慣性導(dǎo)航：無信號也能精準定位

　　■王奕陽　　

法國“陣風(fēng)”戰(zhàn)機與新型“鐵錘”系列精確制導(dǎo)炸彈。

“Blacknaute”慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備。

　　據(jù)外媒報道，今年1月美國一家防務(wù)公司宣稱其研制的一款慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(“Blacknaute”)在美國陸軍UH-60“黑鷹”直升機上完成飛行測試。該系統(tǒng)專為多域戰(zhàn)打造，能在GPS拒止及電子戰(zhàn)對抗環(huán)境中提供精確導(dǎo)航，滿足陸?？仗炀W(wǎng)領(lǐng)域?qū)邆鋸椥?、開放式架構(gòu)的定位、導(dǎo)航與授時能力的需求。

　　在近年來的局部沖突中，GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻受干擾，“導(dǎo)航戰(zhàn)”、定位安全問題突出，促使多國加速研發(fā)不依賴外部信號的導(dǎo)航設(shè)備。在這一背景下，慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航等自主導(dǎo)航技術(shù)重新受到重視，其中慣性導(dǎo)航技術(shù)成熟度最高，為各國提供了一種重要的自主導(dǎo)航定位方案。

　　慣性導(dǎo)航關(guān)鍵優(yōu)勢

　　目前，全球超過95%的軍用與民用導(dǎo)航設(shè)備依賴衛(wèi)星導(dǎo)航。這種集中依賴帶來很大風(fēng)險：一旦衛(wèi)星導(dǎo)航信號遭到干擾或屏蔽，依賴它的精確制導(dǎo)武器將變成“無頭蒼蠅”。

　　與衛(wèi)星導(dǎo)航不同，慣性導(dǎo)航作為自主式導(dǎo)航技術(shù)，不依賴外部信號，因而不受外界電磁干擾，具有極強的隱蔽性和抗干擾能力。從技術(shù)上看，慣性導(dǎo)航借助加速度計和陀螺儀，通過測量物體的加速度和角速度，推算其位置、速度和姿態(tài)。這一過程可以這樣理解：如果你知道當前位置，然后閉上眼睛，憑借走路步數(shù)和轉(zhuǎn)彎角度，就能大致猜出自己所處位置。慣性導(dǎo)航正是基于類似原理，但使用的是精密傳感器。不過，慣性導(dǎo)航通過重復(fù)測量和積分計算不斷更新載體的位置、速度和姿態(tài)等信息，短時精度高，但存在誤差，且誤差會隨著時間累積。

　　根據(jù)結(jié)構(gòu)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要分為平臺式和捷聯(lián)式。兩者的主要區(qū)別是測量用的慣性傳感器(陀螺儀和加速度計)是以實體方式安裝(平臺式)，還是以數(shù)字方式與載體結(jié)合(捷聯(lián)式)。平臺式具有導(dǎo)航解算簡單、精度高，能直接測量等優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高且維護難，主要用于早期飛機、潛艇和戰(zhàn)略導(dǎo)彈。捷聯(lián)式又稱數(shù)字平臺，它沒有實體結(jié)構(gòu)，通過計算機實時解算，在設(shè)備上建立一個“數(shù)字平臺”。優(yōu)點是可靠性高、便于維護;缺點是算法復(fù)雜，傳感器直接承受載體振動，誤差累積快，主要應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)航、無人機、智能手表和自動駕駛汽車等。換句話說，平臺式是“機械時代”的產(chǎn)物，通過物理伺服跟蹤方向;而捷聯(lián)式是“數(shù)字時代”的產(chǎn)物，依靠計算機算法跟蹤方向。

　　軍事領(lǐng)域廣泛應(yīng)用

　　慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可為各類武器平臺提供連續(xù)、實時的位置、速度和姿態(tài)信息。從空中戰(zhàn)機到水下潛艇，從精確制導(dǎo)導(dǎo)彈到遠程火箭炮，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)如同武器“內(nèi)耳”，在任何環(huán)境下都能準確感知自身運動狀態(tài)。

　　慣性導(dǎo)航最具戰(zhàn)略價值的應(yīng)用，是其可為潛艇等需長時間靜默潛伏的作戰(zhàn)平臺提供可靠的導(dǎo)航定位支持。在俄羅斯“白熊”北極任務(wù)中，3艘戰(zhàn)略導(dǎo)彈核潛艇憑借慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，在北極冰層下完成長時間隱蔽航行與精確破冰上浮，展現(xiàn)了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不依賴外部信號、不受極區(qū)電磁環(huán)境干擾的獨特優(yōu)勢，確保戰(zhàn)略平臺在關(guān)鍵地區(qū)的行動自由和威懾有效性。

　　在反攔截、高速突防領(lǐng)域，搭載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)彈、戰(zhàn)機等作戰(zhàn)單元具有重要作戰(zhàn)價值。2025年法國海軍“陣風(fēng)”戰(zhàn)機在演習(xí)中發(fā)射“鐵錘”空對地精確制導(dǎo)炸彈，對目標進行精確打擊。該炸彈采用慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航，實現(xiàn)了在復(fù)雜環(huán)境下的精確毀傷。

　　在具備衛(wèi)星導(dǎo)航條件的地區(qū)，慣性導(dǎo)航也是可靠的輔助導(dǎo)航方案。在2024年巴黎軍警防務(wù)展上，美國參展商展示一款采用軍用級光纖陀螺技術(shù)的新型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。其在衛(wèi)星導(dǎo)航信號被拒止的復(fù)雜電磁環(huán)境下，能夠以極低的測量誤差和定位誤差，保證較高的導(dǎo)航穩(wěn)定性，為作戰(zhàn)單元提供可靠的導(dǎo)航保障。

　　未來發(fā)展前景廣闊

　　隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭對導(dǎo)航與打擊精度的要求越來越高，慣性導(dǎo)航正經(jīng)歷從傳統(tǒng)機械架構(gòu)向新型技術(shù)方向轉(zhuǎn)變，追求更高精度、更強自主性和更廣適用性。

　　作為一種推算導(dǎo)航法，慣性導(dǎo)航存在誤差累積問題。其積分計算過程好比用尺子丈量土地，每一次讀數(shù)的小誤差，都會在后續(xù)計算中累積并放大。另外，陀螺儀對載體平臺姿態(tài)變化的感知誤差也會導(dǎo)致測量失準，進一步影響速度和位置的計算結(jié)果。為解決誤差問題，追求更高測量精度，量子慣性導(dǎo)航成為最具前景的發(fā)展方向。量子慣性導(dǎo)航利用超冷原子形成的原子干涉儀測量載體的加速度和角速度，理論上具有超高精度和零漂移特性。英國在2024年已完成機載量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的演示驗證，雖然該技術(shù)目前面臨設(shè)備龐大等工程化難題，但在推動導(dǎo)航設(shè)備朝著“更精準化”方向邁出關(guān)鍵一步。

　　在結(jié)構(gòu)方面，當前的高精度慣性傳感器中，光學(xué)陀螺技術(shù)(主要包括激光陀螺和光纖陀螺)以成熟度高、可靠性強等優(yōu)勢，成為高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)選擇。前文提到的“Blacknaute”和法國Geonyx兩款慣性導(dǎo)航系統(tǒng)均采用光學(xué)陀螺技術(shù)，可滿足深?；虻孛鏅C動環(huán)境下的高精度導(dǎo)航需求。

　　由于單一導(dǎo)航方式存在技術(shù)局限，導(dǎo)航組合就成為必然選擇。最常見的是慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航模式，它是利用衛(wèi)星信號精度高、誤差不累積的特點，周期性地校正慣性導(dǎo)航的累積誤差，而慣性導(dǎo)航則在衛(wèi)星信號短時中斷時提供連續(xù)、自主的導(dǎo)航信息，提升系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的可靠性和抗干擾能力。俄羅斯KAB-500C制導(dǎo)炸彈就采用這種組合導(dǎo)航模式，在提升定位精度方面取得一定效果。美國“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈采用慣性導(dǎo)航+衛(wèi)星導(dǎo)航+地形匹配的“三保險”模式，顯著提高了導(dǎo)彈的打擊精度和可靠性。組合導(dǎo)航模式能在單個導(dǎo)航系統(tǒng)失效的情況下，確保導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)能力。

　　此外，得益于微機電技術(shù)的進步，慣性導(dǎo)航設(shè)備正朝著小型化、低成本化等方向發(fā)展。一些慣性傳感器在精度上不及光學(xué)陀螺，但勝在體積小、重量輕、成本可控，在無人機、制導(dǎo)彈藥等需要大規(guī)模部署的裝備上有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著軍用導(dǎo)航級慣性傳感器性能不斷提升，這種慣性導(dǎo)航設(shè)備將搭載在更多作戰(zhàn)平臺上。

　　在“導(dǎo)航戰(zhàn)”成為現(xiàn)實威脅的今天，慣性導(dǎo)航的全自主、高隱蔽、強抗干擾特性，使其成為維持作戰(zhàn)體系穩(wěn)定的“定盤星”。這種技術(shù)演進不僅關(guān)乎裝備性能，還深刻影響著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)理念。