从傅科摆到V2导弹再到德雷帕实验室……机载惯性导航的前世今生

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引子

轰炸机出击特别是远程攻击，上千公里的距离，这飞偏了可怎么办？所以二次大战的纪录片里轰炸机的前面总是有个透明笼子似的的领航舱，坐着一位领航员。这哥们手里一张地图，就负责把飞机从基地千里迢迢地“领”到目标区。作战的时候，领航员一路上不停地对比地图和实际飞过的地形地貌，也就是航路检查，不断发出调整偏差的指令，驾驶员就根据领航员的指令调整飞行方向。当然，领航员还负责进入目标区后的精确瞄准和投弹，所以有经验的领航军官在轰炸机部队里就是个宝。

前面的领航员正在对比地形

看多了现代战争片或者回忆录的都知道天气一好就得琢磨赶紧布置防空，为什么？因为天气一好，不光是地面看天空清楚，天上看地面也清楚，特别是地形地貌，人领航员就靠这个吃饭的。其实轰炸也好，侦察也好，远程飞行对于天气的要求总是尽可能的高。但是这一路上谁敢担保就肯定一路阳光灿烂晴空万里？说不好哪里来上一大片低云或是浓雾，那领航员就只能凭经验去蒙，搞不好就把路带歪了。而且要是夜间轰炸呢？除了靠星星是不是就没办法了?

洛伦兹着陆系统

二战的时候，德国人琢磨过这问题：“不列颠之战”后他们用上了无线电导航以支持夜间空袭英国。这是从洛伦兹（Lorenz）无线电引导着陆系统得到启发的。该系统做法是安排两组发射机，分别发射频率不同的等强度导航信号（摩尔斯电码的点、划），着陆时驾驶员可同时接收两组信号，并加以对比，如果两组信号的强度相等成为连续的点划音，则说明方向对头飞就是了；如果有偏差，一组强度比另一组大（只有成串的点音或划音）则向强度低的方向修正航向直至两组信号等强度。这办法的缺点是信号接收方不能确定自己的位置，但要是两组这种波束从不同方向发射，在目标上方汇聚就可以提示轰炸机组可以投弹了，这就是弯腿（Knickebein）系统。但很快被英国干扰了，用的办法是以强功率播放两个导航信号中的一种来诱偏德国人。

弯腿系统

德军改进后的系统叫Xgerat，是把两波束分出主辅，然后采用不同内容的多个辅波束与主波束在航路上形成多个交叉点（即航线检查点）。这样轰炸机领航员就能根据听到的不同摩尔斯电码确定自己的位置，比如50公里、20公里、5公里。这办法用上之后确实效果不错，德军夜间轰炸的投弹误差一度控制在1500米以内，比皇家空军的好多了。德军400多架轰炸机凭这套系统成功于1940年11月夜袭了工业城市考文垂。但好景不长，回过味的英国人马上开始干扰德军导航信号：把主波束信号接收之后放大以稍微偏离一点的角度发出去。这样德军的系统就形同虚设了。所以，能信得过的导航系统必须经得起敌方干扰，或者干脆让敌方不能干扰。实际上由于地球曲率的影响，无线电导航也就只能在400公里以内范围比较合适，再远导航波束就超过飞机的巡航高度了。

Xgerat系统

显然无线电导航不是向往中那种灵丹妙药了，看来人肉导航还不能扔，又得靠好天气了，还得尽量往高处飞，因为看得远嘛。可是二战以后，随着防空雷达技术的发展，即便是天气晴好，轰炸机也不敢高飞了，因为飞得高就会被敌方防空雷达早早发现。这样就只好飞得越来越低，那能看到的地貌也就越来越少，这就意味着航路检查就越来越频繁，领航员的工作负担也越来越重。这还算好的，有些飞机是单座的，比如轻型攻击机，飞行员又是开飞机又要认路，一路光是飞到目标区就够忙的，然后再建立攻击航线啥的，一头还不够俩大的。所以，美国之类的空军强国就一直在琢磨有什么技术能解决远程导航问题，可以不分黑经白夜好天坏天都一样的只管飞？

悄然登场

实际上，远在二战爆发前，那种能够进行自主导航的绝活——惯性技术就已经潜滋暗长了多年，只是时候未到，还不能开花结果罢了。

傅先生和他的陀螺装置

早在1852年, 那位用摆球的惯性运动展示地球自转的法国科学家傅科便将高速旋转刚体称为陀螺, 试图利用它对惯性空间的稳定性来设计仪表,并按“转动”和“观察”的希腊文给它取名为Gyroscope，这就是实用陀螺仪的“鼻祖”。而“陀螺仪-gyro”这个术语也一直沿用至今。傅科用这个玩意做了三个实验：证明地球在昼夜旋转，确定当地的地理纬度，找出地球上的南北方向。限于当时的技术条件，他采用的是人工拉绳驱动陀螺旋转的办法，这在转速和稳速精度方面都无法达到寻北的要求。虽然这项实验最终并未成功，但揭开了人类利用惯性技术定位的篇章。

左边为安休茨，右边那位已经太著名了

二十世纪初期, 由于磁罗盘在地球磁极附近失效，热衷于北极探险的冒险家们希望得到一种能代替磁罗盘在北极地区船只上指示南北方向的仪表。由于当时有了滚珠轴承和电机, 使得德国的安休茨（Anschutz，也翻译成安许茨）博士和美国的斯佩里(A.Sperry)分别于1906 年和1911年研制出了世界上最早的陀螺罗盘。从此，惯性仪表在运动物体上测量方位的设想便得以实现。而安休茨和斯佩里也成了船用罗经行业的两位开山祖师爷，直到今天A、S都是船用罗经的两大派系。

斯佩里老头

1917年，皮特·库柏（Peter Cooper）和斯佩里发明了第一台自动陀螺稳定器，使飞机能够保持平衡状态向前飞行，装上这玩意和无线电遥控装置的海军寇蒂斯N-9型教练机被成功改造为人类首架无人机——“空中鱼雷”（Aerial Torpedo）。美中不足是它回不到起点，不过反正客户需求是搞出一架自杀机，空中鱼雷嘛。此后又针对飞机发展了航空地平仪、方位陀螺仪和转弯角速度仪等目视航空仪表, 这些都为惯性技术奠定了初步基础。

空中鱼雷牌自杀机

总体上看，这一时期的惯性技术主要特征是用来测量载体的姿态角，还不能测量加速度，谓之第一代惯性技术。

大放异彩

惯性技术在二十世纪早期已经开始得到应用。比如斯佩里公司旗下的瑞士工程师卡尔.诺顿后来自立门户，制造出了二战中著名的“诺顿”MK15轰炸瞄准具，稳定器就应用了陀螺原理。当然，斯佩里公司并没有因此而完蛋，它很快就找到了新的合作者，德雷帕（Charles Stark Draper）教授。德雷帕帮斯佩里设计了MK14瞄准具，虽然没有MK15那么出名，但也卖了85000部。

V2

V2的陀螺仪

随着技术的进步，加速度计也被研制出来。二战中，德国人尝试着首次把双自由度陀螺和积分陀螺加速度计构成的原始惯性导航平台用于V2导弹上。但由于还是用的轴承支撑，摩擦力矩大，精度低；射程200公里级别的V2命中精度（CEP）仅为5000米。最后不得不采用无线电横偏校正才把精度提升到800米。但无线电嘛，又要面对敌方的干扰。

在大洋彼岸的德雷帕来自MIT的仪表实验室，在他的领导下，仪表实验室迅速成为美国惯性技术的先驱。德雷帕很清楚轴承支撑的陀螺仪精度已经没有提高的指望，开始着手研制更先进的液浮陀螺，并于1942年成功运用于海军的火力控制系统。

1945年战争结束并未挡住技术的进步，德雷帕继续改进液浮陀螺并构思惯性导航平台。1950年德雷帕说动军方，首次试验了机载惯导技术：一架安装了德雷帕纯惯性导航设备的B29以10小时从马萨诸塞至新墨西哥的飞行横贯美国大陆。它的单自由度液浮轴承陀螺的漂移量约为12度/小时，虽然还不够好，但已经显示出足够远大的前景。

SM75“雷神”导弹

1953年，德雷帕开始为美国空军设计“ 雷神” 中程弹道导弹的制导系统。这是由单自由度液浮陀螺与液浮陀螺加速度计组成的惯导平台系统，改进后继续用于'大力神'II洲际弹道导弹。基于液浮陀螺的高精度惯性导航设备由此成为仪表实验室（后更名为德雷帕实验室）的独门绝活。平台式惯导也成为美国空军后续一系列洲际弹道导弹的标配。直到1980年服役的MX洲际弹道导弹，其惯导也仍旧为液浮式平台。其命中精度号称仅90米，德雷帕制造的惯导平台功不可没。不过这是后话了。

MX的惯性参考球，德雷帕荣誉出品

1954年，在机载惯导系统基础上，德雷帕又研制出第一种舰载惯导系统并装船使用。次年，德雷帕的单自由度液浮陀螺惯导系统精度达到了0.5海里/小时，惯导系统终于具备了实用价值。

除了德雷帕实验室，利顿（2001年被诺格收购）、霍尼韦尔、基尔福特、斯佩里、罗克韦尔等美国公司也是惯导领域的巨头。利顿在液浮、挠性、激光等多种陀螺技术上功底深厚，霍尼韦尔则多年专攻静电陀螺、激光陀螺。

霍尼韦尔的HG1700惯导

下面专门说说利顿，这家公司的产品军民通吃。该公司1960年研制成功的LN-3惯导系统是美国空军的第一代实用型惯导平台，应用于F104、F4C等型号，精度2.35海里/小时，反应时间最短可达5分钟，平均无故障时间（MTBF）40小时。之后利顿再接再厉，又研制了第二代惯导LN-15并于1967年投入使用，不仅广泛应用于F14、E2C等舰载机，还安装在空军的B1、FB111上。其精度1海里/小时，反应时间10-15分钟，MTBF为250小时。其民用型LTN-51成为满足民航飞行要求的第一代惯导平台，MTBF达到1000小时。在利顿70年代推出的第三代惯导LN-39上应用了英国人首先提出的挠性陀螺原理，精度0.8海里/小时，MTBF增加到2000小时，成为美国空军的标准惯导平台，广泛安装在其第三代飞机上。

在惯导领域，目前能够独立研制惯导的国家很少，基本上是安理会五常加德、日。有些国家还是从美国引进的技术。比如法国萨基姆的惯导是从基尔福特引进的SKN2600起步的，但法国人后来干得不错，其惯导平台后来也打入民航市场，打破了美国人独霸的局面。日本则从利顿引进了LN12（LN3的改进型）技术，不过没有关键的液浮陀螺技术，日本只能自己开发。