基本介紹
- 中文名：自主導航設備
- 外文名：Autonomous navigation equipment
- 特點：不依賴外部信息
- 工作原理：基於陀螺的定向性和進動性原理
- 舉例：陀螺羅經、平台羅經、慣導系統
- 發展趨勢：光纖陀螺航向姿態系統等
設備原理及主要特點,陀螺羅經,平台羅經,慣性導航系統,性能對比,設備未來發展展望,
設備原理及主要特點
在艦艇航行中，自主導航設備不依賴外部信息，引導艦船航行到目的區域，並為武器系統提供艦船位置、速度、姿態等信息。
陀螺羅經、平台羅經、慣性導航系統均屬於自主導航設備，都是基於陀螺的定向性和進動性原理工作的，但它們在套用模型上卻有較大區別。
陀螺羅經
陀螺羅經（以阿瑪-勃朗系列羅經為例）由陀螺儀、電磁擺、碗形齒輪、修正迴路和跟蹤迴路組成；若陀螺球偏離子午面，在地球自轉水平分量的作用下，陀螺主軸將偏離水平面，於是隨動球與陀螺球之間出現水平失調角，隨動球水平信號器敏感此失調角後，產生失調信號，水平隨動系統工作，使隨動球轉過一角度以跟蹤主軸的運動。此時，固定在隨動球上的電磁擺也跟著傾斜一角度，輸出比例於傾斜角的擺信號，此信號經控制系統放大，輸出到水平力矩器及方位力矩器。方位力矩器給陀螺施加方位控制力矩（找北力矩），水平力矩器施加水平阻尼力矩，從而使陀螺主軸進行阻尼振盪而穩定在當地子午面內。在結構上， 隨動陀螺在垂直方向和北水平上是受控的，在驅動電機和碗型齒輪的驅動下工作，而東水平僅僅靠重力（配重）保持基本水平，不受電氣迴路控制。
平台羅經
平台羅經一般包含陀螺儀和加速度計等敏感部件，它們相互正交安裝在常平架上，陀螺儀敏感垂直、東水平和北水平三個方向的角速度，加速度計敏感北水平和東水平方向的加速度；電氣部分包含修正迴路和穩定迴路。以國內主要二自由度陀螺儀平台羅經為例，台體可繞內環軸旋轉，為方位軸；繞中環旋轉，為縱搖軸；繞外環旋轉，為橫搖軸。在每根旋轉軸上都安裝有力矩電機和多極旋轉變壓器，在方位軸上，並設有座標轉換器。北向陀螺（GN）和北向加速度計（AN）組成迴路，實現指北和保持南北水平； 東向陀螺（GE） 和東向加速度計（AE）組成迴路，實現東西水平；根據北陀螺、東陀螺的訊號器信號，通過穩定迴路、力矩電機使平台在三軸方向跟蹤陀螺，從而實現了台體的指北和保持水平。具體來說，和陀螺羅經指北原理相似，如果北陀螺的主軸偏離水平面，主軸就會抬頭或低頭使台體傾斜，修正迴路工作，加速度計和加速度計控制迴路組合起來，送出台體傾斜角度訊號，這個訊號經過電氣迴路放大產生一個電流送給北陀螺的方位力矩器，也送到水平力矩器，從而產生力矩使陀螺主軸向反方向進動，恢復指北，並實現北水平。東水平實現原理也是一樣的。
慣性導航系統
慣性導航系統分為平台慣性導航系統和捷聯慣性導航系統。平台慣導系統物理結構上與平台羅經相同，初始對準模型與平台羅經相似，但在導航狀態則有大的不同；它的陀螺穩定系統使三軸平台跟蹤地理坐標系，保持台體上的加速度計保持水平，並分別穩定指東指北。加速度計測量載體對東、北方向的分量，高速計算機將它對時間進行積分，得到在導航坐標系中的速度、位置。要使平台跟蹤地理坐標系，需使平台也以同樣的角速度相對慣性空間旋轉，並給陀螺施加控制電流，使三個陀螺分別產生進動角速度。
捷聯慣導系統（SINS）是在平台慣導系統基礎上發展而來的，它是一種無框架系統。平台慣導系統和捷聯慣導系統的主要區別是：前者有實體的物理平台，陀螺儀和加速度計置於穩定的平台上，與載體物理隔離，平台跟蹤導航坐標系，以實現速度和位置解算，姿態信息直接取自於平台環架上的旋轉變壓器；後者的陀螺和加速度計直接固連在載體上作為測量基準，它不再採用機電平台，慣性平台的功能由高速計算機完成，即在計算機內建立一個數學平台取代物理平台，載體導航信息通過計算機計算得到，這是捷聯慣導系統區別於平台慣導系統的根本點。
與傳統的平台慣導系統相比，捷聯慣導系統有如下優點：（1）捷聯慣導系統敏感元件便於安裝、維修和更換；（2）捷聯慣導系統敏感元件易於重複布置，在慣性敏感元件級易於實現冗餘技術， 可提高性能和可靠性；（3）捷聯慣導系統無常平架平台，減小了系統體積。
近10年來，美國等已開發國家艦艇用中等精度慣性導航系統已實現了由傳統平台式向現代捷聯式的更新換代。
性能對比
陀螺羅經、平台羅經、慣導系統它們都是自主導航系統，套用原理基本相似，但不完全相同，功能和精度也是從簡到難，從低到高。陀螺羅經是一般的普航設備，其結構和套用原理相對簡單，航向精度也相對較低，廣泛套用於民用船舶和軍用艦艇。平台羅經的結構和數學模型較陀螺羅經複雜，其功能和精度上介於陀螺羅經和慣導系統之間，結構上與平台慣導系統相同，主要套用于軍用艦艇，為艦艇各系統提供當前姿態，為飛彈、火炮、雷達等設備提供穩定平台。慣導系統是隨飛彈武器系統和潛艇技術的發展而發展的，它除提供艦艇姿態信息外，還能自主提供速度和位置信息，滿足了飛彈超視距攻擊和潛艇長時間潛航的需求；慣導系統結構上與平台羅經相似，但對敏感元件輸出的處理方式卻不相同：平台羅經的加速度信號主要用於敏感重力加速度，為系統提供水平信息，艦艇的加速度信息作為有害信息必須濾除；慣導系統的加速度信號敏感的重力信息和艦艇加速度信息都是有用信息，重力加速度用來輔助陀螺系統進行初始對準，而艦艇加速度信息用來進行兩次積分運算，以求出載體速度和位置；因此，平台羅經和慣導系統主要用於軍用，而慣導系統無論是功能上還是精度上都比平台羅經更勝一籌。
設備未來發展展望
隨著現代戰爭對武器載體隱蔽性的要求越來越高，艦艇自主導航設備的需求量也越來越大；艦艇武器系統作戰性能不斷改善，對艦艇自主導航設備的要求也不斷提高。固態陀螺（光纖陀螺、雷射陀螺、微機械陀螺等）動態性能好、可靠性高、啟動時間短的特點，決定了對傳統自主導航技術帶來極大的衝擊。陀螺羅經作為艦艇普航設備，主要用於保障艦船的航行安全，因此，它的地位將不可動搖；但傳統機械陀螺具有羅經啟動時間較長、可靠性一般的弱點，必然會被固態陀螺航向姿態系統所取代。傳統平台羅經的地位比較尷尬，它的弱點跟陀螺羅經相似，其提供的信息與固態陀螺航向姿態系統相同，其精度也並無多大優勢，這些特點決定了它也必然會被固態陀螺航向姿態系統取代。慣性導航系統作為提供信息最全的自主導航設備，廣泛套用於大中水面艦艇及潛艇，這些都是GPS、北斗、羅蘭C 等無法替代的；隨著計算機技術的飛速發展以及大動態範圍固態陀螺儀的日益成熟，傳統中等精度慣導系統必然會被固態陀螺捷聯慣性導航系統取代，尤其是雷射陀螺捷聯慣導系統。美國MK49 型系列捷聯慣性導航系統自上世紀90 年代以來開始裝備美國和北約各式潛艇和水面艦艇， 環形雷射陀螺捷聯慣性導航系統AN/WSN-7B 型則於21 世紀開始大規模生產並裝備美國海軍艦艇， 代表了慣性導航技術發展的最新水平。現在，國內雷射、光纖陀螺技術已達到一定水平，捷聯繫統集成技術早已成熟，相信用不了多久，光纖陀螺航向姿態系統、雷射陀螺捷聯慣性導航系統將陸續裝備我海軍各型水面艦艇及潛艇，促成我海軍自主導航裝備發展的又一次飛躍。
