【原创】国外战术导弹惯性前沿技术-伯乐人生活网

随着武器系统逐渐向自主长航时高精度方向不断的发展，惯性技术也得到快速发展，特别是随着电子技术、光学技术、小型化低成本技术的发展，光纤和激光陀螺仪逐渐替代传统的机电陀螺仪，不依赖GPS的自主导航技术、核磁共振陀螺仪、微机电陀螺仪等成为战术导弹惯性技术的前沿领域。近年，各国加大对战术导弹惯性前沿技术的投入，并取得重要进展。

多途径推动不依赖于GPS的自主导航技术发展

不依赖卫星的新型导航技术有多种，如微惯性导航技术、量子导航技术、脉冲星导航技术、自适应导航技术等，近几年，随着信息技术、电子对抗技术的发展，这些不依赖GNSS的导航技术逐步成熟，已经形成了一个庞大的技术群，成为导航技术发展的一个重要方向。

>>>> 微型定位导航授时技术取得重要进展

2010年，DARPA启动了Micro-PNT 项目，旨在发展芯片级的IMU 技术取代传统的导航、定位与授时手段，降低授时与惯性测量装置的尺寸、质量和功耗。Micro-PNT计划的总体目标是突破芯片级原子钟技术（短期稳定性优于1×10-11/秒，长期稳定性优于1×10-14/月）和微陀螺技术（零漂移率优于0.01度/小时，动态范围15000度/秒），并在微尺度上进行系统集成，形成体积约8立方毫米、质量约2克、功耗低于1瓦的微型自主定位导航授时系统。Micro-PNT 项目包括时钟、惯性传感器、微尺度上的集成以及试验与鉴定4 个关键研究领域，共由10 个具体研究项目组成。总体上，Micro-PNT 计划研究内容涵盖了从核心部件到系统集成、测试与评估的整个环节，形成了较为完善的技术体系。

自项目开展以来已取得若干阶段性成果。在时钟领域，已研制出功耗100mW量级、短期稳定性优于30×10-11/天、长期频率漂移为5×10-11/天的芯片级原子钟样机；在惯性器件领域，已在实验室条件下突破稳定性0.1度/小时的微机电系统陀螺仪技术；在微尺度集成领域，已开发出集成3个陀螺仪、3个加速度计、1个时钟，体积仅8立方毫米的样机系统，这7种装置构成了一套独立的微型导航系统，尺寸比1美分的硬币还小。DARPA目前正在开发具有自校准、高性能和低成本的微型传感器，以替代当前体积、重量和功率均较大的传感器。然而，由于该计划包含的关键技术多、难度大，到目前为止还未见到按期完成全部攻关工作的相关报道。DARPA于2015年10月召开了Micro-PNT项目审查会。

>>>> 已完成自适应导航技术各平台演示验证

近年，DARPA启动自适应导航系统(Adaptable Navigation Systems，ANS)计划，希望可以在任何环境下都可以为用户提供高质量的GPS定位和导航服务。ANS通过灵活组合现有传感器和新传感器，可以使集成时间从数月缩短至数小时，有效提高精度、可靠性和成本，并且具有广泛的平台、环境和任务适应性。ANS项目主要是开发可适应多种平台的“即插即用”PNT传感器结构与算法，降低成本，将部署周期从数月缩短到数天。ANS项目主要利用量子属性制造冷原子干涉陀螺仪，实现精确惯性测量，并通过全源定位导航（ASPN）技术获取的外部信息进行位置校准，从而提供不依赖GPS的完全自主的定位导航授时服务。

该计划的总体研究目标是：（1）通过“精密惯性导航系统”（PINS）项目，开发性能更优的惯性测量单元，即冷原子干涉陀螺仪；（2）寻求用于外部位置校准的导航源；（3）开发新的导航算法和软件结构，以利用非传统导航传感器在特定环境中快速配置导航系统。其中精密惯性导航系统项目主要完成第一个目标，全源定位导航（ASPN）项目完成第二、三个目标。目前，已完成了PINS和ANPS各平台的演示验证，正在进行端对端的演示验证。

>>>> 推动对抗性环境中的空间、时间和方位信息技术发展

对抗性环境中的空间、时间和方位信息（STOIC）项目旨在发展完整的PNT能力，将包含4个技术领域：鲁棒的远距离参考信号、超稳定战术时钟、采用多功能系统的PNT技术领域以及附加技术。每个技术领域都将分为3个阶段、不超过36个月的研发周期。STOIC项目重点则是发展为各武器平台和装备提供导航定位信息的相关技术，包括基于超低频发射机和接收机的解决方案、能够在GPS首先条件下提供长达1个月纳秒级时间同步的超稳定战术时钟、对抗环境下协同移动平台的授时和定位方案等。项目完成后，DARPA将对各技术领域最后得到的组件进行集成，并在多种环境和平台上进行测试。目前，STOIC项目仅发布了公告，还没有确定具体的技术方案和实施途径。STOIC项目重点是发展为各武器装备平台提供导航定位信息的相关技术。对于导弹武器而言，STOIC项目提供的PNT信息可以替代GPS信号用于其导航制导。除此之外，项目发展的基于多功能系统的PNT技术等基础技术在导弹武器上也有一定的应用前景。

核磁共振陀螺仪技术性能指标已达到惯导级

进入新世纪以来，随着微米、纳米技术和MEMS制造工艺的快速发展，微型核磁共振陀螺仪的研发成为惯性技术领域的新热点，自然也就成为美国DARPA的主抓项目之一。

DARPA与诺斯罗普·格鲁曼公司签约为Micro-PNT项目研发微型、导航级核磁共振陀螺仪，在需要高精度导航且体积、功耗受限的军事装备中应用。Micro-PNT项目2011年开发出一种微型核磁共振陀螺仪，使用原子核自旋以测量旋转。它可以提供导航能力，而且比目前在惯性测量装置中最先进的导航级陀螺仪降低2个数量级的尺寸、重量和功耗。这将使微型核磁共振陀螺仪可用于个人导航、非GPS区域的导航和微型无人机系统。微型核磁共振陀螺仪使用核粒子在磁场中的陀螺旋转以确定方向。这种陀螺仪没有任何运动部件，不会受制于加速度和振动。

2013年10月，诺斯罗普·格鲁门公司已经研发并展示了一个新的微型核核磁共振陀螺仪（NMRG）的原型。该原型是为美国国防部国防预先研究计划局（DARPA）研制，能够向大小和功率受限的平台提供精密导航能力。诺斯罗普·格鲁门公司的微NMRG技术利用原子核的自旋进行探测和测量旋转，能够提供堪比导航级光纤陀螺的性能，并且具备体积小、重量轻以及低功率等优点。此外，陀螺仪没有活动部件，而且对振动和加速不敏感。该技术能够应用在任何需要小尺寸和低功耗的精密导航平台中，其中包括有人和无人驾驶车辆在GPS拒止或受限地区进行导航。

图 4 诺斯罗普·格鲁曼公司研制的微核磁共振陀螺仪外形（左）

图 5诺斯罗普·格鲁曼公司微核磁共振陀螺仪进展

MRIG 项目主要资助了微半球陀螺的研究与开发，旨在开发基于速率积分原理的大量程（15000°/s）、高精度（0.05°/h）的微陀螺。其关键技术是运用高性能的新材料（金刚石、石英、玻璃合金等）开发新的3D 微制造工艺（微尺度玻璃吹制、微模铸、原子层沉积等），以制造出高精度的微半球形谐振子。目前伯克利加州大学、Honeywell 公司、康奈尔大学、密歇根大学、Northrop Grumman公司、耶鲁大学、Draper 实验室、欧文加州大学等多家研究单位已经制作了多种谐振子，如图 6所示，其中密歇根大学和欧文加州大学开发的微半球陀螺已经取得初步性能。

图 6美国各研究机构研制的微型半球谐振结构

近期已研发出的微型NMRG的性能指标已达到惯导级，与目前所用的惯导级惯性测量组合相比在尺寸、重量、功耗等方面小两个数量级。这就使其在个人导航系统、GPS不授用（GPS-Denied）导航系统和微型无人飞行器（UVA）系统的应用成为可能。微型NMRG技术走向成熟，最终实现产业化，必将在惯性导航技术领域引发革命性的变化。

惯性新技术在多个领域实现应用

>>>> 罗克韦尔·柯林斯为无人直升机提供微型惯性导航系统

2016年3月，巴西FT Sistemas公司选择了罗克韦尔·柯林斯公司为其新型FT-200FH 类别2（Category 2）无人直升机提供微型惯性导航传感器（INS）。

微型INS是一种先进的INS/GPS，集成了大气数据系统和磁力计，可提供完整和精确的平台状态数据。该装置重约100克，使用了高度可靠的微型机电系统传感器，包括加速度计、速度陀螺、磁力计和大气数据压力传感器，以及基于广域增益系统的GPS接收机。FT Sistemas是巴西无人机研制商，该公司已正式被巴西认作战略国防公司。

>>>> 诺·格公司惯性系统应用于星基雷达侦察系统

2016年8月，德国OHB系统公司已向美国诺斯罗普·格鲁曼（诺·格）公司授出合同，旨在为德国SARah星基雷达侦察系统提供空间惯性参考系统。诺·格公司将会提供其可扩展空间惯性参考单元-L（Scalable SIRU?-L），用于SARah星基雷达侦察系统的传感器定位/稳定和姿态控制。该项合同标志着该新型可扩展惯性参考单元-L的首次国际化应用。

该新型可扩展惯性参考单元-L源自验证过的可扩展惯性参考单元（SIRU），并提供了与标准模型相同的硬件和相关可靠性。可扩展惯性参考单元-L由于其创新的校准过程，使得交付期更短，成本更低，是一款高性价比的产品。

>>>> 诺格公司将更换美海军的惯性导航系统

2015年12月，美海军授予诺格公司一份合同，用于更换美海军目前大部分作战和支援舰船的惯性导航系统。该合同价值1980万美元，若所有选项获得执行，其潜在价值将达到4780万美元。惯性导航系统将会为目前美海军正在开发的海军保障定位和计时系统提供支持。新系统将增加导航的精确性。

诺格公司海上系统事业部的官员称将会成为所有海军舰船定位、导航和计时的基础。它所提供的位置和姿态数据将会是非常精确的，这将帮助作战和支援舰船完成它们正在执行的任务。

包括光纤陀螺仪传感器的开发在内，这份合同的许多工作将会在诺格公司的工厂开展，届时，该公司的工厂将有大量的植入导航算法的惯性测量元件。

导航级MEMS惯性传感器取得新进展

2016年3月，美国DARPA微系统技术办公室选定诺·格开发基于MEMS的新一代惯性测量单元（IMU），该系统通过加速度和角速度测量，为飞控系统导航提供数据输出。

DARPA精确制导弹药导航级惯性测量单元（PRIGM: NGIMU）项目旨在通过集成先进的MEMS惯性传感器，开发低成本、小尺寸、低功耗的小型化导航级IMU。诺·格公司将开发原型机替代现有的IMU，提供更为精确的导航数据。新的惯性导航单元与之前的相比更轻、更小，而且还可用于GPS拒止和高对抗环境。

在627万美元成本加固定费用价格（CPFF）基本合同中，要求诺·格公司验证其MEMS陀螺仪和加速计满足规定性能及环境要求。同时还追加了530万美元MEMS惯性测量单元（IMU）研制合同，指定评估LR-500是否满足尺寸、重量、功率及性能参数要求，随后在国防部仿真环境中进行IMU原型系统测试。

（来源：北京航天情报与信息研究所）

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