捷聯慣導：揭開戰場迷霧的「破局者」

衛星定位導航系統可以引導精確制導武器準確擊中數千公里外的目標。不過，隨著電子對抗技術的發展，蒙上衛星定位系統的「雙眼」已並非難事，各軍事強國不得不尋求更可靠的定位技術，其中基於慣性測量元件和專用計算晶元的「捷聯慣導系統」具有隱蔽性好、抗干擾能力強、能全天候工作等諸多優點，或將成為揭開戰場迷霧的「破局者」。

依靠衛星信號進行定位導航的系統易受干擾

「衛星定位」短板明顯

「如何看透山那邊的迷霧」，這是一代梟雄拿破崙在滑鐵盧遭遇慘敗後從心底發出的悲嘆。時至今日，依靠航空航天等現代軍事手段雖然能輕易看透山那邊的風景，卻依舊會受到諸多戰爭迷霧的困擾。以衛星定位技術為例，依靠廉價干擾設備就能輕易製造出信號「盲區」，相關技術甚至能從互聯網上找到，依靠衛星導航的軍用無人機還曾被「誘捕」，可靠性低的缺點暴露無遺。

其實，早在衛星定位系統問世之前，人們就曾利用慣性測量元件獲得物體的運動姿態和速度變化等信息，有了這些信息再結合物體的初始位置，就能計算出物體的實時位置，這就是大名鼎鼎的「慣性導航系統」。18世紀50年代德國科學家博耐伯格就提出了在穩定平台上安裝陀螺儀的慣導系統雛形。慣性導航最大的優勢就在於它不依賴任何聲、光、磁、電等外部信息，工作完全不受自然界和人為干擾。

可惜的是，早期的慣性導航系統需要安裝在機械式精密穩定平台上。這種「平台式」慣導系統存在體積大、精度低、可靠性差、維護費用高、誤差累積等諸多缺點，大大限制了其在殘酷戰場環境下的應用。美國麻省理工學院於1953年投入使用的平台式慣導系統直徑1.5米，重量接近1噸，且系統精度著實不高。當時美國空軍在MX洲際導彈上安裝的高級慣性基準球，代表著早期慣導系統的巔峰，其定位精度雖有所提高，但「肥胖病」依舊沒有得到有效控制。

「捷聯慣導」異軍突起

上世紀70年代，隨著光學陀螺、微波諧振加速度計等一大批在原理、材料和結構上出現「顛覆性」改變的新型慣性敏感器件問世，利用計算機的實時解算和控制功能代替機電系統也成為可能，不再需要機械穩定平台的「捷聯慣導系統」應運而生。捷聯慣導系統主要由三個陀螺儀、三個加速度計和計算機系統組成。與「平台式」慣導系統相比，捷聯慣導系統直接將慣性敏感元件安裝在待測物體上，輸出信息直接輸送到導航計算機中進行實時解算，能精確提供載體的姿態、速度和經緯度等參數信息，具有靈敏度高、可靠性高、啟動時間短、結構簡單零部件少、體積小造價低等諸多優勢。

俄聯盟號飛船使用的慣導裝置imu500t（左）和用於導彈的慣導裝置imu-501（右）

在捷聯慣導誕生之初的1969年，人們就迫不及待地將其作為「阿波羅-13」號登月飛船的應急裝置，在服務艙發生爆炸時成功引導飛船重返地球軌道，進而成為捷聯慣導系統發展中的里程碑。進入20世紀80年代，太空梭、宇宙飛船、衛星以及各類導彈、戰機和作戰艦艇都開始升級捷聯慣導系統，在波音、空客系列民用飛機上以激光陀螺為代表的捷聯慣導系統也為長途飛行提供了穩定可靠的空中「燈塔」。

近年來，隨著微機電技術的進一步升級，捷聯慣導系統正朝著高精度、高可靠性、低成本、小型化和數字化方向發展。2016年3月，美國國防部高級研究計劃局微系統技術辦公室開始基於MEMS的新一代慣性測量單元研究，主要通過加速度和角速度測量為飛行控制系統提供更為精確的數據信息。此外，美國目前還在開展多項導航技術研究計劃，目的就是讓軍事設施和作戰人員擺脫對衛星導航系統的依賴，利用集成在微型晶元上的原子陀螺儀、加速計和原子鐘就能獲得定位授時導航服務。

「組合導航」成為熱點

捷聯慣導技術的優點很多，但並不意味著捷聯慣導系統就無懈可擊。慣性測量元件固有的漂移率會造成導航誤差，且誤差存在隨時間積累而逐漸增大的缺點，這對於既需要長時間飛行又需要高精度定位需求的作戰裝備而言，是無法忽視的致命缺點。因此，捷聯慣導與衛星導航搭配的「組合導航」模式成為研究的熱點之一。

上世紀80年代，美國就開始了衛星導航與捷聯慣導組合系統的研究，並在民用領域取得較好成果。此後，美國國防部在其公布的「空/海聯合直接攻擊武器（JDAM）」計劃中明確提出了通過給非制導炸彈加裝組合導航組件，使其成為一種全天候精確進攻武器的技術思路。2015年12月，美國海軍在更換大部分作戰和支援艦船慣性導航系統合同中，進一步增強了其與衛星導航系統的融合程度。美國國防部高級研究計劃局啟動的「自適應導航系統（ANS）」計劃，通過靈活組合現有的感測器和測量裝置，實現高精度、高可靠性和低成本的組合導航平台，部署周期甚至可以從數月縮短到數天。現有的導彈、飛機等武器平台多採用指令、衛星導航等組合方式對慣導系統進行定時修正，美軍使用的「戰斧」式巡航導彈就採用了衛星導航+慣性導航+地形匹配的「三保險」模式，在戰場上表現出色，顯示出「強強聯合」的優勢。

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