來源：海鷹資訊

激光陀螺（RLG）是一種以薩格奈克（Sagnac）效應(yīng)為基礎(chǔ)的光學(xué)陀螺，主要用于運(yùn)動(dòng)載體的角運(yùn)動(dòng)（運(yùn)動(dòng)角速度或轉(zhuǎn)動(dòng)角度）測(cè)量。

1913年，法國(guó)科學(xué)家Sagnac進(jìn)行了環(huán)形光路中外界轉(zhuǎn)動(dòng)引起干涉條紋變化的實(shí)驗(yàn)，并從理論上對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了解釋，提出了著名的Sagnac效應(yīng)：在環(huán)形閉合光路中，從某一觀察點(diǎn)發(fā)出的一對(duì)光波沿相反方向運(yùn)行一周后又回到該點(diǎn)時(shí)，這對(duì)光波的光程（或相位）將由于閉合光路相對(duì)于慣性空間的旋轉(zhuǎn)而不同，其光程差（或相位差）與閉合光路的旋轉(zhuǎn)角速度成正比。

在隨后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，由于沒有合適的相干光源，光學(xué)Sagnac效應(yīng)的研究基本上沒有任何實(shí)用性進(jìn)展。直到1960年，世界上的第一臺(tái)激光器誕生以后，激光陀螺作為激光技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用而成為世界各軍事強(qiáng)國(guó)研究的熱點(diǎn)。

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激光陀螺及其特點(diǎn)

激光陀螺是由腔體（一般采用超低膨脹系數(shù)的微晶玻璃材料）和高質(zhì)量反射鏡構(gòu)成的環(huán)形激光器，腔內(nèi)運(yùn)行的順、逆時(shí)針激光能夠以不同的頻率獨(dú)立振蕩。由于激光諧振條件的要求，Sagnac效應(yīng)產(chǎn)生的光程差轉(zhuǎn)換成了順、逆時(shí)針運(yùn)行激光的頻率差，因此極大地提高了陀螺的響應(yīng)靈敏度。當(dāng)激光陀螺固連在運(yùn)動(dòng)載體上，并相對(duì)于慣性空間以角速度Ω旋轉(zhuǎn)時(shí)，該頻率差為：

，式中為標(biāo)度因數(shù)，它由環(huán)形諧振腔的面積A、環(huán)路長(zhǎng)度L以及激光波長(zhǎng)λ決定。

激光陀螺的原理光路如圖1所示，采用合光棱鏡使其輸出的順、逆時(shí)針激光以微小夾角合并，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后可得到頻率為?v的拍頻信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)載體轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的測(cè)量。

圖1 激光陀螺原理光路

在實(shí)際的激光陀螺中，順、逆時(shí)針激光通過反射鏡的后向散射或環(huán)路中的非均勻損耗發(fā)生耦合，導(dǎo)致陀螺輸入角速度小于某閾值時(shí)，頻率差?v為零，這種現(xiàn)象稱為閉鎖效應(yīng)。為了克服閉鎖效應(yīng)的影響，激光陀螺需要采取偏頻措施，即在兩束光波之間人為引入較大的頻率差，使激光陀螺的工作區(qū)遠(yuǎn)離閉鎖區(qū)域或者減少處于閉鎖區(qū)域的時(shí)間。具體的偏頻方案有機(jī)械抖動(dòng)偏頻、四頻差動(dòng)偏頻、恒轉(zhuǎn)偏頻、磁鏡交變偏頻、縱向塞曼效應(yīng)偏頻等，其中以采用機(jī)械抖動(dòng)偏頻和四頻差動(dòng)偏頻方案的激光陀螺應(yīng)用最為廣泛。

圖2 激光陀螺慣性測(cè)量單元

激光陀螺的一個(gè)環(huán)路對(duì)應(yīng)一個(gè)角速度敏感方向，將三個(gè)激光陀螺和三個(gè)加速度計(jì)正交配置組合構(gòu)成圖2所示的激光陀螺慣性測(cè)量單元（IMU），利用IMU測(cè)量載體運(yùn)動(dòng)的三維角速度和加速度，再通過慣性導(dǎo)航解算得到載體的位置、姿態(tài)等信息。基于激光陀螺的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航與制導(dǎo)、姿態(tài)測(cè)量與控制、定位與定向、穩(wěn)定與瞄準(zhǔn)等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)機(jī)電陀螺儀利用高速轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)子的定向性和進(jìn)動(dòng)性來測(cè)定載體相對(duì)于慣性空間的轉(zhuǎn)速和方位，而正是由于高速轉(zhuǎn)子自身的抗沖擊振動(dòng)能力差、存在加速度效應(yīng)、不能快速啟動(dòng)等固有缺陷，使其在慣性導(dǎo)航中的應(yīng)用受到限制，妨礙其進(jìn)一步的發(fā)展。美國(guó)20世紀(jì)80年代研制的MX“和平衛(wèi)士”洲際導(dǎo)彈上搭載的機(jī)電陀螺儀是世界上精度最高的機(jī)械式陀螺儀，零偏穩(wěn)定性達(dá)到1.5×10-5(o)/h，使該導(dǎo)彈可以在不依賴外部導(dǎo)航信息的情況下，14000km射程的導(dǎo)航偏差小于100 m，然而這套系統(tǒng)體積龐大，成本也極為高昂。因此，在后續(xù)研制“三叉戟”潛射彈道導(dǎo)彈時(shí)就改用了激光陀螺，既降低了系統(tǒng)成本，又大幅度縮減了導(dǎo)航設(shè)備的體積。

圖3 美國(guó)MX洲際導(dǎo)彈的慣性導(dǎo)航艙段與陀螺儀

激光陀螺性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)是零偏穩(wěn)定性、標(biāo)度因數(shù)非線性度和隨機(jī)游走系數(shù)，目前工程實(shí)用的中高精度激光陀螺對(duì)應(yīng)的典型指標(biāo)為：零偏穩(wěn)定性0.01~0.001 (o)/h，標(biāo)度因數(shù)非線性度10~0.1ppm，隨機(jī)游走系數(shù)0.005~0.0005 (o)/h1/2。

與其它種類的陀螺比較，激光陀螺具有以下顯著特點(diǎn)：

1）精度適應(yīng)范圍廣，可滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需要。美國(guó)霍尼韋爾公司GG1389陀螺儀的零偏穩(wěn)定性達(dá)到了1.5×10-4(o)/h，是世界上精度最高的激光陀螺。該公司GG1308陀螺的零偏穩(wěn)定性為5~1 (o)/h，是世界上體積最小的產(chǎn)品化激光陀螺。

2）動(dòng)態(tài)范圍大，動(dòng)態(tài)性能好。激光陀螺可測(cè)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)范圍大于108，從千分之幾度/小時(shí)到超過7200 (o)/s，而且無論轉(zhuǎn)速大小都可以得到線性輸出，測(cè)量偏差小。

3）標(biāo)度因數(shù)的線性度和穩(wěn)定性好，動(dòng)態(tài)環(huán)境誤差小。絕大多數(shù)激光陀螺的腔體采用微晶玻璃材料，其膨脹系數(shù)達(dá)到10-8量級(jí)，光路的面積和長(zhǎng)度非常穩(wěn)定，在工程應(yīng)用中的標(biāo)度因數(shù)非線性度可以做到0.1ppm，而且在高低溫環(huán)境下基本保持恒定，特別能適應(yīng)大溫變惡劣環(huán)境的應(yīng)用需求。

4）抗振動(dòng)、沖擊和溫變環(huán)境能力強(qiáng)。激光陀螺采用一體化結(jié)構(gòu)，沒有活動(dòng)部件，因此可以承受很高的加速度和強(qiáng)烈的振動(dòng)沖擊，耐高低溫環(huán)境能力強(qiáng)。特殊設(shè)計(jì)的GG1308陀螺甚至可以承受超過1×104g的沖擊。

5）角分辨率高。激光陀螺可以分辨角秒甚至亞角秒量級(jí)的精細(xì)角度變化，在角度測(cè)量上可以實(shí)現(xiàn)高精度和高分辨率的動(dòng)態(tài)測(cè)量。

6）性能穩(wěn)定，在工作壽命內(nèi)，儀表可以做到免校準(zhǔn)。

7）快速啟動(dòng)。激光陀螺可做到瞬時(shí)啟動(dòng)，一般不需要預(yù)熱、穩(wěn)定時(shí)間。

8）功耗低、壽命長(zhǎng)、可靠性好和易維護(hù)。激光陀螺存儲(chǔ)壽命可達(dá)20萬小時(shí)以上，平均無故障工作時(shí)間（MTBF）高達(dá)數(shù)萬小時(shí)。

9）既是速率陀螺，也是位置陀螺，使用靈活，應(yīng)用范圍廣。

10）對(duì)加速度不敏感，沒有交叉耦合效應(yīng)。

11）直接數(shù)字輸出，系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單。

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國(guó)外激光陀螺的發(fā)展歷程

激光陀螺的問世要追溯到20世紀(jì)60年代，其發(fā)展過程大體可分為四個(gè)階段。

研究起步階段（1962—1965年）

1960年，自世界上的第一臺(tái)激光器問世以后，人們就提出利用此技術(shù)來實(shí)現(xiàn)光學(xué)陀螺。1961年，美國(guó)科學(xué)家Heer C V在美國(guó)物理學(xué)會(huì)上發(fā)表了世界上第一篇有關(guān)激光陀螺的報(bào)道，介紹了采用測(cè)量環(huán)形激光諧振腔內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)的正反兩束激光之間的頻率

差來感知外界輸入角速率變化的方法。1962年，美、英、法、前蘇聯(lián)幾乎同時(shí)開始醞釀激光陀螺的研制。美國(guó)斯佩里公司于1963年2月研制出世界上第一臺(tái)環(huán)形激光陀螺試驗(yàn)裝置，該裝置的正方形光路邊長(zhǎng)為1m，可測(cè)量旋轉(zhuǎn)速率。

圖4 第一臺(tái)環(huán)形激光陀螺試驗(yàn)裝置

潛心研究與關(guān)鍵技術(shù)突破階段（1965—1975年）

在隨后的研制過程中，激光陀螺的閉鎖效應(yīng)、零偏誤差等給后續(xù)的工程實(shí)用研制帶來了諸多困難，世界各國(guó)均陸續(xù)下馬，只剩下美國(guó)以霍尼韋爾公司為代表的少數(shù)幾家公司和少量科研人員還在繼續(xù)努力，致力于從原理和技術(shù)上進(jìn)行解決。直到1966年，霍尼韋爾公司提出了利用交變機(jī)械抖動(dòng)偏頻法來克服陀螺閉鎖效應(yīng)影響的技術(shù)方案，為激光陀螺的研制指明了方向，才重新在世界上掀起了激光陀螺研制的新一輪熱潮。

霍尼韋爾公司于1972年率先研制出機(jī)械抖動(dòng)偏頻的單軸激光陀螺GG1300。1974年美國(guó)海軍和空軍聯(lián)合制定研究計(jì)劃，1975年在戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)上試飛成功，1976年在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上試驗(yàn)成功，標(biāo)志著激光陀螺從此進(jìn)入實(shí)用階段。

批生產(chǎn)技術(shù)攻關(guān)與實(shí)用階段（1975—1984年）

1978年，霍尼韋爾公司的激光陀螺開始小批量生產(chǎn)。1982年，其研制的ARINC704激光陀螺慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)正式投入民用航線實(shí)用。到1983年9月，已為波音公司提供了216套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，平均無故障工作時(shí)間達(dá)1萬小時(shí)。但在這一段時(shí)間里，批產(chǎn)的激光陀螺也出現(xiàn)了因?yàn)槭褂每煽啃詥栴}而批量召回的現(xiàn)象。

1982年，霍尼韋爾公司開始批量生產(chǎn)GG1342陀螺，并采用該陀螺為美國(guó)海軍研制了第一個(gè)專門用于艦船的高精度激光陀螺導(dǎo)航儀（SLN），并于1984年在海軍導(dǎo)航試驗(yàn)船上試驗(yàn)成功。

1984年，霍尼韋爾公司以H-726型激光陀螺動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)裝置為基礎(chǔ)，采用純捷聯(lián)編排方式，研制出適用于戰(zhàn)車和自行火炮的組件式定位定向系統(tǒng)，1985—1987年在各種戰(zhàn)車和自行火炮上進(jìn)行了試驗(yàn)，1989年被選為美軍的標(biāo)準(zhǔn)地面導(dǎo)航系統(tǒng)。

1977年12月，美國(guó)斯佩里公司在海軍的資助下，以該公司的MK16機(jī)電陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)為基礎(chǔ)改裝研制成MK16 ModⅡ型捷聯(lián)式激光陀螺穩(wěn)定裝置工程樣機(jī)，為艦載火炮控制系統(tǒng)提供艦船的縱、橫搖姿態(tài)數(shù)據(jù)，并于1978年2月在美國(guó)海軍塞勒斯號(hào)（DDG-11）導(dǎo)彈驅(qū)逐艦上進(jìn)行了首次海上試驗(yàn)，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于原有的MK16型機(jī)電陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)。1980年，在MK16 ModⅡ型的基礎(chǔ)上，斯佩里公司增加了一個(gè)方位分度器并對(duì)卡爾曼濾波器作了相應(yīng)修改，研制成功了水面艦艇捷聯(lián)式激光陀螺導(dǎo)航儀，其性能參數(shù)優(yōu)于當(dāng)時(shí)海軍的規(guī)范要求。

1982年，霍尼韋爾公司為美國(guó)海軍研制了第一個(gè)專門用于美國(guó)海軍水面艦艇的高精度激光陀螺導(dǎo)航儀，即SLN艦用激光陀螺導(dǎo)航儀。該系統(tǒng)采用雙軸轉(zhuǎn)位方案，使用霍尼韋爾公司已經(jīng)批量生產(chǎn)的GG1342激光陀螺和森德斯坦數(shù)據(jù)控制公司的Q型撓性加速度計(jì)構(gòu)成慣性測(cè)量組件，1984年在海軍導(dǎo)航試驗(yàn)船上進(jìn)行了試驗(yàn)。同期，羅克韋爾公司研制了RLGN激光陀螺導(dǎo)航儀，其慣性測(cè)量裝置由3個(gè)G16B激光陀螺和1個(gè)MOD ⅦA型三軸加速度計(jì)組成，系統(tǒng)采用單軸旋轉(zhuǎn)方式，慣性組件繞艦船龍骨軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)，于1985年進(jìn)行了海上試驗(yàn)和鑒定。

1982年8月，美國(guó)航空發(fā)展中心與霍尼韋爾公司簽訂了合同價(jià)款共120萬美元的合同，研制攻擊型核潛艇用的三個(gè)高精度GG1389激光陀螺，為進(jìn)一步研制定位精度優(yōu)于0.1 n mile/h的艦艇用激光陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)做準(zhǔn)備。

1984年，利頓公司開始研制激光陀螺船用慣性導(dǎo)航儀，經(jīng)初樣、正樣和試驗(yàn)樣機(jī)階段，于1991年提供了兩套試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和海上試驗(yàn)，1993年定型為AN/WSN-5L，導(dǎo)航定位精度（CEP）為1 n mile/6h，并首先裝備“伯克”級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦（DDG-64）。

大批量生產(chǎn)與拓展應(yīng)用階段（1984年至今）

激光陀螺應(yīng)用初期主要集中于航空與航海領(lǐng)域，但由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，很快就向其它領(lǐng)域拓展，并迅速發(fā)展起來。

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國(guó)外激光陀螺的生產(chǎn)現(xiàn)狀

01

美國(guó)霍尼韋爾公司

霍尼韋爾公司是世界激光陀螺研究的先驅(qū)者，長(zhǎng)期以來一直領(lǐng)跑國(guó)際激光陀螺領(lǐng)域的最新進(jìn)展、最高水平與應(yīng)用研究，也是世界上激光陀螺產(chǎn)量最大、應(yīng)用水平最高的廠家。

霍尼韋爾公司研制的激光陀螺以三角形光路的二頻機(jī)械抖動(dòng)陀螺為主，典型型號(hào)有GG1308、GG1320、GG1328、GG1330、GG1342、GG1389等，其性能可以滿足不同精度慣性系統(tǒng)的要求。

GG1308是小體積、低成本激光陀螺的最典型代表，該陀螺三角形光路的邊長(zhǎng)僅2cm，采用BK-7光學(xué)玻璃（相當(dāng)于中國(guó)的K9玻璃）為腔體，陀螺鏡片和電極采用低熔點(diǎn)玻璃燒結(jié)密封，總體積小于32.8cm3，質(zhì)量為60g，每支售價(jià)僅為1000美元，零偏穩(wěn)定性為5~1 (o)/h。采用該陀螺的慣導(dǎo)系統(tǒng)型號(hào)主要有HGl500 IMU和HGl700 IMU（包含3個(gè)GG1308陀螺和3個(gè)RBA-500石英振梁加速度計(jì)）兩種，主要用于美軍JDAM聯(lián)合直接攻擊炸彈和制導(dǎo)多管火箭發(fā)射系統(tǒng)等裝備，是霍尼韋爾公司乃至全世界產(chǎn)量最大的激光陀螺。

圖5 霍尼韋爾公司HG1700 IMU及其內(nèi)部的三個(gè)GG1308陀螺

圖6 霍尼韋爾公司的GG1320陀螺

霍尼韋爾公司另一種低成本陀螺為GG1320，前期產(chǎn)品的零偏穩(wěn)定性為0.1~0.03 (o)/h。2007年初，霍尼韋爾公司發(fā)布了該型陀螺的升級(jí)產(chǎn)品：軍用數(shù)字激光陀螺GG1320AN（零偏穩(wěn)定性0.003 5 (o)/h）和民用數(shù)字激光陀螺GG1320AN01（零偏穩(wěn)定性0.04~0.01 (o)/h），這兩種產(chǎn)品都是將配套電路系統(tǒng)和陀螺封裝成簡(jiǎn)單易用的獨(dú)立單元，提供數(shù)字化的I/O單元?；裟犴f爾公司應(yīng)用于航天領(lǐng)域的導(dǎo)航級(jí)HG9848 IMU和代表激光陀螺慣性器件最新發(fā)展水平的HG9900 IMU均采用GG1320AN陀螺作為姿態(tài)測(cè)量傳感器，該型陀螺在全世界激光陀螺產(chǎn)品序列中可稱得上是低成本、高性能的典范。

02

美國(guó)利頓公司（已被諾格公司并購(gòu)）

利頓公司研制的激光陀螺以正方形光路的機(jī)抖陀螺和異面腔四頻差動(dòng)陀螺為主。

早期，利頓公司采用機(jī)械抖動(dòng)偏頻方案研制的激光陀螺產(chǎn)品主要有LG2717（零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.05 (°)/h）和LG8028（零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.01 (°)/h），分別應(yīng)用于航空導(dǎo)航系統(tǒng)和中高精度導(dǎo)航系統(tǒng)。

圖7 利頓公司LG8028激光陀螺慣性組合體和ZLG激光陀螺

1985年，利頓公司購(gòu)買了雷錫恩公司異面腔四頻差動(dòng)激光陀螺的專利，開始了該陀螺的批生產(chǎn)研發(fā)，突破關(guān)鍵技術(shù)后于1991年正式開始批產(chǎn)（注冊(cè)商標(biāo)為Zero-Lock? Laser Gyro，簡(jiǎn)稱ZLG），該陀螺以較小的尺寸獲得了優(yōu)于0.01 (o)/h的精度，在各項(xiàng)指標(biāo)上能與同等尺寸的機(jī)抖陀螺相媲美。利頓公司公開報(bào)道的ZLG有五種，其中三種為單軸陀螺（腔長(zhǎng)分別為18.4cm、25cm和40cm），另兩種為空間三軸陀螺（腔長(zhǎng)分別為11cm和9cm），其產(chǎn)品中以腔長(zhǎng)18.4cm、型號(hào)為S18-4的單軸ZLG應(yīng)用最為廣泛，大批量生產(chǎn)的LN 100系列、LN 120G和LTN 101慣導(dǎo)系統(tǒng)都采用了該陀螺。

目前，ZLG以其全固態(tài)、無抖動(dòng)部件的“安靜型”特有優(yōu)勢(shì)在航空、航天、導(dǎo)彈、偵察等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，并可為輕型和中型運(yùn)載器發(fā)射提供導(dǎo)航和制導(dǎo)功能，如引導(dǎo)空間載荷進(jìn)入低地軌道、地球同步軌道、從軌道返回地面等。LN 100S被用在美國(guó)新一代導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的預(yù)警衛(wèi)星中，據(jù)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人稱該組件是“當(dāng)今世界上唯一能夠滿足天基紅外系統(tǒng)要求的激光陀螺系統(tǒng)”。LN 120G是恒星/慣性/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，2007年用于升級(jí)RC-135電子偵察機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)。

03

美國(guó)Singer’s Kearfott公司

為滿足小型衛(wèi)星和航天器的需要，該公司在其原有三角形光路機(jī)抖陀螺的基礎(chǔ)上，主要研制了兩種三軸激光陀螺儀T16（用于KN-5051慣導(dǎo)系統(tǒng)，0.8n mile/h）和T22（用于N-5053慣導(dǎo)系統(tǒng)），主要用于戰(zhàn)術(shù)武器。

圖8 Kearfott公司T22和T16空間三軸陀螺

04

法國(guó)Sextant公司

Sextant公司從1972年開始激光陀螺研究，相關(guān)產(chǎn)品于1979年成功應(yīng)用于“美洲虎”直升機(jī)。1981年，該公司研制的33 cm光路激光陀螺（Single33）在ANS超聲速導(dǎo)彈項(xiàng)目中標(biāo)，1983年初開始為歐洲的“阿利亞娜”Ⅳ型運(yùn)載火箭研制使用該陀螺的“Quasar”激光陀螺捷聯(lián)慣性制導(dǎo)裝置，并于1988年6月15日成功用于火箭發(fā)射，這也是世界上運(yùn)載火箭發(fā)射中首次采用激光陀螺慣性系統(tǒng)。

該公司的Pixyz14型（零偏穩(wěn)定性10~0.1 (°)/h）和Pixyz22型（零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.01 (°)/h）激光陀螺是兩種共用反射鏡的一體化空間三軸陀螺，前者主要適用于飛機(jī)、直升機(jī)以及戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、反艦導(dǎo)彈、戰(zhàn)術(shù)反導(dǎo)等的中段制導(dǎo)和控制系統(tǒng)，后者主要用于中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和陸基系統(tǒng)的中高精度慣性組合。

圖9 Sextant公司Single33激光陀螺和空間三軸激光陀螺

05

法國(guó)薩基姆公司

薩基姆公司從1977年開始涉足激光陀螺領(lǐng)域，目前是歐洲最大的激光陀螺生產(chǎn)廠家。該公司生產(chǎn)的第一種激光陀螺是GLS-32機(jī)抖陀螺，主要用于航空及潛艇的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，采用該陀螺的西格瑪40慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度為0.8 n mile/8h（或1.5n mile/24h）；GLC-l6型陀螺（零偏穩(wěn)定性0.01(°)/h）是一種方形光路的機(jī)抖陀螺，主要用于直升機(jī)、小型運(yùn)載火箭和陸用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)；GLC-8型陀螺腔長(zhǎng)僅為8cm，零偏穩(wěn)定性10~0.1(°)/h，主要用于射程60~100km的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈。

圖10 薩基姆公司GLS-32型和GLC-l6型激光陀螺

06

俄羅斯和烏克蘭

俄羅斯Polyus研究所和電子光學(xué)公司（Electrooptika Corp）、烏克蘭阿森納工廠（Arsenal factory）等是前蘇聯(lián)研制生產(chǎn)激光陀螺的主要機(jī)構(gòu)，主要產(chǎn)品有機(jī)械抖動(dòng)偏頻的全反棱鏡式陀螺、仿利頓公司LG8028型激光陀螺、空間三軸陀螺、ZLK系列塞曼效應(yīng)偏頻激光陀螺、法拉第恒定偏頻激光陀螺等，零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.01(°)/h。

圖11 俄羅斯二頻機(jī)抖陀螺慣性組合體

圖12 日本JAE公司激光陀螺

07

日本

1978年，日本宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)（NASDA）、國(guó)家宇航實(shí)驗(yàn)室和日本航空電子工業(yè)有限公司（JAE）開始聯(lián)合從事激光陀螺研發(fā)。1985年，NASDA和JAE采用兩家聯(lián)合研制的34cm光路激光陀螺開始為日本的H-Ⅱ型運(yùn)載火箭研制激光陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。1994年2月、8月和1995年3月，日本H-Ⅱ型運(yùn)載火箭先后發(fā)射成功。目前，激光陀螺系統(tǒng)已徹底取代了原來使用的動(dòng)力調(diào)諧陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)。

除以上國(guó)家和公司以外，以色列航空工業(yè)有限公司（IAI）也具有一定的激光陀螺研發(fā)與批產(chǎn)能力。據(jù)印度媒體報(bào)道，印度自行研制的激光陀螺已應(yīng)用于Agni“烈火”系列彈道導(dǎo)彈和Shaurya“太陽(yáng)”中短程彈道導(dǎo)彈。

4

國(guó)外激光陀螺應(yīng)用情況

與衛(wèi)星導(dǎo)航、天文導(dǎo)航等手段相比，慣性導(dǎo)航與姿態(tài)測(cè)控技術(shù)不依賴于外部信息，是各種運(yùn)載平臺(tái)和機(jī)動(dòng)裝備導(dǎo)航定位、制導(dǎo)控制、穩(wěn)瞄穩(wěn)向、姿態(tài)測(cè)量和過載傳感的核心技術(shù)，是唯一同時(shí)具有自主、實(shí)時(shí)、連續(xù)、隱蔽、不受干擾，無時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境限制的運(yùn)動(dòng)信息感知技術(shù)，不僅是海、陸、空、天各領(lǐng)域遠(yuǎn)程攻擊和精確打擊武器的核心信息源，而且在民用航空、石油勘探、煤礦采掘、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域也有廣泛的用途。

作為慣性導(dǎo)航與姿態(tài)測(cè)控系統(tǒng)的核心器件，陀螺主要用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)載體相對(duì)于慣性空間的角運(yùn)動(dòng)，其性能差異直接決定系統(tǒng)精度。與傳統(tǒng)的機(jī)電陀螺相比，激光陀螺具有精度高、動(dòng)態(tài)范圍大、瞬時(shí)啟動(dòng)、耐沖擊振動(dòng)能力強(qiáng)、可靠性高、直接數(shù)字輸出等一系列優(yōu)點(diǎn)，被稱為捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航/制導(dǎo)系統(tǒng)的理想部件，目前已在越來越多的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

航海領(lǐng)域

陀螺儀最早就是用作海洋航行的關(guān)鍵導(dǎo)航儀器，各種艦船廣泛應(yīng)用的陀螺羅經(jīng)（羅盤），就是一種能自動(dòng)尋北的導(dǎo)航儀器，它不僅可為艦船提供位置、姿態(tài)、速度等數(shù)據(jù)用于導(dǎo)航和航向基準(zhǔn)確定，而且能為艦船的火炮控制、導(dǎo)彈和魚雷發(fā)射等提供武器系統(tǒng)方位基準(zhǔn)，同時(shí)還能通過實(shí)時(shí)測(cè)量艦船的橫搖和縱搖并反饋控制，為艦船的武器發(fā)射系統(tǒng)提供穩(wěn)定平臺(tái)。

目前，各國(guó)生產(chǎn)的各類中高精度激光陀螺已廣泛應(yīng)用于各種航海慣導(dǎo)系統(tǒng)與姿態(tài)控制系統(tǒng)，如斯佩里公司MK39/49系列激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)、霍尼韋爾公司的SLN艦用激光陀螺導(dǎo)航儀、羅克韋爾公司的RLGN、美國(guó)諾格公司的PL41 MK4 Mod1（1n mile/8h）以及法國(guó)薩基姆公司的西格瑪40系列激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)等。其中，薩基姆公司的西格瑪40系列激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)已應(yīng)用于“凱旋”、“梭魚”、“紅寶石”和AIP潛艇、“戴高樂”號(hào)航母、阿聯(lián)酋的阿布扎比級(jí)反潛護(hù)衛(wèi)艦等。

在激光陀螺的航海應(yīng)用上，美國(guó)斯佩里公司的成就尤其令人矚目。20世紀(jì)80年代末期，北大西洋公約組織專門成立了NATO-SINS計(jì)劃辦公室，為北約組織成員國(guó)選擇廠家研制并提供艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。該項(xiàng)目最終由美國(guó)斯佩里公司和霍尼韋爾公司聯(lián)合承擔(dān)，使用了霍尼韋爾公司3個(gè)GG1342激光陀螺和森德斯坦數(shù)據(jù)控制公司3個(gè)QA-2000石英撓性加速度計(jì)。系統(tǒng)采用雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制方案，外形尺寸為495mm×541mm ×1707mm，質(zhì)量317.5kg，對(duì)準(zhǔn)時(shí)間4h，早期產(chǎn)品的導(dǎo)航定位精度(CEP)為1n mile/24h，后據(jù)20世紀(jì)90年代初報(bào)道，該系統(tǒng)可達(dá)到0.39 n mile/30h的定位精度。從1993年起，斯佩里公司開始向荷蘭、西班牙、英國(guó)、澳大利亞等國(guó)提供產(chǎn)品，是北約國(guó)家艦船和潛艇的標(biāo)準(zhǔn)艦用導(dǎo)航設(shè)備。該系統(tǒng)被北約組織稱為船用環(huán)形激光陀螺慣性導(dǎo)航儀（MARLIN），而斯佩里公司則沿襲了公司的順序排號(hào)，稱其為MK49 Mod0型。

圖13 西格瑪40XP和PL41 MK4 Mod1激光陀螺航海慣導(dǎo)系統(tǒng)

MK49系統(tǒng)經(jīng)進(jìn)一步改進(jìn)后，于1995年被美國(guó)海軍列裝應(yīng)用，其標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)為AN/WSN-7A。WSN-7A系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與MK49系統(tǒng)類似，但技術(shù)更先進(jìn)，可靠性更高，成本更低，體積也更小。該系統(tǒng)導(dǎo)航精度可以達(dá)到1n mile/14天，超出了除靜電陀螺系統(tǒng)以外的所有其它類型慣導(dǎo)系統(tǒng)，被美國(guó)譽(yù)為“世界上精度最高、最先進(jìn)的光學(xué)陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)”。WSN-7A系統(tǒng)已經(jīng)替代了一部分達(dá)到服役期限的靜電陀螺系統(tǒng)，成為美軍水面艦艇和攻擊型核潛艇（包括SSGN俄亥俄級(jí)巡航導(dǎo)彈核潛艇）的新一代慣導(dǎo)系統(tǒng)，只有戰(zhàn)略導(dǎo)彈核潛艇仍在使用靜電陀螺系統(tǒng)。由于軍事技術(shù)保密的需要，WSN-7A只裝備美國(guó)海軍，嚴(yán)格禁止向其它國(guó)家出售。

圖14 MK49雙軸旋轉(zhuǎn)激光陀螺

慣導(dǎo)系統(tǒng)IMU

圖15 MK39 Mod3A系統(tǒng)

從20世紀(jì)90年代初期，斯佩里公司推出了MK39系列激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)。其中，MK39 Mod3A系統(tǒng)采用捷聯(lián)方案，使用霍尼韋爾公司的3個(gè)DIG-20激光陀螺和QA-2000石英撓性加速度計(jì)，對(duì)準(zhǔn)時(shí)間4h，導(dǎo)航定位精度1 n mile/8h。MK39 Mod3C系統(tǒng)采用單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制方案，對(duì)準(zhǔn)時(shí)間16h，導(dǎo)航定位精度提高到了1 n mile/24h。該系統(tǒng)已被美國(guó)海上補(bǔ)給司令部、海岸警備隊(duì)和超過24個(gè)國(guó)家的海軍選用，主要用于為艦艇平臺(tái)和火控系統(tǒng)提供位置、姿態(tài)、速度和方向數(shù)據(jù)。在MK39 Mod3C基礎(chǔ)上發(fā)展而來的AN/WSN-7B單軸旋轉(zhuǎn)激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)改用了霍尼韋爾公司的3個(gè)GG1320激光陀螺，依舊采用QA-2000石英撓性加速度計(jì)，是MK39 Mod3C系統(tǒng)的美軍自用型，該系統(tǒng)是美國(guó)海軍全部水面艦船和潛艇的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航裝備，早在2001年就已經(jīng)完成了全部航母的換裝工作。

航空領(lǐng)域

在航空上，除了慣性制導(dǎo)以外，慣性系統(tǒng)還可以用來測(cè)量飛機(jī)的姿態(tài)角（俯仰角、橫滾角、航向角）和角速度，以它為核心構(gòu)成的慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)航向姿態(tài)系統(tǒng)可以為飛機(jī)提供姿態(tài)、航向、速度和位置等導(dǎo)航所需的所有參量，也是飛機(jī)姿態(tài)和航向的測(cè)量中心，可以為飛機(jī)自動(dòng)駕駛和自動(dòng)穩(wěn)定提供實(shí)時(shí)信息。

圖16 AN/WSN-7B單軸旋轉(zhuǎn)激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)

圖17 AN/WSN-7系列船用激光陀螺旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)展圖

激光陀螺的快速啟動(dòng)特性決定了它特別適用于軍用飛行器的慣性制導(dǎo)，可以充分滿足戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境下各類機(jī)型快速反應(yīng)的需要。從公開的文獻(xiàn)報(bào)道中可以看到，西方發(fā)達(dá)國(guó)家空軍的現(xiàn)役裝備大量采用了各種激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)，表1列出了典型軍用機(jī)載激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)和應(yīng)用裝備。

表1 典型軍用機(jī)載激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)和應(yīng)用裝備

圖18 H-423激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)及其慣性傳感器組件（采用GG1342陀螺）

除表中型號(hào)以外，F(xiàn)-15“鷹”戰(zhàn)斗機(jī)、B-1“槍騎兵”戰(zhàn)略轟炸機(jī)、AH-1W“超級(jí)眼鏡蛇”系列武裝直升機(jī)、SH-60“海鷹”系列直升機(jī)、KC-135空中加油機(jī)、RC-135“鉚接”電子偵察機(jī)、MC-130E/H“戰(zhàn)爪”特種作戰(zhàn)飛機(jī)、EF-111A“渡鴉”電子戰(zhàn)飛機(jī)、“灰鷹”無人機(jī)、俄羅斯的Su30MKI戰(zhàn)斗機(jī)、印度的LCA“光輝”戰(zhàn)斗機(jī)等也都采用了激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)。

圖19 LN 100激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)及其慣性傳感器組件（采用ZLG陀螺）

民用航空主要依賴地面和衛(wèi)星導(dǎo)航，機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)只是輔助導(dǎo)航手段，主要用于飛機(jī)的航姿測(cè)量以滿足自動(dòng)駕駛、起飛和降落的操控，更關(guān)注的是慣導(dǎo)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性（低壽命周期成本）和可靠性?；诩す馔勇輵T導(dǎo)系統(tǒng)可靠性高、壽命長(zhǎng)、易維護(hù)的特點(diǎn)，也使其在民用航空領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。表2列出了典型民用機(jī)載激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)及其主要應(yīng)用機(jī)型，波音B737和空客A300以后幾乎所有型號(hào)的大中型民航客機(jī)都采用了激光陀螺慣性導(dǎo)航與管理系統(tǒng)。

表2 典型民用機(jī)載激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)及其應(yīng)用機(jī)型

陸用領(lǐng)域

在陸用領(lǐng)域，慣性系統(tǒng)主要應(yīng)用于陸用慣導(dǎo)系統(tǒng)、定位定向系統(tǒng)和陸用武器平臺(tái)的姿態(tài)測(cè)量與反饋控制，用于各種主戰(zhàn)坦克、火炮、火箭炮、防空系統(tǒng)和衛(wèi)星跟蹤站的瞄準(zhǔn)與定向，以及為裝甲車、前線觀察車和炮瞄雷達(dá)車等提供三維組合導(dǎo)航和姿態(tài)基準(zhǔn)。與其它陸用慣導(dǎo)系統(tǒng)相比，激光陀螺的可靠性更好，抗沖擊、振動(dòng)、大范圍溫變的能力更強(qiáng)，可以滿足野外復(fù)雜地形和惡劣環(huán)境的應(yīng)用需求；在相同的精度下系統(tǒng)的尺寸可以做得更小，而且啟動(dòng)時(shí)間短，可維護(hù)性好；還可以與里程計(jì)等進(jìn)行組合導(dǎo)航，進(jìn)一步提高精度，裝備的適用性好。

目前，西方發(fā)達(dá)國(guó)家陸用裝備使用的激光陀螺慣性系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。美國(guó)霍尼韋爾公司的H-726型地面導(dǎo)航系統(tǒng)，法國(guó)薩基姆公司的西格瑪30、ORION陸用導(dǎo)航系統(tǒng)等均采用激光陀螺作為核心的姿態(tài)敏感元件，屬于陸用武器裝備的標(biāo)準(zhǔn)慣性系統(tǒng)。已廣泛應(yīng)用于美軍的“帕拉丁”自行榴彈炮、“布雷德利”戰(zhàn)車、M270火箭炮、“悍馬”測(cè)地車、輪式步戰(zhàn)車、各種精密測(cè)量偵察車等裝備。法國(guó)的凱撒155mm火炮、瑞典的FH-77B型牽引榴彈炮和以色列的M109式自行榴彈炮也都采用了激光陀螺系統(tǒng)。

圖20 LTN 101激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)（采用ZLG陀螺）

圖21 西格瑪30和H-726型陸用激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)

彈用領(lǐng)域

在各種近、中程戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和部分遠(yuǎn)程戰(zhàn)略導(dǎo)彈中，廣泛采用激光陀螺來測(cè)量導(dǎo)彈的俯仰角、橫滾角和偏航角，進(jìn)行導(dǎo)航控制或提供彈體的姿態(tài)信息。

在該領(lǐng)域，各種不同精度的激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)已在數(shù)十種應(yīng)用裝備中得到了廣泛應(yīng)用，其中包括：美國(guó)公路機(jī)動(dòng)型“侏儒”洲際彈道導(dǎo)彈、“三叉戟”Ⅰ型和Ⅱ型潛射彈道導(dǎo)彈、“戰(zhàn)斧”系列巡航導(dǎo)彈（Block Ⅱ和Block Ⅲ采用諾格公司的LN-100G激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，Block Ⅳ采用霍尼韋爾公司的HG9848激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)）、AGM-86戰(zhàn)略空射巡航彈、ASM-135“阿薩特”反衛(wèi)星導(dǎo)彈、AGM-65戰(zhàn)術(shù)空地導(dǎo)彈、AGM-88“哈姆”高速反輻射導(dǎo)彈、AIM-120中/遠(yuǎn)距空空彈、JDAM聯(lián)合直接攻擊彈藥等，歐洲最新的KEPD350型巡航導(dǎo)彈、法國(guó)的ANS超聲速反艦導(dǎo)彈也使用了激光陀螺系統(tǒng)。

JDAM聯(lián)合直接攻擊彈藥采用了霍尼韋爾公司的HGl700慣性組合單元，內(nèi)含三個(gè)GG1308陀螺和加速度計(jì)，該陀螺精度不高，但體積小、質(zhì)量輕，三角形光路的邊長(zhǎng)只有兩厘米，而且價(jià)格非常便宜，因此在很多精度要求不高但對(duì)體積限制比較苛刻的場(chǎng)合得到了大量應(yīng)用。

圖22 HGl700慣性組合單元內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)

航天領(lǐng)域

在該領(lǐng)域，慣導(dǎo)系統(tǒng)主要用于運(yùn)載火箭和飛船的慣性制導(dǎo)，以及衛(wèi)星、飛船等航天飛行器的姿態(tài)測(cè)量與控制。在滿足導(dǎo)航定位精度和可靠性的前提下，還需要從體積、質(zhì)量、功耗等各個(gè)方面減輕運(yùn)載火箭和航天飛行器的負(fù)擔(dān)，特別是在衛(wèi)星應(yīng)用上，還有長(zhǎng)壽命和免維護(hù)要求。

自從1988年激光陀螺首次成功應(yīng)用于運(yùn)載火箭發(fā)射以來，多種激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)已在“阿利亞娜”Ⅳ型和Ⅴ型運(yùn)載火箭、日本的H-Ⅱ型運(yùn)載火箭等得到了廣泛應(yīng)用。在美國(guó)新一代導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的預(yù)警衛(wèi)星上，利頓公司的異面腔四頻差動(dòng)陀螺被用于衛(wèi)星紅外掃描傳感器和輔助凝視傳感器的穩(wěn)定系統(tǒng)。在對(duì)地定向的衛(wèi)星中，激光陀螺被用來測(cè)量衛(wèi)星的俯仰角和橫滾角，以穩(wěn)定衛(wèi)星的運(yùn)行姿態(tài)。在對(duì)地成像偵察衛(wèi)星中，激光陀螺可以適時(shí)監(jiān)測(cè)成像系統(tǒng)和衛(wèi)星的微振動(dòng)狀態(tài)，其振動(dòng)參數(shù)和圖像同時(shí)發(fā)送回地面，可以通過后期處理進(jìn)一步提高圖像分辨率。

其它領(lǐng)域

激光陀螺可以為望遠(yuǎn)鏡和衛(wèi)星通訊天線的瞄準(zhǔn)與跟蹤控制提供角坐標(biāo)參數(shù)，用于對(duì)望遠(yuǎn)鏡和天線進(jìn)行姿態(tài)控制以便實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo)，精度可達(dá)亞角秒量級(jí)。

基于角分辨率高的特點(diǎn)，激光陀螺可以實(shí)現(xiàn)高精度、高分辨率動(dòng)態(tài)測(cè)角，可用于光學(xué)多面體和光學(xué)編碼器的校準(zhǔn)、旋轉(zhuǎn)體的外部角度測(cè)量，還可以在艦船或其他載體的不同位置設(shè)置多套測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大型水面艦船或載體的細(xì)微形變測(cè)量。

在航天測(cè)量船上，激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)可以為船上的各種測(cè)控雷達(dá)提供高精度的船姿船位信息，用于運(yùn)載火箭和衛(wèi)星等空間飛行器的精確跟蹤和定軌，完成航天測(cè)控任務(wù)。

激光陀螺慣性測(cè)量單元還在很多需要對(duì)載體的姿態(tài)進(jìn)行精確測(cè)量與控制的場(chǎng)合得到成功應(yīng)用，美國(guó)波士頓動(dòng)力公司的BigDog“大狗”機(jī)器人和雙足輪式機(jī)器人“Handle”都采用了激光陀螺姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人三維姿態(tài)的適時(shí)精確測(cè)量以達(dá)到操控軀體運(yùn)動(dòng)平衡的目的。

激光陀螺慣性測(cè)量單元還可用于深水探測(cè)器的自動(dòng)操控，長(zhǎng)距離隧道、地鐵、石油鉆探與煤礦采掘的定向挖掘控制，地震的分析與探測(cè)等。采用超大激光陀螺（如新西蘭和德國(guó)聯(lián)合研制的UG-2型超大激光陀螺，其環(huán)路面積達(dá)834m2)還可以觀察微小的地震效應(yīng)和固體地面潮汐效應(yīng)，并有望用于測(cè)量引力波等幾種相對(duì)論效應(yīng)，用于基礎(chǔ)物理研究等領(lǐng)域。

結(jié)束語

回顧歷史，激光陀螺以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在軍事、民用和科研等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，雖然目前隨著慣性技術(shù)及其新器件的發(fā)展開始面臨光纖陀螺、微機(jī)電陀螺、新型原子陀螺等的競(jìng)爭(zhēng)，但在海、陸、空、天各應(yīng)用領(lǐng)域中，激光陀螺仍有廣闊的市場(chǎng)，特別是借助多傳感器信息融合的組合導(dǎo)航、零速修正和旋轉(zhuǎn)調(diào)制等技術(shù)，可以大幅度提高激光陀螺慣性系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度，在中高精度應(yīng)用領(lǐng)域仍然占據(jù)了不可替代的地位。

注：本文數(shù)據(jù)與材料基于本單位長(zhǎng)期從事激光陀螺技術(shù)及其應(yīng)用研究的資料積累，由于資料來源的渠道各異，部分?jǐn)?shù)據(jù)和時(shí)間節(jié)點(diǎn)無法逐一核實(shí)，僅供同行專家參考，并希望得到大家的指正與修訂。

本文刊自《國(guó)外慣性技術(shù)信息》2017年第4期

作者：國(guó)防科技大學(xué) 張斌、羅暉、袁保倫、汪之國(guó)

角速度傳感器（陀螺儀）的應(yīng)用場(chǎng)景

來源：傳感器技術(shù)

前文我們大致了解陀螺儀的來歷，原理和種類，那么，它與我們的日常生活有怎樣的關(guān)系呢？

陀螺儀器最早是用于航海導(dǎo)航，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它在航空和航天事業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)用。陀螺儀器不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)敏感元件，即可作為信號(hào)傳感器。

根據(jù)需要，陀螺儀器能提供準(zhǔn)確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號(hào)，以便駕駛員或用自動(dòng)導(dǎo)航儀來控制飛機(jī)、艦船或航天飛機(jī)等航行體按一定的航線飛行，而在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運(yùn)載器或空間探測(cè)火箭等航行體的制導(dǎo)中，則直接利用這些信號(hào)完成航行體的姿態(tài)控制和軌道控制。

作為穩(wěn)定器，陀螺儀器能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風(fēng)浪中的搖擺，能使安裝在飛機(jī)或衛(wèi)星上的照相機(jī)相對(duì)地面穩(wěn)定等等。作為精密測(cè)試儀器，陀螺儀器能夠?yàn)榈孛嬖O(shè)施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導(dǎo)彈發(fā)射井等提供準(zhǔn)確的方位基準(zhǔn)。

陀螺儀器的應(yīng)用范圍是相當(dāng)廣泛的，它在現(xiàn)代化的國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中均占重要的地位。

陀螺儀在航空飛行領(lǐng)域的應(yīng)用

由于各種電子設(shè)備和電腦控制的高科技發(fā)展，各種現(xiàn)代飛機(jī)的設(shè)計(jì)大多數(shù)都是靜不穩(wěn)定的，必須利用電子設(shè)備和電腦來輔助控制來使飛機(jī)取得良好的飛行控制。

這種飛機(jī)單純依靠飛行員手指來控制難度會(huì)加大。飛機(jī)雖然仍能飛行，但是會(huì)出現(xiàn)不同程度的搖晃不定，總是處于一種不穩(wěn)定的飛行狀態(tài)。有時(shí)重心設(shè)定的不太準(zhǔn)確，稍微有差別，也會(huì)使飛機(jī)飛行不太穩(wěn)定。

空中有各種亂流，也會(huì)使飛機(jī)飛行不夠穩(wěn)定，這時(shí)就使用陀螺儀增穩(wěn)，飛機(jī)就會(huì)一直平穩(wěn)的飛行，讓飛行員感覺更容易操控飛機(jī)，做出各種動(dòng)作也更加標(biāo)準(zhǔn)。

陀螺儀讓飛行員感覺最明顯的是降落的時(shí)候，而最需要陀螺儀幫助的也是飛機(jī)的降落。因?yàn)榻德涞娘w機(jī)由于速度較慢，臨近失速點(diǎn)，這時(shí)更容易受風(fēng)的影響而導(dǎo)致機(jī)翼上下晃動(dòng)，這時(shí)就要不斷的用手指去調(diào)整飛機(jī)姿態(tài)使其保持水平不變而逐步下降高度，很多新手飛行員有時(shí)修正過多，飛機(jī)就會(huì)產(chǎn)生更大的晃動(dòng)，很容易進(jìn)入失速而導(dǎo)致降落失敗。

但是如果將陀螺儀打開增穩(wěn)狀態(tài)，由于陀螺儀的傳感器非常敏感，機(jī)翼稍微有輕微下壓，陀螺儀立即發(fā)出指令讓打副翼讓飛機(jī)回平，這個(gè)過程發(fā)生的很快，以至于你都可能看不到機(jī)翼下壓就已經(jīng)被陀螺儀修正了。所以你將會(huì)看到飛機(jī)總是非常平穩(wěn)的保持水平不變而逐步下降高度，對(duì)飛行員有很大的幫助。

對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)飛行員來說，陀螺儀的鎖定功能將會(huì)大大的增加飛行樂趣。比如在戰(zhàn)機(jī)超低空倒飛通場(chǎng)情況下，飛機(jī)性能較好或者調(diào)整得當(dāng)時(shí)，通常在正飛狀態(tài)下，即使不動(dòng)升降舵飛機(jī)也能保持正飛。但是飛機(jī)倒飛時(shí)通常要稍微推升降舵才能保持倒飛，如果不是技術(shù)極其高超，手指很難保持推舵的舵量不變使飛機(jī)在倒飛狀態(tài)下保持飛機(jī)一直在同一直線倒飛。

這就是為什么大多數(shù)人敢做超低空正飛通常而不敢做超低空倒飛通場(chǎng)，或者正飛通場(chǎng)敢做的很低而倒飛通常不敢做的很低，因?yàn)檎w的時(shí)候手指可以不動(dòng)升降舵飛機(jī)都能保持直線飛行，而倒飛的時(shí)候手指要一直推著舵面，飛機(jī)速度快且高度低，手指稍微移動(dòng)就可能觸地炸雞。這是使用陀螺儀的鎖定狀態(tài)，就變得非常容易了。

因?yàn)樵诘癸w狀態(tài)下，陀螺儀會(huì)自動(dòng)鎖定倒飛的姿態(tài)，升降舵操縱桿回中不動(dòng)，陀螺儀都會(huì)自動(dòng)將飛機(jī)一直保持直線倒飛狀態(tài)，而不用擔(dān)心手指推舵的舵量是否準(zhǔn)確。那么你就可以放心的在跑道遠(yuǎn)端操控飛機(jī)進(jìn)入超低空倒飛通場(chǎng)狀態(tài)，然后可以不用怎么操控，飛機(jī)也能一直保持超低空倒飛通場(chǎng)了。

陀螺儀在車載導(dǎo)航設(shè)備中的應(yīng)用

車載導(dǎo)航是通過接受GPS衛(wèi)星信號(hào)定位成功后，確定目標(biāo)再根據(jù)導(dǎo)航軟件自帶數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)劃路線，然后進(jìn)行導(dǎo)航。因?yàn)镚PS需要車載導(dǎo)航系統(tǒng)在同步衛(wèi)星的直接視線之內(nèi)才能工作，所以隧道、橋梁、或是高層建筑物都會(huì)擋住這直接視線，使得導(dǎo)航系統(tǒng)無法工作。

再者，導(dǎo)航系統(tǒng)是利用三角、幾何的法則來計(jì)算汽車位置的，所以汽車至少要同時(shí)在三個(gè)同步衛(wèi)星的視線之下，才能確定位置。在導(dǎo)航系統(tǒng)直接視線范圍內(nèi)的同步衛(wèi)星越多，定位就越準(zhǔn)確。

當(dāng)然，大多數(shù)的同步衛(wèi)星都是在人口密集的大都市的上空，所以當(dāng)你遠(yuǎn)離城區(qū)時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)的效果就不會(huì)太好了甚至根本就不能工作。這就是所謂的“導(dǎo)航盲區(qū)”。

針對(duì)這個(gè)問題，有導(dǎo)航廠商尋找到了解決之道，而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航的奧妙在于一個(gè)小東西——陀螺儀。

當(dāng)陀螺儀應(yīng)用到車載導(dǎo)航上，便大幅度提升了導(dǎo)航的精準(zhǔn)度，它的作用體現(xiàn)在：

1、陀螺儀能在GPS信號(hào)不好時(shí)能繼續(xù)發(fā)揮導(dǎo)航的作用并修正GPS定位不準(zhǔn)的問題

在GPS信號(hào)不好時(shí)，陀螺儀可根據(jù)已獲知的方位、方向和速度來繼續(xù)進(jìn)行精確導(dǎo)航，這也是慣性導(dǎo)航技術(shù)的基本原理。同時(shí)也可修正GPS信號(hào)不好時(shí)定位偏差過大的問題。

2、陀螺儀能比GPS提供更靈敏準(zhǔn)確的方向和速度

GPS是無法即時(shí)發(fā)現(xiàn)車子速度和方向的改變的，要等跑了一段距離之后才能測(cè)出，因此當(dāng)你車子在非導(dǎo)航情況下轉(zhuǎn)變了方向后，就會(huì)出現(xiàn)小陳那樣的狀況，導(dǎo)航就無法辨識(shí)你車子的轉(zhuǎn)向，結(jié)果把方向?qū)уe(cuò)了。而陀螺儀能夠在方向和速度改變的瞬間即時(shí)測(cè)出，從而能讓導(dǎo)航軟件及時(shí)的修改導(dǎo)航路線

3、陀螺儀在上立交橋時(shí)更靈敏準(zhǔn)確的識(shí)別

民用GPS的精度是無法識(shí)別上沒上立交橋的，而陀螺儀卻可測(cè)出車子是否向上移動(dòng)了，從而能讓導(dǎo)航軟件及時(shí)的修改導(dǎo)航路線。依靠GPS衛(wèi)星的信號(hào)導(dǎo)航和陀螺儀的慣性導(dǎo)航，有效提高了導(dǎo)航精準(zhǔn)度，即使在失去GPS信號(hào)后，系統(tǒng)仍能通過自主推算來繼續(xù)導(dǎo)航，為車主提供準(zhǔn)確的行駛指示。

陀螺儀在無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)是其最主要的組成部分之一，而姿態(tài)的穩(wěn)定控制，則是對(duì)無人機(jī)順利執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)的有效方法。在目前的無人機(jī)實(shí)際制造與應(yīng)用中，有的無人機(jī)產(chǎn)品是基于三軸陀螺儀和傾角傳感器，來構(gòu)成全姿態(tài)增穩(wěn)控制系統(tǒng)的。

無人機(jī)姿態(tài)增穩(wěn)控制屬于內(nèi)回路控制，它包括姿態(tài)保持與控制、速度控制等模式。內(nèi)回路控制是在以三軸陀螺儀和傾角傳感器獲取無人機(jī)飛行姿態(tài)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)升降舵、方向舵的控制，完成飛行姿態(tài)的穩(wěn)定與控制。

其中，三軸陀螺儀主要用來測(cè)量無人機(jī)在飛行過程中俯仰角、橫滾角和偏航角的角速度，并根據(jù)角速度積分計(jì)算角度的改變。而一般采用雙軸傾角傳感器，與三軸陀螺儀構(gòu)成全姿態(tài)增穩(wěn)控制回路。

陀螺儀測(cè)量得到的角速度信息用作增穩(wěn)反饋控制，使飛機(jī)操縱起來變的更“遲鈍”一些，從而利用傾角傳感器測(cè)得飛機(jī)橫滾角和俯仰角。然后將陀螺儀測(cè)得的角速率信息和傾角傳感器測(cè)得的姿態(tài)角進(jìn)行捷聯(lián)運(yùn)算，得到融合后的姿態(tài)信息。這種較為復(fù)雜的捷聯(lián)算法，能夠使姿態(tài)精度得到很大提高。

陀螺儀在照相/攝相領(lǐng)域的應(yīng)用

當(dāng)我們拍視頻或拍照時(shí)，有沒有相過，通過一種裝置，保證你的“相機(jī)”固定在同一位置，無論你的手怎么歪斜，身體怎么抖，他都能保持手機(jī)的相對(duì)穩(wěn)定。我們都知道，只有當(dāng)手機(jī)或攝像機(jī)相對(duì)“穩(wěn)定”我們才能拍出精美的畫面或視頻。而能夠讓“穩(wěn)拍器”始終保持穩(wěn)定的核心秘密就是“加速度和陀螺儀”傳感器。

為什么說“加速度和陀螺儀”傳感器是自拍神器的核心秘密呢？因?yàn)榉€(wěn)拍器的核心就是對(duì)“相機(jī)”姿態(tài)的檢測(cè)，然后根據(jù)“相機(jī)”的姿態(tài)變化實(shí)時(shí)的控制與“相機(jī)”連接的電機(jī)做相應(yīng)動(dòng)作，只要電機(jī)控制的夠快，就能保證“相機(jī)”始終穩(wěn)定在固定位置。不管你的手左右晃動(dòng)還是上下晃動(dòng)，在穩(wěn)拍神器的控制下你的“相機(jī)”就會(huì)雷打不動(dòng)，從而拍出穩(wěn)定的照片和畫面。

穩(wěn)拍器的整體大致框架如下圖所示，其中橘黃色部分就是加速度和陀螺儀傳感器工作部分。

它將“攝像設(shè)備”的姿態(tài)反饋給中心MCU處理單元，中央MCU單元根據(jù)檢測(cè)到的“攝像設(shè)備”的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)情況，去控制電機(jī)做相應(yīng)的動(dòng)作，電機(jī)動(dòng)作使“攝像設(shè)備”保持穩(wěn)雷打不動(dòng)的狀態(tài)，這樣拍出來的照片才更清楚，錄制的錄像才更穩(wěn)定。

陀螺儀在智能手機(jī)中的應(yīng)用

陀螺儀的使用距離我們最近的就是我們的手機(jī)，陀螺儀在手機(jī)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1、導(dǎo)航。

陀螺儀自被發(fā)明開始，就用于導(dǎo)航，先是德國(guó)人將其應(yīng)用在V1、V2火箭上，因此，如果配合GPS，手機(jī)的導(dǎo)航能力將達(dá)到前所未有的水準(zhǔn)。

實(shí)際上，很多專業(yè)手持式GPS上也裝了陀螺儀，如果手機(jī)上安裝了相應(yīng)的軟件，導(dǎo)航能力絕不亞于很多船舶、飛機(jī)上用的導(dǎo)航儀。

還可以實(shí)現(xiàn)GPS的慣性導(dǎo)航：當(dāng)汽車行駛到隧道或城市高大建筑物附近，沒有GPS訊號(hào)時(shí)，可以通過陀螺儀來測(cè)量汽車的偏航或直線運(yùn)動(dòng)位移，從而繼續(xù)導(dǎo)航。

2、可以和手機(jī)上的攝像頭配合使用，比如防抖，在拍照時(shí)的維持圖像的穩(wěn)定，防止由于手的抖動(dòng)對(duì)拍照質(zhì)量的影響。在按下快門時(shí)，記錄手的抖動(dòng)動(dòng)作，將手的抖動(dòng)反饋給圖像處理器，可以讓手機(jī)捕捉到更清晰穩(wěn)定的畫面。

3、各類游戲的傳感器，比如飛行游戲，體育類游戲，甚至包括一些第一視角類射擊游戲，陀螺儀完整監(jiān)測(cè)游戲者手的位移，從而實(shí)現(xiàn)各種游戲操作效果。有關(guān)這點(diǎn)，想必用過任天堂WII的網(wǎng)友會(huì)有很深的感受。

4、可以用作輸入設(shè)備，陀螺儀相當(dāng)于一個(gè)立體的鼠標(biāo)，這個(gè)功能和第三大用途中的游戲傳感器很類似，甚至可以認(rèn)為是一種類型。通過小幅度的傾斜，偏轉(zhuǎn)手機(jī)，實(shí)現(xiàn)菜單，目錄的選擇和操作的執(zhí)行。(比如前后傾斜手機(jī)，實(shí)現(xiàn)通訊錄條目的上下滾動(dòng);左右傾斜手機(jī)，實(shí)現(xiàn)瀏覽頁(yè)面的左右移動(dòng)或者頁(yè)面的放大或縮小。

5、也是未來最有前景和應(yīng)用范圍的用途。那就是可以幫助手機(jī)實(shí)現(xiàn)很多增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是才冒出的概念，和虛擬現(xiàn)實(shí)一樣，是計(jì)算機(jī)的一種應(yīng)用。大意是可以通過手機(jī)或者電腦的處理能力，讓人們對(duì)現(xiàn)實(shí)中的一些物體有更深入的了解。

如果大家不理解，舉個(gè)例子，前面有一個(gè)大樓，用手機(jī)攝像頭對(duì)準(zhǔn)它，馬上就可以在屏幕上得到這座大樓的相關(guān)參數(shù)，比如樓的高度，寬度，海拔，如果連接到數(shù)據(jù)庫(kù)，甚至可以得到這座大廈的物主、建設(shè)時(shí)間、現(xiàn)在的用途、可容納的人數(shù)等。

陀螺儀最新技術(shù)簡(jiǎn)介和發(fā)展趨勢(shì)

目前，陀螺儀技術(shù)正在由傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺向以光學(xué)陀螺儀為代表的新型陀螺儀轉(zhuǎn)變，下面再簡(jiǎn)要介紹幾種處在技術(shù)領(lǐng)域前沿的新型陀螺儀技術(shù)，希望能夠幫助讀者開闊視野，了解到國(guó)外陀螺儀技術(shù)的最新發(fā)展。

氦-氖環(huán)形激光陀螺儀

相比傳統(tǒng)的機(jī)械式轉(zhuǎn)子陀螺儀，主要優(yōu)點(diǎn)是無機(jī)械轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（少于20個(gè)部件），抗振動(dòng)性能好，啟動(dòng)快，可靠性高，數(shù)字輸出。

此外，一些研究人員還提出用固態(tài)增益介質(zhì)替換氦-氖氣體，能夠使陀螺儀的工作壽命更長(zhǎng)、成本更低和制造更簡(jiǎn)單，這種陀螺也被稱為固態(tài)環(huán)形激光陀螺儀（固態(tài)RLG）。

目前，基于氦-氖環(huán)形激光陀螺儀的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在航空和航海導(dǎo)航、戰(zhàn)略導(dǎo)彈的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制領(lǐng)域，成為主要的高性能陀螺儀之一。

光纖陀螺儀

從20世紀(jì)60年代開始，美國(guó)海軍研究辦公室希望發(fā)展一種比氦-氖環(huán)形激光陀螺儀的成本更低、制造流程更簡(jiǎn)單、精度更高的光纖角速度傳感器，也就是俗稱的光纖陀螺。

目前，最為常見的光纖陀螺儀是相敏光纖陀螺儀，通過測(cè)量在一個(gè)光纖線圈中的兩束反向傳播光束的相移以敏感載體轉(zhuǎn)動(dòng)，從而計(jì)算出其角速率。

因此，光纖陀螺儀的精度主要取決于其采用的光纖種類和光電檢測(cè)系統(tǒng)，偏值一般處于0.001度/時(shí)-0.0002度/時(shí)之間。現(xiàn)在，光纖陀螺儀已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于魚雷、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、潛艇和航天器等。

集成光學(xué)陀螺儀

隨著集成光路的發(fā)展，可在單塊芯片上實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的功能，可以將幾毫米直徑的集成環(huán)形腔激光器、光電檢測(cè)電路都集成在同一芯片上，作為集成光學(xué)陀螺儀的敏感元件，這樣可以大大減小現(xiàn)有光學(xué)陀螺儀的質(zhì)量和尺寸，降低成本和功耗，更好地控制熱效應(yīng)，增加可靠性，因此利用集成光學(xué)技術(shù)制造的光學(xué)陀螺儀具有良好的發(fā)展前景。

目前，圍繞著集成環(huán)形腔激光器已經(jīng)展開了廣泛的研究，但是關(guān)鍵技術(shù)還有待突破。

此外，包括核磁諧振和超流體等的尖端技術(shù)也已經(jīng)得到了驗(yàn)證，未來也將在新型陀螺儀上得到應(yīng)用。