光力学加速度计在海上平台惯性导航中的应用发展

梁大雷，于化鹏，黄 昊

（中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，北京 100071）

1 引 言

惯性导航也称为自主导航，其不依赖于外部辅助信息，只通过载体本身的惯性参数测量来完成导航任务。惯性加速度计是测量运动载体线加速度的仪器，是惯导系统的关键器件。目前，加速度计的类型主要有摆式积分陀螺加速度计、挠性摆式加速度计、石英振梁式加速度计、硅微机械加速度计、微光学加速度计、原子加速度计和光力学加速度计等。不同种类的惯性加速度计性能等级划分、技术发展阶段如图1 所示[1]。

图1 惯性加速度计等级划分及技术发展Fig. 1 Class division and technology development of inertial accelerometers

摆式积分陀螺加速度计的精度为10-8～10-5g，是技术成熟且精度最高的机械式加速度计，目前应用于洲际弹道导弹和大型运载火箭的惯性制导系统[2]；挠性摆式加速度计包括石英、金属和硅基挠性加速度计，精度为10-6～10-3g，主要应用于海陆空导航和战术级至导航级导弹制导等领域；石英振梁加速度计抗环境噪声能力较强，相对于石英挠性加速度计精度稍高，可应用于导航级惯性系统[3]；微机电（MEMS）加速度计具有体积小、成本低和集成化程度高等突出优点。高精度的MEMS 加速度计已有成熟产品的精度为10-4～10-2g，谐振式的精度可达到10-6g，但还处于实验室研究阶段，未来的发展趋势是实现高精度加速度计芯片[4]。

随着硅光集成技术的发展，融合光学效应传感和微加工技术的微光学加速度计快速发展起来。微光学加速度计具有体积小、精度高和抗电磁干扰等优点，有望用于中、高精度惯性导航领域[5]。原子干涉加速度计是利用物质波干涉技术的新型惯性器件，具有超高的长期稳定性，精度可以达到10-9g[6]。近年来，有学者提出基于光力悬浮微球介质的悬浮光力学加速度计和基于光场与机械结构相互耦合的腔光力学加速度计。光力学加速度计可接近甚至突破标准量子极限，是与原子干涉加速度计精度相当的下一代高精度加速度计，发展潜力巨大[7]。

惯性导航技术为我国航海事业的发展提供了关键的技术支撑，基于海上平台惯性测量和海上平台辅助保障系统对高精度惯性器件的迫切需求，本文主要归纳了光力学加速度计的研究现状，对其在海上平台实际应用场景的可行性进行了分析，论述了海上平台应用关键技术发展路线，目的在于推动光力学加速度计走向实际工程应用。

2 光力学加速度计研究现状

近年来，随着量子光学、微腔光子学和微光机电技术的快速发展，光力学与惯性技术的结合催生了光力惯性传感技术。光力学加速度计根据光力传感系统的不同，可分为光阱悬浮式和光学微腔式两类[8]。目前，关于光力学加速度计的研究主要处于原理验证阶段，图2 总结了其国外研究现状，表1 总结了其加速度噪声水平[9-20]。

图2 光力学加速度计研究现状Fig. 2 Research status of optomechanical accelerometer

由表1 可见，国外光力学加速度计最早于2001 年问世，经过各研究机构的探索和优化，至2020 年光力学加速度计测量噪声已经从119 µg/Hz1/2降至32 ng/Hz1/2，性能提升了将近4个数量级，极具应用前景[1]。

表1 国外加速度计噪声水平Table 1 Noise levels of foreign accelerometers

在国内，浙江大学设计了多种结构的光阱悬浮光力学加速度计，开展了理论方法研究和实验验证[21-22]。北京航天航空大学利用射线模型分析了光力学加速度计的理论精度[23]。国防科大在光力传感技术[24]，微球位置探测[25]、内腔光阱系统等[26]的基础理论和关键技术方面均取得较大进展。此外，国防科大设计了一种微型双轴光力学加速度计，实现了0.49 mg的测量分辨率和4.4 mg的零偏稳定性[27]。针对光力学加速度计的小型化应用，采用机械振动方法实现了单微球重复起支，推动了光力学加速度计的实用化进程[28]。随着国内及国际上研究的深入，光力学加速度计在样机研制、工程应用方面将会取得突破性进展。

针对当前加速度计相对惯性系统组成需求，精度、体积、成本适配性不足的现状，表2 将光力学加速度计和传统加速度计进行了对比。传统加速度计使用的传感元件主要是在应力作用下能明显发生形变的器件，通过对形变程度的探测确定加速度的大小[29]。而光力学加速度计的传感单元是受光束捕捉的球状粒子，本质是通过光电探测其位移得到加速度值，对粒子加速度变化更加敏感，精度更高。此外，悬浮式、非接触式的支撑特性克服了传统加速度计机械臂安装对整个系统精度的限制。基于光力学加速度计的原理特性和超低噪声、超高灵敏度及ng级的超高精度优势，有望用于长航时自主导航、空间加速度测量等领域[21]。

表2 光力学加速度计与传统加速度计比较[29-33]Table 2 Comparison of optomechanical accelerometers with conventional accelerometers[29-33]

3 海上平台应用分析

3.1 海上平台惯性测量

3.1.1 船载重力测量

船载海洋重力测量是目前获取高精度、高频海洋重力场信息的有效方式。由于海上平台对绝对重力场的测量精度要求较高，测量不确定度为1～2 mGal[34]。一般情况下，依靠传统加速度计测量重力的难度较大，精度较差，往往需要与航空重力测量、卫星测高等相结合。光力学加速度计凭借nGal 级的测量精度，使得船载重力测量能够快速、高效获取高精度、高分辨率重力数据。此外，光力学加速度计和传统加速度计组合使用，利用传统加速度计承担大量程测量，由光力学加速度计提供精确的重力变化值，两者组合可将测量范围扩展到Gal 量级，满足海上平台重力测量需求。

考虑到测量过程中，测量船的横摇和纵摇会破坏光力学加速度计的垂直状态，均对海洋重力测量有较大影响。只有通过增设附属设备，才能使得加速度计在测量船摆动的状态下仍然保持垂直。测量船航向和航速变化产生的水平加速度也会对重力测量结果产生影响，测量船应尽量保持匀速直线运动。同时，光力学加速度计应在结构上采用相应的措施，限制传感器在水平方向的运动，使水平加速度的影响尽可能减小。此外，受波浪的作用，测量船在航行过程中不可避免地产生垂直方向的涌动，该运动导致的垂直附加加速度量级会大大超过加速度计的量程，一般需采用强阻尼的方法来削弱这种周期性垂直加速度的幅度。

3.1.2 大型船只变形分布式测量

目前，船只三维变形精密测量的方法主要包括偏振光能量测量法、大钢管测量法和摄像测量法等光学测量方法，以及应变传感器测量法、GPS 测量法和惯性器件测量法等非光学测量方法[35]。在测量精度方面，大钢管测量法性能最优，可靠性最强，一般优于5″，但存在体积大、成本高、安装维护不便等问题，导致其不能得到广泛推广[35]。目前，惯性器件测量法测量精度为5″～20″，测量距离较长（大于10 m）[36]，但对加速度计精度要求较高。通过在船只关键战位点安装由光力学加速度计和新型光学陀螺组成的惯性测量单元（IMU），有望进一步提升船只三维变形测量精度。

考虑到船只空间有限，结构复杂，对加速度计尺寸、重量等都有一定要求，且具备与船只甲板面进行快速固连的安装孔及安装面，这对光力学加速度计的结构设计和制造工艺提出了较高要求。船只在航行时受地磁场磁化影响，加之船只上装备的大量电机和线圈机组会产生感应磁场，这些会导致加速度计等惯性测量设备性能下降，需考虑一定的磁屏蔽措施。此外，IMU 价格昂贵，有时需要多套IMU 对船只多个点位进行变形测量，导致测量成本较高。

3.1.3 平台升沉检测

海上平台武器发射、舰载机起落和海上工程作业受海浪引起的随机性复杂升沉运动影响较大。一般情况下，无线电导航、卫星定位技术无法满足升沉测量厘米级的精度需求，通常采用捷联惯导系统测量升沉信息[37]。目前，很多惯性导航系统已经具备了升沉测量能力，但多数产品只能做到对升沉信息一段时间内的预报，且精度有限。光力学加速度计能够高精度测量出天向轴的平台加速度，通过对所测加速度进行二次积分，结合现有的升沉滤波方案，将提高升沉测量精度。

在测量过程中，光力学加速度计测量结果随载体受到冲击及振动等干扰会产生随机误差，并且该随机误差在实际应用中难以预测，需采用主动隔振措施满足高精度测量需求。此外，光力学加速度计由自身加工工艺不完善导致的刻度系数误差和零位误差，也会影响升沉测量输出精度。由于升沉测量对传感器的精度要求较高，提高了惯性导航系统的成本。目前，对影响升沉信息测量的干扰因素也有待分析，算法也需要进一步改进。

3.2 海上平台保障辅助系统

3.2.1 长航时自主导航

惯性导航系统的误差源主要包括传感器误差、算法误差、地球模型误差和初始对准误差。其中，传感器误差仍然是主要误差源。目前，我国旋转调制式激光陀螺惯导系统精度为2 nmile/5d[38]，与美国2 nmile/14d 的精度相比尚有较大差距[39]。随着光学陀螺技术日趋成熟，精度突飞猛进，目前国外光纤陀螺精度可达0.00008°/h[40]，广泛使用的石英振梁加速度计已无法满足高精度长航时惯性导航系统的需求。光力学加速度计理论精度可达nGal 水平，搭载超高精度光学陀螺可提升长航时自主导航系统精度。

考虑到船艇航行面临的复杂海况环境和自身动力系统带来的振动干扰，可能会导致设备性能降低，一般需对光力学加速度计采用抗冲击基座和主动隔振措施。此外，船艇平台舱室多数情况下是一个高温高湿的环境，容易引起金属腐蚀、电气绝缘降低和电子设备失效等问题。高精度光力学加速度计属于精密测量设备，对温度非常敏感。因此，当装备于船艇平台时，需采取相应温控措施。

3.2.2 预置平台自主定位

水下无人预置平台依托海洋的天然屏障，能够实现大潜深静默式布置，隐蔽性较强，遂行任务灵活多样[41]。由于水下环境限制，水下无人预置平台无法利用卫星导航定位来修正自己的定位误差。为了保证执行长期值守任务以及服务水下移动平台，需要利用自身条件对多个传感器的环境数据进行融合以提高定位精度。光力学加速度计作为超高精度惯性传感器件有望提高预置平台定位及固有漂移参数估计精度，进一步提升系统长时间周期高精度定位信息保障能力。

考虑到能源自持和保障技术是制约水下无人预置平台长时间待机和遂行作战任务的主要因素[41]。因此，预置平台对光力学加速度计的功耗和热待机时长提出了较高的要求。此外，预置平台长期潜伏布置在数百米甚至数千米的深海环境，光力学加速度计外壳在海水电解质溶液中易发生电化学腐蚀且受到海洋生物分泌或还原形成的强酸腐蚀，从而对结构造成不可逆的腐蚀破坏。目前，可从材料和防护两方面着手来增加光力学加速度计的深海环境适应性。

3.2.3 水下流速测量

基于锚碇船或浮标用的传统测流仪受到技术水平和原理性的限制，只能在某些特定的环境下才能工作，且一段时间内只能在时域和空域上得到一维的海洋数据[42]，无法满足现代海流测量精度要求。声学海流计作为海流测量的“主力军”，可实现走航和定点观测，但其测量精度受声学散射体、多径传播等因素影响，且存在测量盲区。考虑到海流连续测量准确度要求，当水深在200 m 的浅海区且流速超过1 m/s 时，流速测量准确度要求为±5%，流向测量准确度为10°[43]。通过对水下潜器绝对位置的航迹规划，能够实时推测洋流对航迹的影响。高精度惯导系统能够准确输出潜器位置及航向信息，通过与绝对位置航迹进行比对，则可以精确推算出洋流速度及方向。该流速测量方法对惯性器件精度要求非常高，超高精度光力学加速度计是较为理想的选择。

考虑到海流连续观测时间的长度一般不少于25 h[44]，惯导由此产生的累计测量误差直接影响流速测量的精度，可每隔一段时间对其进行校正，从而保持对水下流速的高精度测量。此外，海洋中天然磁场和海流在地磁场中运动时产生的感应电磁场，都会对光力学加速度计的性能造成一定的干扰，需采取一定的磁防护措施。

4 海上平台应用关键技术发展

针对复杂的海况环境，从海上平台惯性测量和保障辅助系统应用需求出发，在光力学加速度计走向平台应用过程中，需从仪表级、平台级、系统级层面来推动相关技术发展，加快工程化应用进程，关键技术发展如图3 所示。

图3 关键技术发展Fig. 3 Key technology development

4.1 光力学加速度计工程化技术

光力学加速度计是未来高精度战略级加速度计，在着力其基础理论、制造工艺、测试实验、数据处理等研究之外，应尽快挖掘光力学加速度计在海上平台的工程化应用，探索构建符合其高精度等技术特点的应用前瞻要求，归纳出系统的技术指标体系和影响要素规律。此外，考虑到海上平台本体特征及所处环境对光力学加速度计的具体使用所施加的约束，研究温度、摇摆、振动及电磁等物理量与加速度计相关输出的关联关系，实现工程化状态下加速度计的高精度测量，完善加速度计的环境适应性。

4.2 船只惯性测量的稳定平台技术

结合目前海上平台船载重力测量、升沉测量等研究现状和需求分析，发展船载惯性测量的稳定平台技术，研制高精度惯性稳定平台显得十分必要和迫切。惯性稳定平台能够隔离船只在海上航行中由海浪起伏、海风及海流因素引起的振动、横摇和纵摇等位姿变化，保证设备测量作业的正常进行。可利用光力学加速度计等惯性传感器设计出一套船载稳定平台的惯性测量系统，将采集到的数据进行二次积分，得到平台位置数据信息，通过测量系统中的陀螺仪来检测海洋波浪对平台姿态的影响。控制系统将根据位置、姿态等测量数据计算出的平台位姿补偿量输出到执行元件，进而调整平台位姿，使平台一直保持固定姿态和位置，为海上平台惯性测量提供满足要求的动力学环境。

4.3 仪表与系统级误差建模及补偿技术

根据前述分析，光力学加速度计应用于海上平台测量和辅助保障系统的误差主要受两方面因素影响。一是光力学加速度计等惯性元件构成惯性测量单元时陀螺与加速度计之间的不重合角、加速度计零偏、常值陀螺漂移及各自常值刻度系数误差等自身因素影响；二是海上平台运动及海洋环境等外部因素影响。针对上述误差分析，应开展仪表与系统误差建模技术研究。探究海上平台光力学加速度计等惯性传感器的作用机理及其产生误差的主要因素，并对各惯性传感器进行误差分析和建模；通过小波变换和经验模型分解等方法,研究光力学加速度计等传感器数据降噪技术,并对传感器数据进行预处理和试验验证；开展海上平台运动模型及洋流运动模型研究，并结合仪表误差开展系统误差模型研究。

另外，研究在线标定及在线误差补偿技术。可将惯性测量单元的不正交误差和光力学加速度计等器件误差问题转化为状态估计问题，把需要标定的参数作为被估计状态量，把系统测量误差和导航误差作为观测量，通过最优估计（如卡尔曼滤波算法）实现参数标定。惯导系统得到在线标定的结果后，将标定的结果补偿到惯性测量单元的输出，从而提高惯导系统的精度。

4.4 旋转惯导系统误差抑制技术

随着惯性技术的发展，光力学加速度计搭载高精度光学陀螺组成的惯导系统能够满足长航时自主导航的精度需求。但不论使用什么类型的惯导系统，惯性器件误差都会使得导航误差随时间累积而增加，从而导致长航时惯导系统精度下降。通过采用旋转调制技术，可将光力学加速度计常值零偏和光学陀螺常值漂移调制成某种周期变化的形式。在导航解算过程中，利用积分运算可减弱甚至消除其对系统的影响，从而减少系统误差的累计，延长系统重调周期，保证长航时自主导航精度。

5 结 论

本文归纳了光力学加速度计的研究进展及现状，剖析论证了其在船载重力测量、大型船只变形分布式测量、平台升沉检测、长航时自主导航等方面的应用可行性，归纳了光力学加速度计在未来海上平台应用的关键技术。随着光力学加速度计工程稳定性的提高，围绕长航时高精度惯性导航的军事需求，光力学加速度计将在多任务复杂环境下的惯性传感系统中发挥重要作用。