后司南时代的导航新智慧

专家简介

謝良平，研究员，主要研究方向为光纤陀螺及惯性技术与应用，现任航空618所光纤技术室主任，兼任中航捷锐（北京）光电技术有限公司副总经理。担任多个国家重点型号的主任设计师，主持或参与了包括装备预研重点基金、国家重大仪器专项、民机专项等在内的20余个项目；发表论文28篇（SCI收录7篇、EI收录11篇），被引233次（SC1153次、E141次）；申请专利45项、授权19项；曾获得北京市科学技术奖二等奖2项，国防科技进步奖二、三等奖各1项，航空工业科学技术奖二、三等奖7项，荣立二等功、三等功各1次。

导航是把海、陆、空、天等运动载体，按照预先设定的路线，从始点引导至终点的过程。中华民族不乏智慧，先秦时期先民们发现磁铁矿具有指向性，便据此发明了司南。这个外观呈勺状，静止时勺柄指向南方，可以正方位、定方向的小物件，是最早、最简易的导航应用雏形。“司南之所指，即阳气之所在”，建立在阴阳五行学说基础上的司南理论，虽充满了“感性说”的局限，却也折射出一个道理：对事物的认知如果仅基于经验积累而知其然，不探求其根本原因而不知其所以然，必将导致认知的停滞不前。司南的发明便是如此，它虽推动了航海业的大发展，并帮助人类认识了世界、认识了地球，但最终却因认知的滞后，逐渐被西方的新导航技术所超越。

技术发展到今天，惯性导航已成为恶劣环境下最有效的导航方式，但纵观惯性导航领域的共性关键技术——光纤陀螺技术的发展史，我国之前一直扮演的却是追赶者的角色。究其原因，以往技术发展过分依赖经验积累的研发模式正是造成此种局面的症结所在。通过不断实物试错来积累经验，这种研发模式成本高、周期长，为何成与败都说不清楚，影响光纤陀螺产品性能指标的要素多达几百种，其重要性难以排序，解决问题时经常本末倒置。谢良平敏锐地觉察到了这个问题的严重性，为尽快摆脱技术长期被国外垄断封锁的窘境，他带领团队从顶层入手，在原总装备部、科技部、北京市、航空工业集团等的支持下，历经10多年的潜心研究，在项目“基于多物理场耦合误差理论的光纤陀螺关键技术研发及产业化”中，围绕国家重大型号工程的需求，通过深挖基础理论并分析其在工程应用中的局限和不足，在光纤陀螺误差理论、高精度光纤陀螺技术及微小型光纤陀螺技术等方面取得了多项原创性成果，极大地推动了我国惯性传感器技术、产业升级及相关系统技术的发展。

由经验积累到科学认知

惯性导航作为一项国防和民用领域的关键技术，主要研究运动载体的位置、方向、轨迹、姿态的检测、控制与决策，是衡量大国军事核心力量的重要指标之一。光纤陀螺作为新一代的惯性传感器，是真正意义上的全固态陀螺仪表，具有精度覆盖广、可靠性高、全寿命周期费效比低等诸多优点，在各精度等级应用中都极具竞争力，是惯性导航领域的共性关键技术。

但光纤陀螺在国内走向应用的过程中却遇到了几个技术上的瓶颈问题：光纤陀螺的检测精度接近相位检测方法的极限，在多物理场耦合作用下其几何与物理参数易发生变化且难以测量和控制，这导致了测量精度严重劣化，无法满足高精度导航系统应用的需求；另外，传统光纤陀螺的设计和制造方法，一直无法突破直径25mm的极限，不能满足小体积精确制导武器的需求，这些问题使得高精度和微小型光纤陀螺的设计和制造等技术瓶颈难以克服，严重制约了国内相关产品的实用化过程。在技术长期受到国外严密封锁的情况下，针对瓶颈问题的独立研发和自主创新对于我国国防和民生的重要意义不言而喻。

在项目“基于多物理场耦合误差理论的光纤陀螺关键技术研发及产业化”的推进过程中，结合对千余只光纤陀螺产品的数据梳理分析，通过总结提炼影响光纤陀螺性能指标的光路、电路、结构及材料等参数的定量体系，谢良平带领团队建立了一整套数学物理模型及“数字”样机，精确地对光纤陀螺的指标体系进行了设计仿真，实现了对指标影响要素的定量分析，并通过对影响量级进行严格排序，真正实现了解决问题的有的放矢。同时，通过在研制产品上不断验证及修正，完善理论模型，提升其与工程产品性能指标的符合度，经过多年夜以继日的艰苦奋斗，基于模型的光纤陀螺多物理场定量设计仿真系统研制成功，并推广至所有产品的设计中，极大地提高了产品的研制效率。

对光纤陀螺“数字”样机的研制，更体现了项目研发中“现象一物理一数学”的知识凝练过程；而“实物”样机中对“数字”样机准确性的验证和工程应用，则体现了“数学一物理一工程”的应用回归过程，二者相互促进、螺旋迭代上升，贯穿于光纤陀螺研发的全寿命周期。谢良平的研究从根本上提升了光纤陀螺的理论水平，缩小了与国际先进水平的认知差距，解决了光纤陀螺的研制周期和成本问题，以往过分依赖经验积累的研发模式也正在被科学系统的认知模式所取代。更为重要的是，这一系列的突破最终实现了我国在国际技术交流合作中从“学生”到“合作伙伴”的角色转变。

大胆创新突破瓶颈

“当人们在航展上被各种运动载体在空中完成的一系列闪转腾挪的复杂动作吸引时，为飞机瞬间完成俯冲、抬升、掉头等动作而欢呼雀跃时，可曾想到，这些动作能否精确顺利完成在很大程度上其实取决于载体装备的光纤陀螺的性能是否优越。因为，它的性能一旦出现问题，轻则任务失败，重则机毁人亡。”谈起光纤陀螺的重要性时，谢良平这样说道。

为满足飞机高精度惯导系统的要求，光纤陀螺在任何环境中的零偏精度应优于0.007°/h（地球自转速度为15°/h）、标度因数精度应小于10PPM（百万分之十），因此机载惯导对光纤陀螺的工程性能要求非常高，而遗憾的是，国内产品长期以来一直无法满足这样的要求。究其原因，一是因为温度、振动、磁场等多物理场耦合作用下，光纤陀螺性能会发生严重劣化；另一个原因则是飞机的飞控角速率传感器对尺寸的要求很严格，传统的光纤陀螺由于尺寸较大，许多需要小体积应用的场合无法装备，以上这些都成为困扰专业技术人员的瓶颈问题并一直存在着。

面对这些瓶颈问题，谢良平带领团队迎难而上，在“基于多物理场耦合误差理论的光纤陀螺关键技术研发及产业化”项目的支持下，他们展开了10多年的持续攻关。

在高精度工程应用性能提升方面，虽然20世纪美国科学家Shupe曾对光纤陀螺零偏温度误差进行了研究，并提出了著名的Shupe理论，但由于Shupe未将光纤环材料的三维分布式参数及其微元之间的交互影响，以及温度和机械应力场引起的光纤有效折射率、周向应变等参数的变化因素考虑进去，因此导致了理论预测与光纤陀螺的实际物理状态不符、偏差较大，无法有效指导高精度光纤陀螺的工程设计。

针对Shupe理论存在的问题，谢良平大胆做出了将光纤环材料的三维分布式热学和力学参数及其微元之间热、力学交互影响的机制引入到Shupe理论体系中的尝试。结合保偏光纤的弹光与热光效应原理，他研究了热应力和机械应力对光纤环材料参数交互影响导致的光纤陀螺零偏误差的机理，并由此创立了广义的shupe理论体系。其揭示出的热力学耦合作用下光纤陀螺相位误差的传播规律，准确地反映了多物理场作用下光纤陀螺内部的物理状态，在理论上指出了光纤陀螺零偏性能无法突破的原因，并提出了解决多物理场耦合下性能劣化的工艺措施——提升光纤环的“对称性”。之后，在这一系列研究的基础上，他又带领团队进一步梳理了光纤环的材料体系，并联合器件厂家研制出了特种光纤，突破了多极对称绕制及对称性评价体系建立等多项技术难题。目前，光纤陀螺变温和振动零偏性能已优于0.005°/h（1℃/min），并在“十二五”末总装惯性技术联合测评中，创造了0.0036°/h的国内最高水平。

除精度问题外，由光源平均波长和光纤环几何尺寸温度漂移引起的光纤陀螺标度因数误差是另一个大问题。为抑制误差，传统的做法是温度补偿，但补偿精度低和长期稳定性差的缺陷，却成为光纤陀螺发展的最大软肋，谢良平敏锐地认识到了这一点，并积极开展了技术攻关。

影响光源平均波长稳定性的参数有很多，如泵源温度、中心波长、偏振度、掺铒光纤温度，还有光路背向散射、反射光信号导致的激射等。针对以上参数，谢良平通过器件温敏系数匹配、微光学器件集成、光谱滤波、尾纤盘绕工艺优化等措施，大幅提升了光源平均波长的稳定性，将全温波长变化控制到了2PPM的水平。

在光纤环尺寸稳定性方面，谢良平带领团队从光纤环几何尺寸、材料参数的设计入手，降低了光纤环尺寸温度的敏感性，进一步建立了创新的闭环控制算法，实现了对光纤环长度的实时跟踪与控制，极大地提高了全温度条件下光纤环的尺寸稳定性。他们研制的光纤陀螺全温标度因数性能在不补偿的情况下能够达到20PPM，补偿后优于5PPM，达到国际领先水平，成为在各应用领域真正能够抗衡激光陀螺的利器。谢良平的研究在零偏和标度因数性能上实现了突破，解决了多物理场作用下光纤陀螺性能劣化的瓶颈问题，满足了国家高精度惯导系统的重大需求。

在小型化陀螺研制方面，他们也不遗余力地开展了一系列科研攻关。通过不懈努力，他们创立了一套超细径光纤无熔点微小型光纤陀螺设计与制造方法，攻克了850nm SLD光源、40μm超细径保偏光纤及耦合器、晶体包裹性光纤偏振器等器件制造技术的难关，突破了SLD光源、探测器等芯片与超细径光纤偏振对轴耦合封装工艺以及相关装备技术瓶颈，在国内率先建立了850nm、40μm光纤陀螺光路技术体系，解决了小型化瓶颈问题，突破了传统方法直径25mm的极限，创制出了世界最小体积的微小型光纤陀螺产品并实现了产业化，满足了小体积制导武器的急需，不仅填补了国内空白，而且达到了国际先进水平。

解国家急需社会影响广泛

近年来，基于项目成果已发表论文36篇（5篇SCI、14篇EI）；申请发明专利55件、授权29件，获17件实用新型专利授权：形成了国军标1项，航空标准2项，企业标准20余项；获得省部级科学技术奖8项，并随主机获得国家科技进步奖一等奖2项，还获得了首届中国军民融合两用技术创新大赛铜奖；并得到中央电视台、《科技日报》、光明网等主流媒体的多次报道，产生了广泛的社会影响，极大地促进了我国惯性传感器、配套光学器件的技术和产业升级，并推动了相关系统技术的发展。

他们研发的微小型和高精度3类10余个系列光纤陀螺产品，已批量装备于国内航空、导弹、陆用、船舶、航天等军工领域，还应用于民机、物流无人机、高铁、石油、煤炭等民用领域，在机载飞控角速率传感器、航姿、惯导系统、空空导弹等多个领域填补了国内空白，这标志着我国高精度和微小型光纤陀螺技术获得了重大突破，整体技术指标国内领先，达到国际先进水平。

截至目前，取得的创新成果在规模化应用后，累计生产销售光纤陀螺15000余套，实现销售收入超过11亿元（近3年5.54亿元），间接经济效益约30亿元，社会、经济效益显著，满足了国家高精度惯性导航和小体积精确制导的急需，提升了我国的国防能力和科技水平。

集聚团队力量向新方向拓展

作为项目的负责人，谢良平从2007年立项伊始就担负起项目总体方案设计、技术攻關和项目管理等工作，并陆续联合国内相关研究的优势单位和科研人员进行协同攻关。其中陈平、魏飞、曹阳、崔志超、罗瑞、梁霄、张斌、黄钊、谷林、万洵、孔军、马海全、王刚、周原、寇亮亮、丁阔、宫晓宇、陈琳、赵磊、卫炀、赵海军、张佳全、刘延等人与谢良平在一个课题组，他们共同参与完成了光纤陀螺多物理场耦合误差理论、高精度光纤陀螺技术、微小型光纤陀螺技术的研究工作。除此之外，团队中的其他成员也分别为项目的顺利推进做出了相应贡献，荣伟彬负责了光纤陀螺配套的超细径保偏光纤耦合器、偏振器技术及相关设备的研制工作，唐祖荣负责了光纤陀螺配套的宽温无致冷SLD光源芯片技术的研发工作，隋宁菠负责了光纤陀螺配套的超细径保偏光纤研制工作。

谢良平告诉记者，项目能顺利推进，并取得一系列丰硕成果，离不开团队中每个成员做出的努力，更离不开各主要完成单位的支持。作为项目的第一完成单位，中航捷锐{北京）光电技术有限公司负责了项目成果中产品研发、总装集成、生产组织与产业化的推广等工作，由它支持创立了高精度光纤陀螺光纤环材料匹配设计方法，攻克了光纤陀螺故障检测技术、多极正交精密绕制与极低波长漂移掺铒光纤光源制造工艺技术中的瓶颈，在航空、航海、兵器、航天等国防与民用领域推广应用后，带来了显著的经济和社会效益。

中国航空工业第618研究所，作为第二完成单位，负责了项目成果中的理论研究与工程化技术研制，并支持创立了光纤陀螺热、力、磁多物理场耦合误差理论体系，建立了光纤陀螺消偏光路系统及“波长”和“腔长”控制系统新设计方法，攻克了微小型光纤陀螺设计与制造技术等，推动了光纤陀螺技术升级，为项目的整体推进做出了突出的贡献。此外哈尔滨工业大学、中国电子科技集团公司第四十四研究所、北京一轻研究院作为主要完成单位，也为项目的顺利完成贡献了重要的力量。

谢良平告诉记者，目前，包括航空工业在内的中央企业作为我国国民经济的“顶梁柱”，在许多方面，具有天然的军民融合属性，在基础设施、交通运输、信息通信、机械加工、军事工业、食品、医药、海洋工程等诸多重要行业，都可以亦军亦民，而且都处于领军地位。自军民融合战略提出以来，作为航空618所光纤技术室的主任，谢良平见证了618所在“军转民”方向上的持续发力，也见证了军民融合战略为军民双方所带来的重大利好。2017年10月26日，全球首款大型货运无人机AT-200首飞成功，无人机里的整套飞行导航系统和管理系统的解决方案，全部由618所提供，凭借成本低、易保养、大载荷等特点，未来它将在物流领域大有作为。

中航捷锐（北京）光电技术有限公司成立后，作为公司的副总经理，谢良平将带领团队继续在军用技术的国计民生应用上发挥创造力，让“中国制造”在世界舞台更上一层楼，为改变人们的生活方式继续贡献力量。