您当前的位置: 首页 > 旅游

图文专家透露狆美精确制导真实差距

2018-10-26 14:22:01

[图文]专家透露中美精确制导真实差距

> 我自横刀向天啸-访空军惯导专家张宗麟

兵器知识2007.06

本刊特约陆兴华

去年本刊登出国产"雷石"6精确制导炸弹后,引起了广大读者的好奇,外刊也纷纷转载。在随后的珠海航展上,我国又有多款精确制导炸弹亮相,它们大多采用了GPS/INS制导技术。GPS大家耳熟能详了。那么INS是什么呢?它就是以前经常听到的惯性制导,一种不怕干扰的制导方式。新技术的发展,赋予了它新的生命力。

张宗麟:空军工程大学工程学院教授,军内外公认的惯性导航专家。他建立了军内外院校个软硬件齐全的惯性导航实验室,率先在军内创建了惯性导航学科,被誉为空军惯性导航的"祖师爷"。2006年,受到中央军委主席胡锦涛签署通令表彰

为了让读者更深入一点了解这种"我行我素"的技术,本刊专门采访了张宗麟教授。

:去年我国公开展出了精确制导炸弹"雷石"6,引起了广大读者和外刊的注意。它采用了GPS/INS制导技术。科索沃战争中风光无限的"杰达姆"炸弹,采用的就是GPS制导,现在它的近改进型也开始采用GPS/INS制导技术。关于GPS,大家耳熟能详了。但对于INS究竟是什么,很多军事爱好者还不熟悉,您能否先给大家解释一下。

张宗麟(以下简称张):INS是Inertial Navigation System的缩写,翻译成中文就是"惯性导航系统"。INS制导就是利用惯导设备输出的加速度、速度、位置和航向姿态信息,形成指令信号,控制载体,比如导弹、制导炸弹等的姿态、航向或关闭发动机,使其按预定轨道航行并到达目的地。这类似惯性导航中的自动导航状态。

记:惯性导航,惯性制导,它们之间的区别大吗?

张:导弹、制导炸弹均无人监控,于是习惯上把无人操纵和监控的运载体上的惯性导航系统。叫惯性制导系统。所以说,惯性制导(Inertial Guidance)与惯性导航(Inertial Navigation),本质上没什么区别。

它们的区别主要是工作方式的不同。惯性制导没有人操纵和监控,只工作在自动导航状态。惯性导航可以工作在两种状态。一种是由人工操纵并引导载体按预定航线到达目的地,此时的惯导系统可以说是一个导航参数测量装置,输出位置、航向等导航参数信息后即完成它的任务。另一种是根据测得的导航参数,通过控制系统解算,直接操纵载体按预定航线到达目的地。此时惯导的工作与自动驾驶仪紧密相关,驾驶员仅起到监控的作用。

另外,惯性制导系统工作上还有两个特点。一是由于导弹、火箭运行时间很短,所以导航精度随时间增长而下降的矛盾便不突出,通常对其精度的要求要低于惯性导航一定数量级。第二是导弹、火箭发射时的冲击振动载荷比飞机、舰船大得多,所以对惯性制导的强度、抗震及可靠性要求特别高。

记:惯性导航,我们在各种飞机、舰艇,甚至自行火炮上都能见到,很早就开始用于军事了。

张:对。世界上种导弹,德国1942年研制的V-2,制导方式就是惯性制导。它使用两个二自由度位置陀螺仪控制箭体的姿态和航向,用一个陀螺加速度计测量沿箭体纵轴方向的加速度,当飞行速度达到1380米/秒时(飞行70秒),接通火箭发动机的熄火装置,关闭发动机,使箭体按自由弹道飞行实现了轨道和弹着点的控制。尽管这时还没有完善的三轴陀螺稳定平台,结构上还有许多不合理之处,导航和制导精度也比较低,但它毕竟是当时世界上的付诸实际使用的个惯性制导系统。

美国"民兵"弹道导弹的惯性制导平台和制导系统计算机

随后的惯性技术按导航系统所使用的陀螺仪来分,经历了这样几个阶段。50年代,以液浮和气浮陀螺构成的平台式惯导系统开始在飞机、舰船和导弹上广泛应用。1954年,惯导在飞机上试飞成功。60年代,动力调谐式挠性陀螺研制成功,挠性加速度计代替液浮摆式加速度计。70年代,在利用高压静电场支承球型转子取代机械支承的静电陀螺研制成功后,先后在核潜艇和远程飞机上装备静电陀螺平台式惯导系统。80年代以后到90年代初,以激光陀螺、光纤陀螺为代表的捷联式惯导系统,得到极其迅速的发展和非常广泛的应用。90年代以后惯性技术的发展,在系统方面主要是广泛应用惯导与GPS全球定位系统,以及惯导与其它导航系统的双重和多重组合。

记:用途这么广,一定是因为它在这些兵器上很必要。

张:惯性导航的重要性是显而易见的。举几个例子来说吧:惯性制导的中远程导弹,一般来说命中精度的70%左右取决于惯导系统的精度,它基本上决定了导弹是否能打准的问题。对于核潜艇,由于潜航时间长,其位置和速度是变化的,而这些数据又是发射导弹的初始状态参数,直接影响导弹的命中精度,因而需要提供高精度的位置、速度等信号,而能满足这一要求的导航设备就是惯性导航系统。又比如,战略轰炸机,由于要求它经过长时间远程飞行后,仍能保证准确投放(发射)武器而命中目标,只有使用惯性导航系统才是为合适的,因为这样不依赖外界信息,隐蔽性好,不易受到外界干扰,又不会因沿途经海洋、过沙漠而影响导航精度。这三大战略武器,如果没有精确的惯性制导或惯性导航配合,就不可能发挥其应有的战略威慑力量。同样,对于各种巡航导弹、战术导弹、舰艇、歼击机、轰炸机、坦克等武器,也只有配备了惯导系统才能有效地发挥其战斗力。正因如此,国外新机生产无不装备惯性导航系统,80年代初,美国就有5000架以上的军用飞机装备了惯导。另外,国内外在对旧机种改装时,感兴趣的是加装惯导/攻击系统,因为打靶试验表明,一架装有惯性导航/武器攻击系统的飞机,可发挥出10倍于使用普通光学瞄准具飞机的攻击效果。

记:国产战机是否采用了惯性导航?

张:歼7以及之前的飞机大都没有装惯导。歼7只有简单的航姿系统,它要依靠无线电塔康确定自身位置,无法实现自主定位。其它大多数国产飞机以及新型国产三代战机都已装备或计划装备惯导系统。

记:您刚才提到,战略轰炸机使用惯性导航系统合适,现在型号的制导炸弹也用上了INS制导。惯导这么受青睐,一定是因为它有什么"看家本领"。

张:惯性制导、惯性导航的优点很多,也很突出。

是工作自主性强。它仅仅依靠机载、弹载设备感测加速度,不依靠任何其它信息而能独立地完成导航任务,是一种自主性强的导航方法。

第二是提供的导航参数多。惯性导航可以为飞机上的用户提供加速度、速度、位置、姿态和航向等全面的导航参数。还可以与飞行控制系统交联,实现飞机的自动驾驶;与飞机控系统交联,实时提供火控计算机所需的速度、姿态和航向等信号,极大地提高瞄准和攻击精度;与飞机着陆系统配合,保证安全可靠着陆。另外,光学瞄准系统、侦察照相系统、电视摄像系统以及雷达天线系统等机载设备都离不开惯导输出的有关稳定信号。

第三是抗干扰能力强,适用条件宽。惯性导航对磁、电、光、热及核辐射等形成的波、场、线的影响都不敏感,具有极强的抗干扰能力,既不易被敌方发现,也不易被敌方干扰。同时也不受气象条件限制,能满足全天候导航的要求;也不受地面形状、沙漠或海面的影响,能满足全球范围导航的要求。"杰达姆"炸弹要依靠GPS卫星发射的无线电信号来制导,这就容易被敌人干扰和欺骗。在它的GPS制导上增加INS制导,就能有效地对抗这种干扰。

记:俗话说有利有弊。惯性导航肯定也存在一些"致命"的缺点。

张:对。它的突出缺点,就是导航精度随时间增长而降低。由于惯性导航的核心部件陀螺仪存在漂移误差,致使稳定平台随飞行时间的不断增长偏离基准位置的角度不断增大,使加速度的测量和即时位置的计算误差不断增加,导航精度不断降低。为了提高远程飞行的精度,只有提高陀螺仪、加速度计的制造精度,这都会增加生产中的难度和提高产品的成本。像美国B-52远程轰炸机使用的惯导系统,其导航精度由小飞机的1海里/小时提高到0.04海里/小时,其精度满足了要求,但成本却大大提高了。

B-52轰炸机的AM9型惯性制导系统

记:您刚才提到了陀螺仪、漂移误差、稳定平台等。看来要了解惯性导航的优缺点、性能,有必要先知道它到底是如何利用"惯性"工作的。

张:惯性导航,就是利用惯性测量元件,测量载体相对于惯性空间的运动参数,并经计算后实施导航任务。它的工作原理是:由加速度计测量载体的加速度,并在给定运动初始条件下,由导航计算机算出载体的速度、距离和位置(经、纬度);由陀螺仪测量载体的角运动,并经转换、处理,输出载体的姿态和航向。从它的基本原理可以看出,一个完整的惯性导航系统应当包括以下几个主要部分。

一是加速度计。用于测量飞机运动的加速度,一般应由三个加速度计完成三个方向的测量。

二是稳定平台。为加速度计提供一个准确的安装基准和测量基准,以保证不管载体姿态发生多大变化,平台相对于惯性参考坐标系的方向始终保持不变,即三个加速度计的空间指向是不变的。例如,某些飞机上的惯导系统要求这个稳定平台在方位上要对正北向,在平面上要和当地水平面平行,使平台的三个轴正好指向东、北、天三个方向。能够实现这一要求的,只有陀螺仪,所以也叫陀螺稳定平台。陀螺也就成为稳定平台和惯性导航系统的核心部件。正因为有了这样一个基准平台,飞机相对该平台在方位上的偏角反映了航向,飞机相对该平台在水平两个轴向上的偏角反映了俯仰和倾斜(横滚)。所以稳定平台代替了地平仪、罗盘或航向姿态系统的功能。

三是导航计算机。用于进行积分、相加、乘除和三角函数等数学计算。同时,为保证平台始终水平和指北,要随飞机运动和地球自转,不断计算出修正平台位置的指令信号。还要计算并补偿有害加速度等。

四是控制显示器。一个功用是向计算机输入飞机初始运动参数和位置参数;另一个功能是显示飞行过程中的导航参数;还可以进行必要的控制操作,以实现惯性导航的更多功能。

记:战斗机上的稳定平台在飞机做大机动时也能始终保持水平吗?

张:平台伺服系统的响应很快,完全可以满足实时保持平台水平。像一些战斗机,瞬时横滚速度可以达到300度/秒以上,而它上面装备的惯导平台伺服系统转动速度肯定大于300度/秒,完全可以做到实时跟踪当地水平面。

记:惯性导航系统有没有使用寿命?

张:有,但惯导系统不像发动机那样有严格的寿命,它属于电子设备,一般不给明确的使用寿命,它所看重的是设备的MTBF(平均无故障时间)。一旦坏了就修,或者某个部件坏了就换,比如,陀螺支撑轴坏了,就把陀螺换掉,其它部件可以继续使用。

早期型国产惯导系统

记:国产惯性导航系统精度如何?

张:国产惯性导航系统精度一般是1-2海里/小时。早一点装备的惯导精度是2海里/小时,后来装备的惯导精度是1海里/小时。而美军早在1977年提出的惯导精度军标就达到0.8海里/小时。与之相比,我们还是有差距的。但近些年,我国的航空事业飞速发展,与水平的差距也在不断缩小。

记:您感觉与国外同类设备相比,国产惯性导航设备现在是什么样的水平?

张:虽然我们进步不小,但像惯导这样的高技术产品,我们与国外的差距有十年左右。美国九十年代就开始淘汰挠性陀螺惯导系统,我们现在还在大量使用;国外的激光陀螺技术已经实用,尤其是美国,现役的飞机几乎全部装备或者正在换装激光陀螺惯导系统,而我们到这一步还得几年时间。

记:激光陀螺是什么技术?

张:依靠激光原理测量角速度的器件,称为激光陀螺。激光陀螺原理如图。简单的结构是三角形光路。激光管内充有氦氖活性气体,该活性物质由高频电源或高压直流电源予以激发,形成沿环形谐振腔相反方向传播的两束光。飞机角速度为零时,整个环形激光器不转动,则正、反方向光程相等,光差L二L1-L2=0。飞机角速度不为零时,若环形激光器以角速度n顺时针(正向)转动,则由同一时刻发出的正、反两束光,要回原发射点,会出现光程不再相等,正向变长、反向变短,即L1>L2,L=L1-L27(0。通过测量光程差L的大小和符号,我们就可以计算出激光器转动的角速度及方向。

激光陀螺的优点是没有陀螺马达,没有机械活动部件,结构简单,可靠性高,动态范围大,可以测量0.01度/小时-1000度/秒的角速度,有着非常广阔的使用前景。

记:那我们有采用激光陀螺技术的飞机吗?

张:有。国产的激光陀螺惯导已经开始装备某型飞机,相信经过一段时间就能得到广泛应用的。

记:现在还有没有什么新技术应用于惯性导航?

张:还有一种叫微机械技术,它是通过化学腐蚀的办法,在材料上蚀刻出来一个可以转动的转子。根据陀螺原理,它自转的速度再加上一个牵连速度,会产生陀螺力矩,就有陀螺效应。微机械陀螺的精度比较低,但是它可以做得很小,蚀刻的陀螺、加速度计、电子线路集成起来大概只有半个肥皂盒那么大,而且非常便宜。美国人在做这方面的研究,国内也在跟踪这一技术。现在国外已经做出的产品主要用在布撒器/子母弹上,子母弹释放的子弹上都装有一套微机械惯导。

记:除了改进惯导系统中的陀螺仪等设备,还有没有其它办法解决惯性导航长时间工作的精度问题?

张:有,就是开始我们谈到的组合导航。比如说GPS与惯导组合,GPS可以准确提供飞机经、纬度和地速信息,而且它不随时间增加误差,由这些值同惯导输出的相应值进行比较,并对惯导进行校正,消除惯导的积累误差,使其达到接近GPS的精度。而一旦GPS失锁,失去信号时,可以依靠惯导自主导航。此时,惯导的积累误差也仅仅是从GPS失锁时算起,而不是通常的按起飞时算起,显然可以大大改善惯导精度。

-End-

万科柏翠园
千炮捕鱼
Excel培训
推荐阅读