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(北京航天控制儀器研究所，北京100039)

0 引言

實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略導(dǎo)彈的高精度、高可靠和實(shí)戰(zhàn)化是新形勢(shì)高強(qiáng)度對(duì)抗條件下攝戰(zhàn)統(tǒng)一的迫切需要，是體系作戰(zhàn)的必然要求，也是提升毀傷效能的最佳手段，而慣性系統(tǒng)是現(xiàn)階段制約我國(guó)戰(zhàn)略導(dǎo)彈精度和實(shí)戰(zhàn)化水平提升的關(guān)鍵因素。為提高慣性制導(dǎo)精度，采用慣性平臺(tái)系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)程導(dǎo)彈慣性器件的主流方案，其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)框架及伺服回路隔離載體的角運(yùn)動(dòng)從而消除掉加速度計(jì)中的動(dòng)態(tài)誤差。目前，我國(guó)戰(zhàn)略導(dǎo)彈配套的慣性平臺(tái)系統(tǒng)有靜壓氣浮平臺(tái)、液浮平臺(tái)、靜壓液浮平臺(tái)以及三浮平臺(tái)等[1]，面臨的長(zhǎng)期熱待機(jī)、快速啟動(dòng)等實(shí)戰(zhàn)化水平要求越來(lái)越嚴(yán)苛。另外，為實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)功能，慣性平臺(tái)在兩框架三軸平臺(tái)基礎(chǔ)上再增加一個(gè)隨動(dòng)框架以克服 “框架鎖定”，帶來(lái)的問(wèn)題是體積增大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜[2-4]。相對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)，捷聯(lián)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、全姿態(tài)解算的優(yōu)點(diǎn)。隨著光學(xué)陀螺儀精度的提高以及 “三自”激光慣組解決了不拆彈自標(biāo)定的問(wèn)題后，捷聯(lián)系統(tǒng)已在部分戰(zhàn)略導(dǎo)彈中得到了應(yīng)用，并與慣性平臺(tái)在預(yù)研項(xiàng)目中形成了全面競(jìng)爭(zhēng)格局。需要注意的是，“三自”激光慣組雖然通過(guò)增加框架解決了零次項(xiàng)和一次項(xiàng)等低階誤差系數(shù)的自標(biāo)定問(wèn)題，但在飛行過(guò)程中框架處于鎖定狀態(tài)，不能隔離彈體的角運(yùn)動(dòng)，加速度計(jì)動(dòng)態(tài)誤差會(huì)直接影響落點(diǎn)精度。

綜上分析，平臺(tái)系統(tǒng)和捷聯(lián)系統(tǒng)各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)且具有互補(bǔ)性。比如：1)平臺(tái)系統(tǒng)從物理上隔離角運(yùn)動(dòng)，而捷聯(lián)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)誤差較大；2)捷聯(lián)系統(tǒng)無(wú)框架即可實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)，而平臺(tái)系統(tǒng)只有采用三框架四軸結(jié)構(gòu)形式才具備全姿態(tài)功能。如何能實(shí)現(xiàn)平臺(tái)系統(tǒng)與捷聯(lián)系統(tǒng)二者之間優(yōu)勢(shì)融合、缺點(diǎn)規(guī)避，既能做到小體積、全姿態(tài)，又能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)誤差的物理隔離呢？我國(guó)未來(lái)遠(yuǎn)程戰(zhàn)略導(dǎo)彈將重點(diǎn)提升突防能力、機(jī)動(dòng)性等應(yīng)用性能，需要在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下進(jìn)一步提升純慣性制導(dǎo)精度。針對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)和捷聯(lián)系統(tǒng)的局限性，本文首次提出了一種可同時(shí)滿足高精度、全姿態(tài)、小體積的新一代慣性系統(tǒng)——速率平臺(tái)，該系統(tǒng)將推動(dòng)我國(guó)遠(yuǎn)程戰(zhàn)略導(dǎo)彈武器性能的跨越式發(fā)展。

1 三類慣性系統(tǒng)的局限性

我國(guó)慣性系統(tǒng)的發(fā)展歷程簡(jiǎn)化示意圖如圖1所示。20世紀(jì)60年代，第一代液體近程地地彈道導(dǎo)彈采用位置捷聯(lián)系統(tǒng)；20世紀(jì)80年代，實(shí)現(xiàn)全程飛行的中遠(yuǎn)程液體戰(zhàn)略導(dǎo)彈采用靜壓氣浮平臺(tái)系統(tǒng)；20世紀(jì)90年代，靜壓液浮平臺(tái)系統(tǒng)得到應(yīng)用；20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)前10年，捷聯(lián)系統(tǒng)快速發(fā)展，撓性捷聯(lián)系統(tǒng)、光纖陀螺捷聯(lián)系統(tǒng)和激光陀螺捷聯(lián)系統(tǒng)相繼應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈；在最近10年，三浮平臺(tái)系統(tǒng)與三自激光慣組在戰(zhàn)略導(dǎo)彈飛行中試驗(yàn)成功。從慣性系統(tǒng)的發(fā)展歷程可以看出，慣性系統(tǒng)可以劃分為三代產(chǎn)品：位置捷聯(lián)、位置平臺(tái)和速率捷聯(lián)。

圖1 我國(guó)慣性系統(tǒng)發(fā)展歷程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the inertial system development progress in China

1.1 位置捷聯(lián)系統(tǒng)

位置捷聯(lián)系統(tǒng)的定義為：利用位置陀螺儀測(cè)量載體姿態(tài)角的捷聯(lián)系統(tǒng)。位置捷聯(lián)系統(tǒng)的水平陀螺儀和垂直陀螺儀為兩框架陀螺儀，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子具有定軸性并在理想狀態(tài)下相對(duì)慣性系保持穩(wěn)定[5]。位置捷聯(lián)系統(tǒng)根據(jù)陀螺儀框架角度傳感器可直接測(cè)量出載體相對(duì)慣性系的角度信息，不需要數(shù)學(xué)解算，這是其優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)轉(zhuǎn)子和框架的支承方式，位置陀螺儀的典型產(chǎn)品有滾珠軸承框架式陀螺儀、靜壓氣浮兩自由度陀螺儀等。

位置捷聯(lián)系統(tǒng)雖然是第一個(gè)真正意義上的導(dǎo)航系統(tǒng)，具有開(kāi)創(chuàng)性，但存在的問(wèn)題是：

1)由于陀螺儀開(kāi)環(huán)工作，干擾力矩引起的進(jìn)動(dòng)使得轉(zhuǎn)子軸相對(duì)慣性空間發(fā)生變化。因此，陀螺儀漂移值較大，只能短時(shí)間工作。

2)當(dāng)陀螺儀內(nèi)框架角為90°時(shí)，轉(zhuǎn)子軸、內(nèi)框架軸和外框架軸處于一個(gè)平面，“框架自鎖”使得兩自由度陀螺儀功能失效，不能全姿態(tài)工作。

3)由于加速度計(jì)直接與載體固連，動(dòng)態(tài)誤差較大。

1.2 位置平臺(tái)系統(tǒng)

傳統(tǒng)上并沒(méi)有根據(jù)陀螺儀測(cè)量信息是角度或角速度來(lái)定義平臺(tái)系統(tǒng)的，而是根據(jù)支撐方式來(lái)定義平臺(tái)。比如，穩(wěn)定平臺(tái)的定義為：對(duì)于框架式慣性測(cè)量單元，以規(guī)定的方式控制慣性測(cè)量組件指向慣性空間系或當(dāng)?shù)厮?。浮球平臺(tái)的定義為：利用液浮球支承代替框架的全姿態(tài)穩(wěn)定平臺(tái)。之所以這樣分類，是因?yàn)殪o壓氣浮穩(wěn)定平臺(tái)、動(dòng)調(diào)陀螺穩(wěn)定平臺(tái)、液浮穩(wěn)定平臺(tái)、靜壓液浮穩(wěn)定平臺(tái)、三浮穩(wěn)定平臺(tái)所采用的陀螺儀都是角度輸出。為方便理解，定義一個(gè)新的概念——位置平臺(tái)系統(tǒng)，就是：利用位置陀螺儀測(cè)量臺(tái)體角度并以規(guī)定的方式控制框架以隔離載體角運(yùn)動(dòng)的平臺(tái)系統(tǒng)。

位置平臺(tái)系統(tǒng)在物理上通過(guò)框架隔離了加速度計(jì)誤差模型中與角運(yùn)動(dòng)有關(guān)的動(dòng)態(tài)誤差項(xiàng)，相對(duì)于位置捷聯(lián)系統(tǒng)的使用精度大幅提高，但全姿態(tài)的問(wèn)題是關(guān)注的焦點(diǎn)[6]。所謂的全姿態(tài)問(wèn)題就是三軸平臺(tái)系統(tǒng)的 “框架鎖定”，三軸平臺(tái)外框架軸、內(nèi)框架軸和臺(tái)體軸三者處于一個(gè)平面內(nèi)。此時(shí)，垂直于該平面的方向不能隔離角運(yùn)動(dòng)，位置陀螺儀瞬時(shí)輸出異常，意味著平臺(tái)臺(tái)體相對(duì)慣性空間將會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

為了避免三軸平臺(tái)系統(tǒng)框架鎖定的發(fā)生，主要解決措施是：在內(nèi)框架中增加擋釘以限制內(nèi)框架角的運(yùn)動(dòng)范圍，使內(nèi)框架角βyk工作在±40°或±60°的范圍內(nèi)。因此，三軸平臺(tái)不能滿足載體大機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的要求，而只能應(yīng)用于機(jī)動(dòng)姿態(tài)有限的載體上。目前，應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈的三軸位置平臺(tái)有靜壓氣浮穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)、靜壓液浮穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)以及液浮平臺(tái)系統(tǒng)等。

為了滿足大機(jī)動(dòng)飛行的需求，克服三軸平臺(tái)“框架鎖定”而不能實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)功能的難題，發(fā)展出了四軸平臺(tái)系統(tǒng)。相對(duì)三軸平臺(tái)系統(tǒng)，四軸平臺(tái)系統(tǒng)在臺(tái)體、內(nèi)框架和外框架的基礎(chǔ)上增加了隨動(dòng)框架，隨動(dòng)框架處于平臺(tái)外框架和基座之間。隨動(dòng)回路信號(hào)來(lái)自于內(nèi)框架角，采用正割分解器進(jìn)行增益補(bǔ)償，其核心是使內(nèi)框架角工作于零位?？梢钥闯?，四軸平臺(tái)系統(tǒng)相比三軸平臺(tái)增加了一個(gè)框架，體積增大，結(jié)構(gòu)、軸端元件和電氣系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。典型的四軸平臺(tái)系統(tǒng)有動(dòng)調(diào)陀螺穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)、三浮平臺(tái)系統(tǒng)。

1.3 速率捷聯(lián)系統(tǒng)

速率捷聯(lián)系統(tǒng)的定義為：利用速率陀螺儀測(cè)量載體角速率的捷聯(lián)系統(tǒng)。由于引入了四元數(shù)、方向余弦和旋轉(zhuǎn)矢量等數(shù)學(xué)方法，速率捷聯(lián)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全姿態(tài)解算功能，而且其體積較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性較高。典型的速率捷聯(lián)系統(tǒng)有撓性捷聯(lián)慣組、激光陀螺捷聯(lián)慣組、光纖陀螺捷聯(lián)慣組、MEMS捷聯(lián)慣組等。但是，速率捷聯(lián)系統(tǒng)與位置捷聯(lián)系統(tǒng)有一個(gè)共同的特點(diǎn)，那就是加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)誤差較大且無(wú)法實(shí)現(xiàn)自標(biāo)定。

隨著武器裝備實(shí)戰(zhàn)化能力需求的提升，慣性系統(tǒng)全面推行 “三自”功能，即：自標(biāo)定、自瞄準(zhǔn)、自檢測(cè)。其中，自標(biāo)定是指慣性系統(tǒng)自身實(shí)現(xiàn)參數(shù)標(biāo)定，避免定期下彈標(biāo)定；自瞄準(zhǔn)是指慣性系統(tǒng)自身進(jìn)行瞄準(zhǔn)計(jì)算，取消地面光學(xué)瞄準(zhǔn)設(shè)備；自檢測(cè)是指慣性系統(tǒng)自身進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)視、故障診斷，充分保障武器系統(tǒng)的實(shí)戰(zhàn)化性能。

目前，為解決捷聯(lián)慣組不拆彈時(shí)的自標(biāo)定問(wèn)題，激光慣組、光纖慣組借鑒慣性平臺(tái)系統(tǒng)技術(shù)，增加框架轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了 “三自”功能，其工作原理為：在地面測(cè)試階段利用雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行IMU的位置翻轉(zhuǎn)，對(duì)各項(xiàng)低階誤差系數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)自標(biāo)定、多位置對(duì)準(zhǔn)；在飛行任務(wù)階段將轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行鎖緊，轉(zhuǎn)換到捷聯(lián)工作狀態(tài)。

雖然三自光學(xué)慣組具有光學(xué)陀螺儀線性度好、誤差模型簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但其自標(biāo)定功能僅能分離出加速度計(jì)的低階誤差項(xiàng)，無(wú)法分離加速度計(jì)的高階誤差項(xiàng)。另外，導(dǎo)彈起飛后三自光學(xué)慣組的框架處于鎖定狀態(tài)，并不能隔離與角運(yùn)動(dòng)有關(guān)的加速度計(jì)動(dòng)態(tài)誤差。可以說(shuō)，三自光學(xué)慣組仍工作于傳統(tǒng)的捷聯(lián)模式，且體積增大。

需要強(qiáng)調(diào)的是，混合式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是速率捷聯(lián)系統(tǒng)的一種特殊形式，這是因?yàn)榛旌鲜綉T性導(dǎo)航系統(tǒng)的原理是采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制使臺(tái)體繞一個(gè)或兩個(gè)框架軸旋轉(zhuǎn)以抵消零次項(xiàng)等誤差，框架轉(zhuǎn)動(dòng)的敏感信息來(lái)自于軸端框架角而非陀螺儀。另外，由于臺(tái)體轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中加速度計(jì)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差，混合式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不適宜戰(zhàn)略導(dǎo)彈中慣性系統(tǒng)隔離角運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景，而適合于低過(guò)載、運(yùn)行較平穩(wěn)的長(zhǎng)航時(shí)工作場(chǎng)景[7-8]。

綜合以上分析，位置平臺(tái)系統(tǒng)和速率捷聯(lián)系統(tǒng)代表了現(xiàn)階段主流的兩種慣性導(dǎo)航設(shè)備，二者在實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航共同特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，各自優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)存在著難以調(diào)和的不相容之處，主要表現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：1)采用位置陀螺儀的慣性平臺(tái)只有采用四軸平臺(tái)結(jié)構(gòu)方式才能實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)功能，雖然可以隔離載體的角運(yùn)動(dòng)，但體積增大；2)速率捷聯(lián)系統(tǒng)無(wú)需框架即可實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)功能，但不能隔離載體的角運(yùn)動(dòng)。

隨著戰(zhàn)略導(dǎo)彈取消滾動(dòng)控制后彈體的角速度范圍增大，以及控制系統(tǒng)體積和質(zhì)量減小的現(xiàn)實(shí)需求逐漸明確后，需要研制新一代的具有小型化、全姿態(tài)、高精度的慣性系統(tǒng)。

2 速率平臺(tái)系統(tǒng)的定義和優(yōu)點(diǎn)

為克服位置平臺(tái)系統(tǒng)和速率捷聯(lián)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，融合二者的優(yōu)點(diǎn)，本文提出了滿足戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)展的新一代慣性系統(tǒng)——速率平臺(tái)系統(tǒng)。

借鑒位置平臺(tái)系統(tǒng)定義的表述方式，速率平臺(tái)系統(tǒng)的定義為：利用速率陀螺儀測(cè)量臺(tái)體角速率并以規(guī)定的方式控制框架以隔離載體角運(yùn)動(dòng)并實(shí)時(shí)解算臺(tái)體姿態(tài)的平臺(tái)系統(tǒng)。速率平臺(tái)系統(tǒng)把速率捷聯(lián)系統(tǒng)中陀螺儀輸出為角速率有利于全姿態(tài)解算的優(yōu)點(diǎn)與位置平臺(tái)系統(tǒng)中框架隔離的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了有效融合，并克服了速率捷聯(lián)系統(tǒng)不能隔離角運(yùn)動(dòng)以及位置平臺(tái)系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)而增加框架的缺點(diǎn)。

因此，速率平臺(tái)系統(tǒng)有以下兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

1)相較于三軸位置平臺(tái)系統(tǒng)發(fā)生 “框架鎖定”時(shí)的功能失效，速率平臺(tái)系統(tǒng)可保證三軸平臺(tái)物理隔離與數(shù)學(xué)解算相結(jié)合的全姿態(tài)導(dǎo)航功能。

2)相較于速率捷聯(lián)系統(tǒng)中的三自捷聯(lián)慣組不能隔離角運(yùn)動(dòng)的不足，速率平臺(tái)系統(tǒng)可通過(guò)伺服回路的作用物理隔離載體的角運(yùn)動(dòng)，從而大幅度減小加速度計(jì)誤差模型中與角運(yùn)動(dòng)有關(guān)的動(dòng)態(tài)誤差項(xiàng)。

根據(jù)以上對(duì)比，速率平臺(tái)融合了位置平臺(tái)和速率捷聯(lián)的綜合優(yōu)勢(shì)，可以認(rèn)為是位置平臺(tái)系統(tǒng)和三自捷聯(lián)慣組的 “升級(jí)”。預(yù)計(jì)在未來(lái)5～10年內(nèi)，速率平臺(tái)將會(huì)成為慣性系統(tǒng)級(jí)技術(shù)的主流，如圖2所示。

圖2 慣導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the inertial navigation system development trend

3 速率平臺(tái)系統(tǒng)的分類

速率平臺(tái)具有小型化、全姿態(tài)的優(yōu)勢(shì)，填補(bǔ)了捷聯(lián)系統(tǒng)與位置平臺(tái)系統(tǒng)的型譜斷代，包含速率平臺(tái)系統(tǒng)后的慣性系統(tǒng)型譜如圖3所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，速率平臺(tái)系統(tǒng)可分為三軸速率平臺(tái)、雙軸速率平臺(tái)和單軸速率平臺(tái)。

圖3 慣性系統(tǒng)型譜Fig.3 Type spectrum of the inertial system

3.1 三軸速率平臺(tái)系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)臺(tái)體始終穩(wěn)定在慣性空間，傳統(tǒng)的三軸位置平臺(tái)系統(tǒng)需要信號(hào)分解器實(shí)現(xiàn)臺(tái)體系到環(huán)架系的信號(hào)解耦和增益補(bǔ)償。若采用空間信號(hào)分解器，由于對(duì)外環(huán)信號(hào)解耦時(shí)存在正割函數(shù)的作用，導(dǎo)致外環(huán)電機(jī)在內(nèi)環(huán)大角度時(shí)需要輸出足夠大的力矩才能保證臺(tái)體穩(wěn)定在慣性空間。若采用平面信號(hào)分解器，雖對(duì)外環(huán)力矩?zé)o嚴(yán)苛要求，但是臺(tái)體會(huì)發(fā)生隨動(dòng)，且內(nèi)環(huán)處于特定角度時(shí)會(huì)發(fā)生分解奇異值導(dǎo)致解耦失效，臺(tái)體不能穩(wěn)定在慣性空間。

對(duì)于三軸速率平臺(tái)系統(tǒng)，即便當(dāng)臺(tái)體沒(méi)有穩(wěn)定在慣性空間時(shí)，仍能由陀螺輸出的角速率采用多變量解耦的方式實(shí)現(xiàn)無(wú)內(nèi)環(huán)擋釘下的全姿態(tài)控制和全姿態(tài)導(dǎo)航。在控制過(guò)程中，增益補(bǔ)償與解耦環(huán)節(jié)無(wú)奇異點(diǎn)，且對(duì)框架軸端力矩電機(jī)無(wú)苛刻要求。

3.2 簡(jiǎn)易速率平臺(tái)系統(tǒng)

相對(duì)于三軸速率平臺(tái)系統(tǒng)，把雙軸速率平臺(tái)系統(tǒng)和單軸速率平臺(tái)系統(tǒng)歸為簡(jiǎn)易速率平臺(tái)系統(tǒng)：

1)雙軸速率平臺(tái)相較三軸平臺(tái)雖然失去一個(gè)自由度，但體積和質(zhì)量減小、成本降低，可以應(yīng)用于無(wú)彈體旋轉(zhuǎn)、低機(jī)動(dòng)的場(chǎng)景[9]。

2)單軸速率平臺(tái)僅有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，典型應(yīng)用就是低成本的高速旋轉(zhuǎn)航空制導(dǎo)炸彈[10]，優(yōu)點(diǎn)在于克服了彈體高速旋轉(zhuǎn)時(shí)固定采樣頻率引起的測(cè)量誤差，并克服了由角速度引起的加速度計(jì)“尺寸效應(yīng)”誤差。

4 典型速率平臺(tái)系統(tǒng)

4.1 光纖陀螺速率平臺(tái)系統(tǒng)

光纖陀螺速率平臺(tái)系統(tǒng)具有以下三方面優(yōu)點(diǎn)：1)通過(guò)數(shù)學(xué)解算實(shí)現(xiàn)三軸平臺(tái)的全姿態(tài)功能；2)根據(jù)任務(wù)的工作時(shí)間和應(yīng)用場(chǎng)景的不同，可轉(zhuǎn)換為不同穩(wěn)定模式，如平臺(tái)模式、捷聯(lián)模式和旋轉(zhuǎn)調(diào)試模式；3)克服了機(jī)電式陀螺儀加溫時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，有利于快速發(fā)射[11]。

4.2 三浮速率平臺(tái)系統(tǒng)

對(duì)應(yīng)三浮位置平臺(tái)系統(tǒng)，能否基于三浮陀螺儀和三浮陀螺加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)速率平臺(tái)的功能？理論上，只需要將角位置輸出轉(zhuǎn)化為角速率輸出即可，可以在三浮平臺(tái)原伺服回路基礎(chǔ)上增加一個(gè)三浮陀螺儀再平衡回路即可實(shí)現(xiàn)速率平臺(tái)的功能，如圖4所示為三浮速率平臺(tái)系統(tǒng)伺服回路的改進(jìn)原理圖[12]。經(jīng)過(guò)三浮陀螺儀再平衡內(nèi)回路的信號(hào)反饋后，可以將角位置量轉(zhuǎn)化為角速率，該角速率再作為平臺(tái)伺服回路控制器的輸入。改進(jìn)之后的優(yōu)勢(shì)在于地面力反饋標(biāo)定與飛行狀態(tài)一致，不用四軸平臺(tái)就可以實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)功能。

圖4 三浮速率平臺(tái)系統(tǒng)伺服回路原理圖Fig.4 Schematic diagram of three floating rate platform system servo loop

由于速率平臺(tái)系統(tǒng)的臺(tái)體相對(duì)慣性空間可以轉(zhuǎn)動(dòng)，三浮陀螺加速度計(jì)必須進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，由原來(lái)的開(kāi)環(huán)輸出改為閉環(huán)反饋控制輸出[13]，如圖5(a)和圖5(b)所示。改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)為：1)一個(gè)陀螺加速度計(jì)可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向的視加速度；2)陀螺加速度計(jì)可以擴(kuò)展應(yīng)用于捷聯(lián)系統(tǒng)。

圖5 陀螺加速度計(jì)改進(jìn)前后原理圖Fig.5 Schematic diagram of accelerometer before and after improvement

4.3 半球諧振陀螺速率平臺(tái)系統(tǒng)

半球諧振陀螺有兩種基本的工作模式：全角模式和力反饋模式。在全角模式下，諧振子可以隨陀螺的旋轉(zhuǎn)輸入而自由進(jìn)動(dòng)，振動(dòng)位置是速率的積分輸出，通過(guò)檢測(cè)振動(dòng)位置可以直接得到角度信息。在力反饋模式下，通過(guò)一個(gè)附加的力信號(hào)抑制振子的進(jìn)動(dòng)趨勢(shì)，使得振動(dòng)固定在一個(gè)固定的位置，該信號(hào)的大小正比于輸入的旋轉(zhuǎn)速率，陀螺輸出角速率信息。因此，可采用力反饋模式下的半球諧振陀螺儀作為伺服回路的角速度敏感元件以實(shí)現(xiàn)速率平臺(tái)功能。

4.4 原子陀螺速率平臺(tái)系統(tǒng)

隨著原子陀螺儀原理樣機(jī)的快速發(fā)展，基于原子陀螺儀的慣性系統(tǒng)逐漸受到關(guān)注。自旋式原子陀螺儀包括核磁共振陀螺儀和SERF陀螺儀。核磁共振陀螺儀是利用惰性氣體核自旋磁矩來(lái)敏感物體轉(zhuǎn)動(dòng)的角速率；而SERF陀螺儀則是利用堿金屬電子自旋磁矩偏轉(zhuǎn)來(lái)敏感載體轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。因此，只有核磁共振陀螺儀適合速率平臺(tái)系統(tǒng)的工作模式，而SERF陀螺儀較適合位置平臺(tái)系統(tǒng)的工作模式。

5 速率平臺(tái)系統(tǒng)的新 “三自”技術(shù)

在自標(biāo)定、自瞄準(zhǔn)、自檢測(cè)的原 “三自”功能基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提升速率平臺(tái)系統(tǒng)的可靠性和智能化水平，使其具備自主導(dǎo)航、自主控制與自主重構(gòu)的能力，旨在構(gòu)建新一代智能慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

5.1 速率平臺(tái)系統(tǒng)自主導(dǎo)航技術(shù)

在速率平臺(tái)系統(tǒng)的環(huán)架上增加MEMS等小型化儀表，一方面，可以使 “冷冰冰”的平臺(tái)框架變?yōu)榭杀磉_(dá)運(yùn)動(dòng)特征的 “有生命”的捷聯(lián)系統(tǒng)；另一方面，可以通過(guò)多個(gè)小型化傳感器實(shí)現(xiàn)慣性系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)構(gòu)建，有利于速率平臺(tái)系統(tǒng)的自主導(dǎo)航信息冗余，如圖6所示[14]。

圖6 基于MEMS儀表冗余配置的慣導(dǎo)平臺(tái)系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of inertial navigation platform system based on MEMS instrument redundancy configurations

慣性測(cè)量系統(tǒng)可通過(guò)多信息冗余技術(shù)提升慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度和可靠性[15]，人工智能為實(shí)時(shí)、自主規(guī)劃技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，通過(guò)建立臺(tái)體和框架運(yùn)動(dòng)軌道規(guī)劃的學(xué)習(xí)環(huán)境，應(yīng)用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法開(kāi)展慣性系統(tǒng)自主姿態(tài)規(guī)劃模型的設(shè)計(jì)與訓(xùn)練，能夠?qū)崿F(xiàn)多軌跡復(fù)現(xiàn)，大幅度提升慣性平臺(tái)系統(tǒng)的可靠性、自主化、多任務(wù)自適應(yīng)能力和針對(duì)應(yīng)急事件的響應(yīng)速度。

5.2 速率平臺(tái)系統(tǒng)自主控制技術(shù)

平臺(tái)系統(tǒng)的臺(tái)體、框架動(dòng)力學(xué)特性會(huì)根據(jù)任務(wù)不同而姿態(tài)發(fā)生變化，且動(dòng)力學(xué)特性的精確值往往難以預(yù)先進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)，對(duì)平臺(tái)伺服回路的控制帶來(lái)問(wèn)題和挑戰(zhàn)。因此，平臺(tái)系統(tǒng)需要能夠快速、實(shí)時(shí)估算自身的系統(tǒng)模型并自適應(yīng)調(diào)整控制模式和參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境、復(fù)雜任務(wù)條件下的自適應(yīng)控制。

5.3 速率平臺(tái)系統(tǒng)自主重構(gòu)技術(shù)

故障診斷與容錯(cuò)技術(shù)為提高航天器系統(tǒng)的可靠性和安全性開(kāi)辟了一條新的途徑[16]。慣性系統(tǒng)通過(guò)對(duì)比臺(tái)體儀表的導(dǎo)航結(jié)果、各框架捷聯(lián)系統(tǒng)的導(dǎo)航結(jié)果，通過(guò)選舉算法可判斷出器件故障模式。經(jīng)過(guò)隔離故障器件或儀表后，實(shí)現(xiàn)不影響系統(tǒng)導(dǎo)航結(jié)果的目的。

6 結(jié)論

目前，位置平臺(tái)系統(tǒng)和速率捷聯(lián)系統(tǒng)分別發(fā)揮著各自不同的優(yōu)勢(shì)，但無(wú)法克服其各自的劣勢(shì)，且在戰(zhàn)略導(dǎo)彈武器應(yīng)用中開(kāi)始重疊。針對(duì)我國(guó)未來(lái)遠(yuǎn)程戰(zhàn)略導(dǎo)彈提升突防能力、機(jī)動(dòng)性的迫切需求，在比較位置捷聯(lián)系統(tǒng)、位置平臺(tái)系統(tǒng)和速率捷聯(lián)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文首次提出了一種可同時(shí)滿足高精度、全姿態(tài)、小體積的新一代慣性系統(tǒng)——速率平臺(tái)，其將速率捷聯(lián)和位置平臺(tái)兩者的優(yōu)勢(shì)整合，是新一代慣導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展方向。本文對(duì)速率平臺(tái)系統(tǒng)的特點(diǎn)、分類、典型產(chǎn)品、應(yīng)用領(lǐng)域以及新 “三自”功能等方面進(jìn)行了分析和探討，為推動(dòng)我國(guó)遠(yuǎn)程戰(zhàn)略導(dǎo)彈武器性能的跨越式發(fā)展提供參考建議。