回转仪原理设计的机械陀螺,后来出现了机电式惯性陀螺.在第一次世界大战中,美国海军首先研制成功陀螺导航仪,并相继推广应用于航海和航空事业中.20世纪初出现了飞机陀螺稳定器和自动驾驶仪.近年来,随着光电技术的迅猛发展,集光、机、电一体化的光电惯性陀螺及利用光电技术加工的新型惯性陀螺(如激光陀螺、光纤陀螺、半球谐振陀螺、石英音叉陀螺等),正不断地发展并广泛应用于军事领域.1机械惯性陀螺坦克、装甲等战车上的铁制物和电磁系统较多,通常指南针会受到影响因而难以发挥作用.如果在车辆开始行进时,将陀螺仪的高速转轴放置在南北方向,则由于陀螺仪的定轴性,在车辆行进过程中,无论车身如何转动,陀螺仪的高速转轴都会稳定地指向当地的南北方向.车辆的纵轴与陀螺仪高速转轴的夹角即为航向角,根据其大小即可确定方向,并通过电子系统控制车辆的前进.前苏联最早即在自行高炮和萨姆导弹的发射车上装置了陀螺仪.对于空中的飞行器(如飞机、火箭、导弹等),飞行过程中的方向和姿态可以用三个角度来描述：飞行器头部的上仰下俯(即飞行器绕垂直于飞行方向的水平轴的旋转),可用俯仰角来表示；飞行器头部左右的摆动(即绕铅直轴的转动),可用偏航角来表示；飞行器绕其本身纵向轴线的转动,可用侧滚角来表示.测出这三个角度至少要用两个陀螺仪,即绕铅直和水平轴转动的两个陀螺仪.由于高速转子的定轴性,无论飞行器如何运动,两轴线的方向都保持不变,因此两轴线可分别作为铅直和水平基准线.上述三个角度可分别通过陀螺仪的内、外框架与相应轴线、基座之间的夹角测得.例如飞行器的侧滚角和俯仰角可根据以铅直基准线为转轴的陀螺仪测出(图1),偏航角可以根据以水平基准线为转轴的陀螺仪测出(图2),将测出的信号传送给计算机系统,就能发出指令,随时纠正飞行器飞行的方向和姿态.图1滚动和俯仰陀螺惯性制导系统分为捷联式惯性制导和平台式惯性制导两种：把惯性仪表直接安装在飞行器内部的某个位置,并且随着飞行器一起运动的称为捷联式第23卷第3期大学物理Vol.23 No.3 2004年3月COLL EGE PHYSICS Mar.2004图2偏航和俯仰陀螺惯性系统；平台式惯性系统是在飞行器内将一个金属平台固定在高质量的常平架上,当飞行器俯仰或偏航时,陀螺和伺服控制系统使稳定平台总是保持在原有的空间方位上.由于捷联式惯性制导是将信号直接输入计算机,因而能降低造价,提高可靠性,故目前的惯性系统多采用捷联式惯性制导.而对于导航精度要求较高的武器系统(如运载火箭、发射弹道导弹的核潜艇、洲际导弹、巡航导弹等),常应用陀螺平台惯性系统.利用陀螺的定轴性原理可以制成稳定系统,用于探测并控制飞行器或舰船发生的侧向滚动,使其保持稳定.我们从图3所示的铜斑蛇炮弹激光寻的器的结构示意图可以看出陀螺的稳定作用：来自目标反射的激光能量经整流罩后,穿过窄带光学滤光片,由透镜会聚,并由陀螺稳定的平面反射镜反射后落在透镜后主点附近的四象限探测器上.来自目标反射的激光相对于炮弹的方位不同,落在四象限探测器上的信号也不同.这种结构的光轴是不稳定的,但由于陀螺的稳定作用,垂直于反射镜并通过探测器中心的测量轴线却是稳定的,因而根据四象限探测器上的光信号可以探测到炮弹的滚转情况,通过电路输出并形成控制信号,以使炮弹稳定飞行.图3铜斑蛇炮弹激光寻的器结构图由此可见,机械陀螺仪是以力学中的惯性原理为依据制成的,其导航精度完全取决于元件本身,与周围物理环境无关,不受外界干扰.速率陀螺仪提供的角速度信号能为防空火力控制瞄准器提供前置角数据,能为飞机、车辆等导航制导系统提供稳定数据,从而改善系统的动态品质.但传统的机电陀螺仪离不开高速转动的转子,高速转子容易产生质量不平衡问题并受加速度影响,而且还需要一定的时间才能达到转速平衡,使用起来不很方便.2环形激光陀螺1960年人类研制了第一台激光发生器,1962年美、英、法及前苏联几乎同时开始研制激光陀螺.激光陀螺利用沿闭合光路运转的激光光束进行测量,不使用机械转子,它完全是一个光学元件,但功能与机械陀螺一样,可用来测定相对于惯性空间的转速和方位.图4是环型干涉仪的示意图,为了方便于推导,设它是一个正三角形,并假设一束激光在A点被分成频率相同、初相位相同的两束激光,分别沿着环路的逆时针和顺时针方向传输.当环路相对惯性空间没有转动时,逆时针光和顺时针光环绕一圈的光程均为L,两者光程差为零.当环路以角速度绕O轴转动时,由于相对于惯性空间坐标系的光速c不变,两束光的光程就不等.逆时针光在环路中绕一圈的光程为L+=L+r0+(1)式中r0为转轴到三角形一边的距离,+为逆时针光在环路中绕一圈所需的时间,而+=L+c(2)由(1)、(2)两式可解得L+=L cc-r0(3)同理可得顺时针光在环路中绕一圈的光程是L-=L cc+r0(4)将(3)、(4)两式相减得图4环形干涉仪示意图第3期陈心中等：陀螺惯性制导及其军事应用47 L+-L-=2 Lcr0c2-r202因为c2 mr202所以L+-L-=2 Lr0c由几何学知识可得环路的面积为S=3 3r20环路一圈的周长L=6 3r0所以S=L 2r0(5)则两束光的光程差为L+-L-=4 Sc(6)不难看出,只要测得两束光的光程差,即可求得转动角速度.在实用中,通常是在一块石英玻璃内加工一个三角环形光路,在一段光路上放置氦氖激光器,氦氖激光器发出的激光经三个顶点处的反射镜反射后成为闭合光路,形成一个环形谐振腔(图5).由物理知识可知,在低损耗情况下,当波长为的激光符合L=n(n为正整数)时,满足谐振条件.图5环形谐振腔结构示意图由式(3)得n+=nc c-r0即+=c c-r0(7)同理得-=c c+r0(8)因为频率=c,所以有-+=c-c+=cc c+r0-cc c-r0=2 r0式中+、-和+、-分别表示逆时针光和顺时针光的频率和波长.根据式(5)给出的r0和S之间的关系,可得顺、逆两光的差频(即拍频)为-+=22 SL即-+=4 SL(9)所以=L(-+)4 S因此,只要测得顺、逆两光的拍频,即可求得环型谐振腔旋转的角速度.如果对式(9)的两边求积分,可求得在时间t内拍频振荡的周期数N与环路转过的角度之间的关系,即N=t 0(-+)d t=4 SL0 dd td t=4 SL用仪器记下拍频振荡的次数,即可知道环路在该时间内转过的角度.若我们在一个飞行器上沿互相垂直的三个方向各固定一个环形谐振腔,就可以随时测定飞行器沿三个方向各转了多少角度,也就测定了飞行器的方位.这三个环形谐振腔实际上就是三个激光陀螺.简单地说,激光陀螺的基本原理是：当激光随载体转动时,由于激光器输出的两束光在环形光路内反向运行时产生光程差,使两束激光的谐振频率不同,其输出端的频率差随角度成正比例变化,测量频率差即可得出转速.激光陀螺的优点是：精度高(漂移角速率在0.000 11()/h范围内),动态范围大,响应时间短(由于接通电源就能产生激光,不存在怠速反应),可靠性高,耐冲击和振动,也不受温度影响,无机械活动部件,尺寸小,重量轻,工作寿命和存放期长,能直接与计算机系统相连,便于实现自动化和智能化控制,因而是捷联式惯性导航系统的理想元件.激光陀螺于20世纪80年代初开始成功地应用于飞机及地面车辆的导航和舰炮等方面,以后又应用于导弹、运载火箭等领域.目前世界上许多国家都已批量生产并广泛应用.例如,美国早期将其用于T-45A苍鹰飞机和其他舰载机的惯性导航系统中,从1998年开始,美国战斧巡航导弹中的惯性导航系统选用环形激光陀螺代替传统的机械陀螺,B-52轰炸机也把陈旧的机械惯性导航系统改为环形激光陀螺惯性系统.英国的勇士机械化炮兵观测车上的导航系统以及皇家海军的三艘新型机敏级攻击核潜艇(2002年底将开始交付使用)、日本的AS90式自行榴弹炮等都应用了环形激光陀螺.48大学物理第23卷但是,环形激光陀螺的谐振腔必须严格密封,并保证其中的氦氖混合气体组分浓度恒定,反射镜镀膜工艺要求高,制造成本高,而且会有闭锁现象等问题产生,因此还有待于改进.目前,许多科研单位正致力于固体环形激光陀螺仪的研究.3发展中的其他陀螺3.1光纤陀螺光纤陀螺的基本工作原理与环形激光陀螺相似,但它是利用光纤线圈构成闭合回路(图6).将两束相干光分别从光纤线圈的两端耦合进光纤传感线圈,并进行反向回转,当线圈以一定角速度旋转时,从线圈两端输出的光产生相位差或频率差,由此测得旋转角速度并完成惯性测量工作.图6光纤陀螺基本原理示意图光纤陀螺除了具有激光陀螺所有的优点外,还具有不需要精确加工、严格密封的光学谐振腔和高质量的反射镜的特点,所以减少了复杂性,降低了成本,具有更强的市场竞争力.日本在TR1和M5火箭上率先使用了光纤陀螺.美国研制的光纤陀螺已被用于飞机俯冲、横滚和航向基准的惯性测量系统中.但目前的光纤陀螺会出现角度随机游动、零偏不稳定等缺陷,还有待于克服.3.2半球谐振陀螺半球谐振陀螺由谐振子薄壳、组合式发力器传感器组件和处理电容传感器信号的缓冲电路板组成(图7).它是利用球壳结构的应力波来敏感基座旋转的.半球壳形的谐振子是陀螺的敏感元件,外形如同边缘褶皱的半球形酒杯.在由发力器组件产生的低振幅应力波的作用下,谐振子以其谐振频率振荡,当陀螺绕谐振子轴旋转时,其应力波相对壳体以精确正比于旋转角度的速率进动,由位于谐振子内表面的电容传感器可敏感应力波位置,通过计算得到旋转角速度.半球谐振陀螺结构简单,具有较低的热灵敏度、振动灵敏度及可忽略不计的磁灵敏度,环境适应性图7半球谐振陀螺结构示意图强,反映时间短(启动时间1 s,系统对准时间5 min),而且可靠性较高.半球形谐振陀螺涉及到当今许多高新技术(如谐振子精细加工技术、球面微膜电极生长技术等),因此从理论到制作工艺要求都很高.半球谐振陀螺与光纤陀螺、激光陀螺相比,技术上更具有竞争力,它是捷联导航系统和高精度测角装置的理想元件,可用于飞机导航、洲际导弹等飞行器的精确制导.美国德尔科电子公司研制的半球谐振陀螺已在747飞机上成功地进行了飞行试验.3.3石英音叉陀螺石英音叉陀螺属于振动陀螺类惯性测量器件,它是利用傅科摆的原理,采用微型石英音叉形振荡元件来完成旋转速率测量的.石英音叉陀螺的工作过程是：利用石英的压电效应来驱动音叉的叉齿以彼此相差180相位进行振动.当音叉绕其长轴旋转时产生科里奥利力,驱动音叉振荡.通过测量叉齿位移的幅度,解算出旋转速率.石英音叉陀螺是一种利用光电技术加工的惯性器件,内部的石英部件基本都采用光刻法加工.石英音叉陀螺体积小、能耗低、工作寿命长,但属于低精度陀螺范畴,可用于坦克的稳定装置、自行火炮等压制兵器的测角诸方面.美国BEI公司研制的石英音叉陀螺已用于导弹自动驾驶仪、瞄准线稳定等方面,洛克韦尔公司还准备用数字式石英惯性测量系统取代某些武器中的环形激光陀螺.4陀螺惯性制导的发展趋势在惯性制导系统中,利用激光来作为方位测向器的陀螺逐渐取代传统的机械陀螺已是大势所趋.目前世界上许多国家都在研制激光陀螺,美国的霍尼威尔、利顿、斯佩里等公司均已取得明显的成第3期陈心中等：陀螺惯性制导及其军事应用49绩.法国的激光陀螺技术具有很强的实力.俄罗斯在激光陀螺研制方面也较为先进,激光陀螺已被用于苏-30 MK、苏-32FN、苏-34等战斗机和弹道导弹的制导与控制系统中.将激光陀螺与全球定位系统(GPS)结合作为精确导航系统的核心组件的方法,正被广泛应用于核潜艇、飞机、巡航导弹、洲际导弹及卫星制导中.例如1999年美国轰炸我国驻南联盟大使馆的联合直接攻击弹药(JDAM),就采用了这种结合式的制导方法.我国研制了一种新型宽带卫星通信系统,它是采用GPS定位、激光陀螺跟踪的数字卫星通信系统,将激光陀螺用于车载自动跟踪系统,可使系统定位精度高、随机漂移小,并能快速进入作战状态.对于不同的军事需求,可以应用不同精度的陀螺.例如,用于战略导弹、空间飞行器、自主式潜艇导航、高能激光武器的瞄准、跟踪等,则需要漂移角速度小于0.001 5()/h的高精度惯性陀螺；用于测定空中、地面、海上平台的导航系统和姿态基准系统等,则需要漂移角速率为0.001 515()/h的中等精度的惯性陀螺；而用于战术导弹、中段制导、灵巧弹药及旋转弹药等,则可采用漂移角速率为15()/h的惯性陀螺.由于研制激光陀螺涉及到许多关键技术,如激光射频技术、激光稳频和偏频技术、激光腔光学加工技术、真空及密封技术、信号检测与处理技术、镀膜技术等,因而随着不同关键理论和技术突破的先后不同,会有多种类型的惯性陀螺在军事领域与时俱争,发挥日益显著的作用.参考文献：1魏光辉,杨培根.激光技术在兵器工业中的应用m.北京：兵器工业出版社,1995.2(英)杰弗里李.战场武器系统与技术丛书(第三卷)m.军事科学院外国军事研究部译.北京：军事科学出版社,1992.3吴欣.光电惯性技术浅谈J.现代兵器,2001(3)：3536.Inertia guidance of gyroscope and its mil itary appl ication CHEN Xin2zhong,XU Run2jun(Physics Teaching and Research Section of Automobile Management Institute of the PLA,Bengbu 233011,China)Abstract：The working principle and applications of mechanical gyroscope,annular laser gyroscope,optical fiber gyroscope,hemispherical resonant gyroscope,quartz tuning fork gyroscope are briefly int roduced in mili2 tary fields,and the development trend of gyro2guidance system are forcasted.Key words：gyroscope；inertia cont rol and guide；military application(上接36页)致前述不凡现象的重要因素.综上所述,能量损耗的因素是多方面的,在声场的表现中每一因素都扮演着不同的角色,它们的共同作用所产生的不凡现象,不仅不能用行波加驻波的简单模式作出合理的解释,而且在与此相关的各种测量中必须加以正视.用干涉法测量超声声速时,为了减小因吸收系数的存在而导致L与/2的偏离,接收面与发射面之间的距离L不应过小或过大,接收端的移动范围应以L相对稳定为宜.参考文献：1胡建恺,张谦林.超声检测原理和方法m.北京：中国科学技术出版社,1993.5361.2任隆良等.驻波法测量声速实验中的非完全驻波J.大学物理实验,2001,14(2)：910.The influence of energy attenuation on supersonic velocity measurement ZHU Xian2song,WANG Hong2zhi,SONGJ un2qiang(Departement of Basic Science,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300222,China)Abstract：The influence of energy attenuation on supersonic velocity measurement is analysed.Key words：supersonic；stationary wave；attenuation 50大学物理第23卷