INS-FI新型GPS辅助惯性导航：永不停转的“指南针”

2024法国巴黎军警防务展期间，美国惯性实验室公司展示了INS-FI新型GPS辅助惯性导航系统。该系统采用战术级光纤陀螺仪技术，在全球导航卫星系统信号拒止环境下，其高性能光纤陀螺仪的惯性测量误差小于0.5°，地面应用定位误差约为行进距离的0.1%。这一新系统再次证明了惯性导航系统的稳定性与可靠性。

作为20世纪人类一项重要发明，惯性导航凭借不可替代的优势，成为现代导航体系的稳固基石。目前，世界上几乎所有的大型舰艇、潜艇和战机都配备了惯性导航系统。

在众多导航手段中，惯性导航有什么独特的优势，目前发展如何，未来又有哪些应用前景？请看本期解读。

惯性导航：永不停转的“指南针”

■吴佳楠　李炳哲　张毅

英国布莱克特号研究船正在试验新型量子惯性导航的原型系统。资料图片

为遨游海天提供可靠保证

走在陌生的城市中，我们可以通过路边的地标来确定前进的方向。那么，火箭飞行在茫茫太空中，如何确定方向？

这离不开一项重要的技术——惯性导航。

所谓惯性导航，就是基于牛顿力学原理，利用载体自身的惯性特性进行导航定位的技术。这离不开两个核心部件：陀螺仪和加速度计。

陀螺仪又称角速度传感器，负责感知并跟踪载体的角运动，确保在任何旋转或倾斜的情况下都能准确指向固定的方向。而加速度计则像是一位敏感的“速度监测员”，测量载体沿各个方向的线性加速度，为计算速度和位置提供基础数据。方向有了，速度有了，此时的惯性导航系统更像是一种小型计算机，通过对这些测量值进行连续计算，就能绘制出载体的运动轨迹，实现高精度的导航定位。

相较于卫星导航、无线电导航等，惯性导航在“导航家族”中具有独特的优势和不可替代的作用。

首先，高度的自主性让惯性导航在恶劣环境中仍能正常工作，为军事行动中的隐蔽性和突然性提供有力保障。在俄罗斯海军“白熊-2021”任务期间，3艘俄罗斯战略导弹核潜艇同时完成破冰出水任务。潜艇能在环境恶劣的北极冰层下长时间航行并到达指定地点，依靠的就是惯性导航的自主性。

其次，惯性导航能够提供高精度、连续的航向、姿态、速度和位置信息。在一些精确打击任务中，如海上使用舰炮或导弹对敌方目标进行打击，惯性导航系统提供的定位信息往往更为具体、详细，可有效提高武器装备的命中率。

此外，由于不依赖外部信息源，惯性导航系统的可靠性在各种导航系统中首屈一指。在军事行动中，如果卫星导航系统受到敌方干扰或破坏，依赖卫星导航的装备就会失去导航能力；无线电导航技术要求飞机等装备必须与地面设备保持联通，一旦地面设备损坏或受到电磁干扰，装备会成为“睁眼瞎”。惯性导航系统不依赖外部信号，不易受无线电干扰，等于在茫茫海天间为装备装上了一个永不停转的“指南针”。

从机械时代到光学纪元

根据惯性导航系统内部的陀螺仪来划分，惯性导航系统经历了机电式陀螺惯性导航、光学陀螺惯性导航以及集成光学陀螺惯性导航等发展阶段。

机电式陀螺惯性导航的发展可以追溯到20世纪中叶。初代惯性导航系统内部的陀螺仪利用轴承和滚珠来支撑陀螺转子，系统容易受到外部振动信号的干扰，并且陀螺转子与支承结构之间也很容易产生摩擦。这个时期，机电式陀螺惯性导航精度相对较低，对定位误差的影响非常明显。

20世纪70年代，美国MX导弹使用了液浮、气浮和磁悬浮3种支承结构来提升惯性导航的精度。这种结构减小了惯性导航系统内部的机械噪声，大大延长了其工作寿命，陀螺精度显著提高。

20世纪80年代，世界各国相继展开静电陀螺的研制，传统机电式惯性导航进入一个新的发展阶段。静电陀螺惯性导航内的陀螺仪利用静电场吸力来支撑球形转子，能够最大程度减小摩擦。在理想条件下，静电陀螺转子不受任何外力作用，其主轴将永远保持不动，可作为精密导航与定位的参照物。这等于在仪器舱内建造了一颗“人工恒星”，从而将漂移误差系数降到极低的水平。

静电陀螺惯性导航能够显著提高武器装备的隐蔽性，特别适用长时间工作的场合，因此在核潜艇中得到广泛应用。例如美军的三叉戟级核潜艇就使用了静电陀螺惯性导航，潜艇获取定位校正信号的时间成功延长到40天以上。

激光技术出现后，光学陀螺惯性导航成为最有发展前景的惯性导航系统。光学陀螺惯性导航通过激光干涉实现角运动的精确测量，同时取消高速旋转的机械转子，结构得到极大的简化。

20世纪90年代，一家美国公司研发出一款AN/WSN-7A型环形激光陀螺惯性导航系统，它采用新型的双轴旋转技术，14天内定位误差不超过1海里。它还进行了相应改造，更加适合潜艇水下使用。美海军洛杉矶级、海狼级和弗吉尼亚级潜艇使用的就是这种惯性导航系统。

在20世纪末，光纤陀螺惯性导航越来越受到各国军方的青睐。相较于激光陀螺仪，光纤陀螺以光纤线圈构成环形光路，具有更小的体积、更轻的质量、更低的成本以及没有运动部件等优点，是一种真正的全固态装备，探测精度也进一步提升。比如法国的Geonyx光纤陀螺惯性导航系统，就被广泛应用于北约国家的自行火炮等武器系统中，以提供重要的定位和导航支持。

进入21世纪，光纤陀螺惯性导航开始向集成化方向发展，其具体目标是将光纤陀螺仪中除光源和探测器以外的其他光路器件集成在一个芯片上。芯片级尺寸的集成光学惯性导航有望在军事、航空航天、深海探测、自动驾驶等多个领域发挥重要作用。如果光纤陀螺惯性导航系统的体积继续减小，或许未来有一天，普通的炮弹都可以实现制导化。

量子惯性导航未来可期

随着量子技术的飞速发展，量子惯性导航正成为惯性导航领域的新生力量。量子惯性导航的结构与传统惯性导航系统基本一致，主要由原子陀螺仪、原子加速度计、原子钟和信号采集处理单元等部分构成。

量子惯性导航的核心在于利用量子效应进行高精度测量。例如，某些量子传感器能够利用超冷原子的量子干涉现象来精确测量微小的角运动和加速度变化。这种测量方式不仅精度高，而且不易受外界干扰，这使得量子惯性导航系统在复杂环境中依然能够保持卓越的性能。

采用量子技术能显著提高导航精度，有望实现厘米级甚至更高精度的定位，其精度之高令传统机电式陀螺仪和光学陀螺仪难以企及。量子惯性导航可为无人艇、无人潜航器，尤其是执行水下侦察、布雷、反潜作战、远洋巡逻等任务的深潜器，提供长时间自主航行的可能。

各类型产品中，核磁共振陀螺仪惯性导航系统是短期内最有望推广应用的产品，其内部的冷原子干涉加速度计和陀螺仪展现出极高的精度，可能在未来成为高精度惯性导航领域的主流技术。目前，核磁共振陀螺仪已经进入芯片化产品研发阶段。

今天，国内外多家科研机构和企业正积极投入量子惯性导航的研发工作，以期打破传统惯性导航技术的性能瓶颈。

2024年1月，法国和德国共同开发了一个项目，计划2030年在卫星上装载量子加速度计，旨在从太空准确绘制地球引力图。

2024年5月，英国科学、创新与技术部（DSIT）宣布，由多家科技公司组成的联盟，已在飞机上成功演示基于量子的惯性导航系统。这标志着量子导航技术向实际应用迈出重要一步。

由于量子惯性导航系统需要复杂的激光冷却、电磁控制等装置，导致其体积庞大，目前还处于基础实验研究阶段。虽然技术还未完全成熟，但可以预见，凭借无与伦比的精度，量子惯性导航必将在不久的将来大放异彩。