关于极区航海用惯性导航系统的探讨

２　极区惯性导航发展现状

２．１　国外极区惯性导航发展现状

 ２０世纪中叶，国外便对极区惯性导航系统开展了相关的研发工作。１９５８年，美国在“鹦鹉螺”号核潜艇上配备了Ｍａｒｋ１９与Ｍａｒｋ２３两型陀螺罗经，潜艇驶入北极进行了巡航，其中Ｍａｒｋ１９采用了游动方位机械编排，Ｍａｒｋ２３采用了自由方位机械编排。当潜艇驶入北极以后，２个陀螺罗经的精度均有所下降，并在纬度升高到８８°后失去导航的能力，无法正常工作，在地理极点附近不工作范围为１１．９＊１．７ｍｉｌｅｓ的椭圆［１７－１８］。文献［１９］报道了客机安装的美国ＬＴＮ－７２Ｒ型导航系统采用的是游动方位机械编排，但是并没有对极区导航精确性的相关阐述。文献［２０－２１］中介绍了俄罗斯研制的一款惯性罗经系统Ｖｅｇａ－Ｍ，Ｖｅｇａ－Ｍ的工作范围为南北纬８５°以内，在８０°～８５°范围内，其航向误差比低于８０°的情形会增大１倍。２００３年，Ｖｅｇａ－Ｍ搭载破冰船到达北纬８９°地区（其航行路线如图２所示）。试验结果表明：在超出北纬８５°时，航向误差会明显增大。俄罗斯Ｉ－４２激光陀螺捷联式惯性导航系统也采用了游动方位机械编排，可以在纬度≤８２°的区域内进行定位定向。从以上两种机械编排的工程应用来看：比较当地水平固定指北机械编排，它们无需对地理北向进行跟踪和计算，但其精度会随纬度升高而降低，在地理极点附近无法工作。不同于游动和自由方位的概念，Ｋ．Ｃ．Ｍａｃｌｕｒｅ于１９４１年在其论文Ｐｏｌａｒ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ中首次提出了格网导航的概念［２３］。１９４５年５月，白羊座Ａｒｉｅｓ　Ｉ号采用格网航向＋陀螺仪的导航方法完成了极区的导航任务，从那时起格网导航被广泛应用。在１９５４年１０月，英国皇家空军飞行学院的飞机Ａｒｉｅｓ　ＩＶ也采用格网导航方法飞越了地理北极［２４］。据报道，美国在魟鱼号和萨哥号核潜艇上装备的Ｎ６Ａ（ＭＫ１）型平台式惯性导航系统极区模式也采用了格网导航。除了格网导航之外，横坐标系下惯性导航［２５］概念的提出也为解决极区导航问题提供了途径。麻省理工学院（Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ－ｇｙ，ＭＩＴ）在惯性导航类专著Ｉｎｅｒｔｉａｌ　ＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ中率先提出了横坐标系下的惯性导航，这种方法将极轴设在赤道平面内，可以解决极区导航的问题［２６－２８］。美国的Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司在其专利［２９］中把地球看作是一个理想球体，给出了横地理经纬度和原始经纬度之间的转换关系，为当时的极区惯性导航研究提供了新的路径。根据报道，美国及北约海军现役水面船舶和潜艇的标配设备———ＭＫ４９双轴旋转调制式惯性导航系统采用了横坐标机械编排。２０世纪９０年代，ＭＫ４９旋转调制式惯性导航系统搭载英国海军ＨＭＳ　ＴＩＲＥＬＥＳＳ潜艇开展了１３天的极区性能测试工作，测试结果显示，借助于横坐标机械编排和双轴旋转调制技术，ＭＫ４９在极区的导航误差未出现增大的情况，其系统精度满足设计指标要求。