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1、美国美国 MK2mod7MK2mod7 型舰船惯性导航系统型舰船惯性导航系统美国 MK2mod7 型舰船惯性导航系统(一)研制背景与计划 MK2mod7 型舰船惯性导航系统由美国罗克韦尔国际公司(Rockwell International)研制，用以装备三叉戟弹道导弹核潜艇。早在 1958 年，罗克韦尔国际公司就在 N6A 型舰船惯性导航系统基础上研制成功 MK2mod0 型舰船惯性导航系统，并于 60 年代初装备了携带 A-1 型北极星导弹的华盛顿级和拉菲特级弹道导弹核潜艇。紧接着，罗克韦尔国际公司又研制了 MK2modl 型惯性导航系统，主要装备航空母舰，用以对航空母舰上的机载惯性导航系
2、统提供初始基准。1962 年，美海军计划用射程为 2500nmile 的新的 A-3 型北极星导弹(比 A-1 型北极星导弹射程大一倍)装备弹道导弹核潜艇，因而要求惯性导航系统具有更高的定位精度。为此，罗克韦尔国际公司研制了新的 G7B 型陀螺和新的计算机，构成 MK2mod2 型舰船惯性导航系统，并于 1963-1964 年装备了拉菲特级弹道导弹核潜艇。此后，罗克韦尔国际公司在 MK2mod2 型舰船惯性导航系统结构基础上增加了一个监控陀螺，于 1964 年研制成功 MK2mod3 型舰船惯性导航系统。由于采用监控技术之后，系统精度有了明显的提高，于是，美国海军于同年 5 月宣布，对核潜艇上
3、装的惯性导航系统实行标准化，规定 MK2mod3 型惯性导航系统为标准系统，并由原来的每艘潜艇装三套惯性导航系统改为只装两套。1968 年，美国开始对 31 艘拉菲特级弹道导弹核潜艇进行改装，要求这些核潜艇装备具有分导式多弹头的 C-3 海神导弹。为此，又对惯性导航系统提出了新的要求，特别是要求提高航向精度。为适应这一要求，罗克韦尔国际公司在 MK2mod3 型系统的基础上，保持系统总体结构不变，只对系统软件作了改进，包括增加了一个纵轴扰动工作方式，给平台纵摇轴施加受控角速率，使其微微扰动。如果陀螺输入轴与平台纵摇轴不对准，就会敏感扰动而产生绕平台横摇轴的进动，进动速率与不对准角度大小成正比，
4、用此计算修正量对航向进行校准来提高航向精度。对陀螺则采用壳体反转技术，消除对称误差。在航向读出回路中，使用了重新设计的航向感应同步器组件，减少了传递误差。 通过采用上述一系列的改进措施之后，研制成功了 MK2mod6 型舰船惯性导航系统，于 19681973 年期间，先后装备了 31 艘弹道导弹核潜艇，取代了原来装的 MK2mod0 型和 MK2mod3 型舰船惯性导航系统。70 年代，美海军建立了三叉戟弹道导弹核潜艇，艇上装备射程达 4000nmile 的 C-4 型三叉戟导弹，要求惯性导航系统进一步延长重调周期，增强隐蔽性，为此，罗克韦尔国际公司于 1974 年开始对 MK2mod6 型系
5、统进行改进。这次改进的基本方法是：使 MK2mod6 型系统的总体结构保持不变，对杂散电磁场的干扰和各种声辐射严加控制，从而进一步提高了系统的隐蔽性。此外，还增设了空气冷循环设备，提高了系统的可靠性。进行了上述改进之后，于 1978 年研制成功了 MK2mod7 型舰船惯性导航系统。在 70 年代末，肋年代初装备了三叉戟弹道导弹核潜艇。(二)系统组成 MK2mod7 型舰船惯性导航系统包括两个部件，即惯性导航机柜和导航控制台。惯性导航机柜为悬挂式，有密封的环境保护罩，内装惯性稳定平台。导航控制台为落地式，内装控制设备、伺服电路、精确施矩电路、监控电路和计算机等。惯性稳定平台为内支撑式三环结构，
6、按北、东、地坐标进行编排。平台上装 4 个 C-3 型单自由度液浮陀螺和 3 个 VM7 型单轴液浮摆式加速度计。4 个陀螺中有一个用于监控，称为监控陀螺。它以独立的平衡环装在稳定平台上，输入轴可沿方位转动，用以逐次锁定在两个水平稳定陀螺输入轴的正方向和反方向，记录下在这四个位置的锁定速率，计算出水平陀螺的漂移修正量，对其进行修正，从而，大大提高了水平陀螺的精度，延长了系统的重调周期，同时也提高了系统的航向精度。(三)系统主要技术性能MK2mod7 型舰船惯性导航系统的主要技术性能如下：航向精度() 优于 1水平精度(“) 58定位精度(nmileh) 0.40.710平均故障间隔时间(h)
7、2000 以上陀螺精度() 0.001加速度计精度 10-510-6g ，MK2mod7 型舰船惯性导航系统在 1978 年的价格为 86 万美元。(四)系统评价MK2mod7 型舰船惯性导航系统是一型以单自由度液浮陀螺和单轴液浮摆式加速度计为敏感元件的舰船惯性导航系统，其技术发展最成熟，精度高于同类的液浮陀螺惯性导航系统，但仍不能满足三叉戟弹道导弹核潜艇对惯性导航系统的要求。为了进一步延长惯性导航系统的重调间隔时间，增加三叉戟弹道导弹核潜艇的隐蔽性，在装备 MK2mod7 型惯性导航系统的同时，还装备一套静电陀螺监控器。静电陀螺监控器的作用相当于潜艇内部的一个定位数据源，因其精度比 MK2m
8、od7 型惯性导航系统高一个数量级，因此，可用它的输出定期重调 MK2mod7 型惯性导航系统的输出，把它的性能特性传给 MK2mod7 型惯性导航系统。这样做就可达到延长重调间隔时间和增加隐蔽性的目的。静电陀螺监控器有与 MK2mod7 型舰船惯性导航系统一样的输出，在有了十多年的充分工作经验之后，现在，MK2mod7 型惯性导航系统已被静电陀螺监控器取代。二、美国静电陀螺监控器(一)研制背景与计划静电陀螺监控器是由美国罗克韦尔国际公司(Rockwell International)研制的，用以装备三叉戟弹道导弹核潜艇。 早在 60 年代中期，罗克韦尔国际公司就在研制舰船惯性导航系统的实践中
9、认识到，液浮陀螺在延长惯性导航系统重调周期方面潜力有限，因而提出了用静电陀螺取代液浮陀螺的方案。1969 年开始进行静电陀螺惯性导航系统的理论研究，1971 年试制，通称为 N88系统。1972 年制成第一套工程型样机，称为 XN88 系统，进行了各种试验，计划装备当时正在设计的三叉戟核潜艇。由于对静电陀螺惯性导航系统尚缺乏实艇使用的经验，为安全可靠起见，第一步先将其作为液浮陀螺惯性导航系统的监控器，待积累丰富的实用经验后，再作为独立的系统。静电陀螺监控器于 1976 年正式生产，1979年以后，与 MK2mod7 型舰船惯性导航系统配套，陆续装备了美国的三叉戟导弹核潜艇。静电陀螺监控器目前处
10、于生产阶段，美国海军大约需要 80 套静电陀螺监控器。该监控器在 1986 财政年度内的单价为 460 万美元。(二)系统组成 静电陀螺监控器由主体仪器柜和电子控制柜两大部分组成。 主体控制柜通过减震系统吊装在潜艇内，主体仪器柜内装稳定平台。电子控制柜为落地式装置，由控制板、伺服电子装置、接口装置等组成。陀螺稳定平台采用四环空间稳定结构，平台上装 2 个 GIlA 型静电陀螺和三个 A188 型电磁加速度计。G1lA 型静电陀螺含有一个直径为 1cm 的实心铍球转子，该转子由伺服静电场支承，以 216000rmin 的转速在真空中高速旋转。转子和内腔壁的间隔为几厘英寸，当转子以正常工作速度旋转
11、时，其球形度保持在几微英寸范围之内。陀螺电子设备装在陀螺壳体里，它有多种功能，可提供支承伺服力、传感器信号和速度控制信号。为了抵消陀螺壳体固定漂移速率，让陀螺壳体相对其自转轴定期反转 180。两个静电陀螺的一个主轴与地球极轴平行配置，另一个主轴处于赤道平面内。这两个陀螺都采用壳体旋转技术，其壳体能绕主轴旋转 360；在转到 0、180、360、180、0等位置时，停留2min，用这种方法将与 g 无关的漂移减至最小。A-188 型电磁加速度计是一个单轴、闭环、力再平衡式惯性仪表，由传感器和模拟式伺服电子设备两部分组成，传感器的检测装置是一个石英圆片，位于两块钐钴永磁定子之间，其两侧各装一组力矩
12、线圈，加速度信号由检测装置和定子端面上金属板构成的电容电桥传感器测出。因为静电陀螺监控器采用空间稳定的机械编排结构，因此，它相对当地重力矢量翻滚。系统配置的专用计算机完成从空间稳定坐标到纵、横摇和航向坐标的变换。双速固态模数转换器能以所需的精度跟踪大于 50s 的常平架转速。静电陀螺监控器系统采用的陀螺误差模型比 MK2mod7 型舰船惯性导航系统所采用的陀螺误差模型更完备，共用了 80 多个状态向量系数来确定监控系统，许多项目的校准精度都比 MK2 系列惯性导航系统提高一个数量级，因此，提高了系统精度，满足了由于重调周期延长而使活动纬度范围加宽的要求。(三)主要技术性能目前，静电陀螺监控器中
13、使用的静电陀螺随机漂移速率为00001h，随着生产工艺和制造技术的发展，还有提高的潜力(理论上可达 0.000001h)。与装备弹道导弹核潜艇的 MK2mod7 型最新液浮陀螺、惯性导航系统相比，静电陀螺监控器的精度在短期内高一倍，长期内高两个数量级，重调时间长 310 倍，可靠性高一倍。静电陀螺监控器所用的惯性元件温控精度为 0.01。(四)系统评价静电陀螺监控器是专为装备三叉戟弹道导弹核潜艇而研制的，这是一种新型高级惯性导航系统，其精度在现有各型惯性导航系统中最高。它是装备三叉戟弹道导弹核潜艇的最理想的惯性导航系统。80 年代初，在三叉戟弹道导弹核潜艇的导航系统中，采用配置一套 MK2mod7 型惯性导航系统和一套静电陀螺监控器的方案。经过十多年的实艇装备使用，积累了丰富的实用经验，解决了静电陀螺监控器所存在的问题。现在，在新建的三叉戟弹道导弹核潜艇中，已开始采用装二套静电陀螺监控器的方案。 现在，静电陀螺监控器仍处于生产阶段，由于其精度高，工作可靠，需要重调的间隔时间很长，因此，静电陀螺监控器将在弹道导弹核潜艇中装备很多年。
