陀螺儀的歷史、現狀與未來

本文概述了陀螺儀的發展歷史，論述了雷射陀螺、光纖陀螺、哥氏振動陀螺等幾種典型陀螺儀的基本原理及已有產品的參數指標。探討了陀螺儀的發展前景，並介紹了以陀螺為基礎的慣性導航系統在飛彈、航空、航天及民用領域的廣泛應用。

引 言

陀螺儀是在慣性空間測量運動物體旋轉角度或角速度的傳感器1。在以慣性原理為基礎的航跡推算系統，即慣性導航系統中，陀螺儀通常和加速度計一起作為慣性敏感元件，用來測量和計算載體的位置、速度、姿態等導航參數。隨著慣性技術的發展，高性能的陀螺儀越來越受到市場青睞，由於其精度高、性能穩定、可靠性好、抗干擾能力強和壽命長等特點而被廣泛應用於飛彈、航空、航天、航海等領域。本文按陀螺儀的歷史、現狀與展望的思路梳理了陀螺儀的發展歷程，並簡要介紹了陀螺儀的應用。

1 陀螺儀的發展

陀螺儀的發展經歷了漫長而艱苦的歲月，時至今日已經取得了巨大的成就。由於其在國防軍事、現代社會生活等領域的重要地位，陀螺儀依然是各國研究的熱點。

1852 年，法國物理學家傅科（Foucault）首次提出了陀螺儀的定義、原理及應用設想，並製造了最早的傅科陀螺儀2。1908年，德國安休茨（Anschutz）發明瞭陀螺羅經（Gyro Compass）。 1909年，美國斯佩里（Sperry）也獨立研製出了陀螺羅經並應用於艦船的導航，陀螺羅經的出現標誌著陀螺儀技術的形成和現代應用的發端。

20世紀20—30年代，陀螺轉彎儀、陀螺地平儀和陀螺方向儀作為指示儀表相繼在飛機上使用2。20世紀40年代末至20世紀50年代初發展起來了液浮陀螺和氣浮陀螺，20世紀60年代起又出現了撓性轉子動力調諧陀螺儀。1964年，美國率先研製成功靜電陀螺儀。以上都是傳統的陀螺儀，即機械轉子式陀螺儀，依靠轉子的高速旋轉來實現角速度資訊的測量。

隨著1960年美國物理學家梅曼（Maiman）研製出第一臺紅寶石雷射器，陀螺儀的研製也迅速進入了一個嶄新的階段。1961-1962年，希爾（Heer）和羅森塔爾（Rosenthal）等人提出了環形雷射陀螺的設想，並於1963年研製出世界上第一臺環形雷射陀螺實驗裝置45。隨後，美國霍尼韋爾（Honeywell）公司經過十幾年的努力，使得雷射陀螺於1975年和1976年分別在飛機和戰術飛彈上試飛成功，標誌著雷射陀螺從此進入實用階段。環形雷射陀螺儀的發展與應用是陀螺儀歷史上最大的技術進步。20世紀80年代，雷射陀螺成功應用於飛機、地面車輛導航、艦炮穩定等系統。1989年，船用雷射陀螺慣性導航系統研製成功。

1976年，美國猶他大學Vali和Shorthill首先提出光纖陀螺的設想並進行了演示試驗。1978年，美國麥道公司研製出第一個實用化光纖陀螺。1980年， Bergh等制出第一臺全光纖陀螺試驗樣機，使光纖陀螺向實用化邁進了一大步6。20世紀80年代中期，干涉型光纖陀螺儀研製成功2。光學陀螺的發展和應用是慣性導航技術發展史上重要的里程碑。

20 世紀 80 年代中期，基於哥氏效應原理的微機械陀螺（MEMS）迅速發展起來，以其體積小、成本低的特點為慣性導航系統的應用打開了更為廣闊的領域，在軍用方面尤其加速了戰術武器制導化的進程。

2 幾種典型的陀螺儀

2.1 雷射陀螺

20世紀60年代早期開始研製的雷射陀螺（Ring Laser Gyro）在70年代後期進入實用領域，成為捷聯式慣性導航系統的理想部件。它具有快速啟動、全固態、抗衝擊振動能力強、動態範圍大、精度高、壽命長、可靠性好、動態誤差小等優點，並且能直接數字輸出，非常方便地與計算機結合。雷射陀螺的原理基於Sagnac效應：在環形腔體中，有沿順、逆時針獨立傳播的兩束光，當環腔靜止時，兩束光在腔體內傳播一週的時間相等，光程相等；當環腔繞其垂直面以某一角速度旋轉時，沿相反方向傳播的兩束光的光程發生變化。根據諧振條件，兩束光的頻差與旋轉角速度成正比，比例因子與環形光路面積、雷射波長以及閉合腔長有關。通過測量拍頻就可以解算出環腔旋轉的角速度。

美國霍尼韋爾公司是世界雷射陀螺研發的先驅者，代表了該領域研究的最高水準。其產品種類多樣，規格齊全，主要以三角形光路的二頻機械抖動陀螺為主，不同的型號性能可以滿足不同精度慣性系統的要求。其中，GG1389陀螺儀的零偏穩定性達到了 0.000 15°/h，是世界上精度最高的雷射陀螺4。該公司另一種低成本陀螺GG1320，前期產品零偏穩定性為 0.1°/h～0.03°/h， 2007年發布的該型號陀螺的升級產品最高可達到0.003 5 °/h4。

2.2 光纖陀螺

20世紀70年代開始研製，80年代早期進入實用的光纖陀螺(Fiber Optical Gyro)與雷射陀螺都屬於光學陀螺,同樣是基於Sagnae 效應。與環形雷射陀螺相比，光纖陀螺具有研究起步門檻低和適合大批量生產的優勢，但比例因子穩定性較差，且光纖易受溫度的影響，造成陀螺的溫度噪聲及溫度漂移。光纖陀螺的典型結構有干涉式光纖陀螺（I—FOG）、諧振式光纖陀螺（R—FOG）以及尚處於研究階段的受激布里淵散射光纖陀螺（B—FOG）。按照元器件類型，光纖陀螺可分為分立元件型、集成光學型和全光纖型。目前，全光纖陀螺技術比較成熟，性能在三種中最好5。

美國霍尼韋爾公司的第二代高性能 I—FOG採用了集成光學多功能芯片技術以及全數字閉環電路、保偏光纖線圈（2—4 km）、高功率光纖雷射器，零偏穩定性達到 0.000 23°/h，角度隨機游走係數為0.000 19 °/h2，標度因數穩定性 0.3 ×10—6，並已應用在高性能慣性參考系統中10。

美國諾·格（Northrop Grumman）公司 LN—200 FOG系列機載慣性測量單元（IMU）是光纖陀螺的另一典型應用，其內有3個固態光纖陀螺儀，可提供的最高零偏穩定性為0.5°/h 。

2.3 哥氏振動陀螺

2.3.1 固態波陀螺儀

固態波陀螺儀的角速度檢測原理是以旋轉的軸對稱殼體中激發的彈性駐波的慣性為基礎11。由於哥氏力的作用，駐波對於殼體，以及在慣性空間中都會發生進動。固態波陀螺儀就是利用諧振子徑向振動

產生的駐波沿環向的進動來敏感基座的旋轉，從而實現轉角或轉速的測量。振型相對殼體順時針旋轉的角度正比于殼體逆時針繞中心軸旋轉的角度，通過測量振型進動角，即可得到旋轉角度。

固態波陀螺儀獨特的工作原理使其具有一系列優點：完全沒有運動部件，裝置的工作壽命長；精度高，隨機誤差小；對周圍環境的惡劣條件穩定性好；較小的外形尺寸、質量及功耗；在短時間切斷供電的情況下可以保留慣性資訊[7]。

半球諧振陀螺（Hemispherical Resonator Gyro， HRG）是一種典型的固態波陀螺儀。諾·格公司 Hubble HRG 是目前公開報道的指標最高的半球諧振陀螺，零偏穩定性0.000 08 °/h，角度隨機游走0.000 01 °/h12 。法國賽峰（SAFRAN）公司在2018年第五屆IEEE慣性傳感器與系統會議（ISISS）上公開的半球諧振陀螺參數已經達到零偏穩定性 0.000 1°/h，角度隨機游走0.000 2/h12，比例因子穩定度 0.1×10—6。

2.3.2 MEMS陀螺

微機械式諧振陀螺，即MEMS陀螺，也稱硅微陀螺。它採用微納米技術將機械裝置和電子線路集成在微小的硅芯片上，通過獲取一個振動機械元件上的哥氏加速度效應來實現角速率檢測。MEMS陀螺最主要的特點是價格低、體積小。

MEMS陀螺根據結構的不同主要有框架式角振動陀螺、音叉式梳狀諧振陀螺和振動輪式硅微陀螺。日本硅傳感系統公司（SSS）一直從事MEMS諧振環陀螺研製，最新產品零偏穩定性優於0.06°/h，角度隨機游走優於0.01 0/h2，是諧振環陀螺的最高水準[9]。美國在DARPA導航級集成微陀螺儀（NGIMG）項目支持下，諧振盤陀螺的研究取得了突破性進展，基於8mm直徑硅材料的諧振盤陀螺實現了零偏穩定性優於0.01 °/h，角度隨機游走優於0.002 °/h212。

3 陀螺儀的發展前景

隨著現代科技日新月異的發展，人們對陀螺的性能指標提出了更高的要求，陀螺儀的低成本、小型化、高精度是其發展的必然趨勢。

美國霍尼韋爾公司的 GG1308 型陀螺儀是小體積、低成本雷射陀螺的最典型代表，該陀螺三角形光路的邊長僅2 cm，總體積小於32.8 cm33，質量為60g，每隻售價僅為1 000美元，零偏穩定性為5°/h～1°/h[4]。

集成光學陀螺（IOG）也稱為芯片上的光學陀螺，是一種以光波導為基的Sagnac效應陀螺[2]。理論上，通過在一個集成光學芯片上製作一個FOG光路就可以將MEMS陀螺的小尺寸和光纖陀螺全固態、無源可靠性高的特點結合起來，可成批生產並且性能穩定。1OG雖然還沒有達到相當于光纖陀螺的靈敏度，但它的高集成度以及可以預見的優良性能使其成為一種很有發展潛力和市場競爭力的陀螺結構。

據賽峰公司的預測，哥式振動陀螺將成為下一代陀螺儀。尤其是半球諧振陀螺，創新設計和大規模工業投資使其精度和產量不斷提高，它能夠以非常經濟高效的方式滿足苛刻環境條件下的精度要求，應對大眾市場問題13。

從陀螺技術的長遠發展來看，原子陀螺（Atomic Gyroscope）極有發展潛力，雖然研究歷史較短，但取得的成果是令人振奮的。從工作原理上看，原子陀螺可分為基於原子干涉的冷原子陀螺（AIG）和基螺于原子自旋的核磁共振陀螺（NMRG）兩大類，牠們都尚處於研究初期階段，有望滿足未來陀螺儀精度更高、體積更小、可靠性更強、動態性能更卓越的要求14。美國聖地亞國家實驗室、史丹佛大學、加州大學伯克利分校、普林斯頓大學等多家國外研究機構已經成功研製了基於各種方案的原子陀螺原理樣機。隨著一系列工程難題的逐步解決，原子陀螺的工業化製造、工程化應用將是必然趨勢。

總體來說，光學陀螺是目前應用的主流。據估計，其產品市場佔有率達到了60%左右15，並且全球光學陀螺儀市場的需求在未來10年內還將不斷增加；哥式振動陀螺將成為下一代陀螺儀，它有望以更小的功耗和更高的穩定性獲得廣泛的應用；而原子陀螺是陀螺研究領域的熱點，它的研製將為陀螺的高精度、小型化發展提供思路，為慣性技術開闢新的應用領域。

4 陀螺儀的應用

陀螺儀的應用領域十分廣泛，作為信號傳感器，它可以提供姿態、速度、位置等資訊，為導航體和武器系統提供導航或制導；作為穩定器，陀螺儀可以安裝在各種載體上，輔助其減小搖擺，達到穩定；作為精密測試儀器，陀螺儀能夠為地面設施、礦山隧道、地下鐵路、石油鑽探以及飛彈發射井等提供準確的方位基準以陀螺儀和加速度計為主要慣性元件的慣性導航系統（INS）是陀螺儀的典型應用。INS是一種自主式的導航設備，能連續、實時地提供載體位置、姿態、速度等資訊。其主要特點是不依賴外界資訊，不受氣候條件和外部因素的干擾，同時也不向外部輻射能量，隱蔽性好，這就很好地彌補了全球衛星導航系統依賴無線電波，抗干擾能力、抗欺騙能力較差的不足。因此，採用慣性/衛星組合導航技術可實現全球範圍內高精度連續導航，而且慣性導航系統輸出的信號具有連續性和普遍存在性，從而使得載體可在任何時間和任何地點連續工作。以慣性技術為基礎的組合導航是導航技術的研究重點，並將進一步向多傳感器融合的方向發展。

慣性導航及控制系統最初主要服務于航空航天、陸上海上的軍事用途，是現代國防系統的核心技術產品。無論是神舟飛天、蛟龍下海，還是各種現代化的武器裝備，陀螺以及慣性導航系統都是必不可少的。隨著成本的降低和需求的增長，慣性導航技術的應用領域被拓寬，在國民經濟中發揮著越來越重要的作用，已經被應用於民用運載工具以及資源勘測、海洋探測、大地測量、隧道鐵路建設等商用領域。未來，它還將會在消費電子、醫療電子、室內導航等領域更便捷有效地服務於人民生產生活。

5 結束語

陀螺儀作為一種慣性敏感元件，誕生至今已有100多年的歷史。作為一項關乎國防和經濟建設的重要技術，近幾十年來更是飛速發展，備受各國關注。光學陀螺的誕生與發展在陀螺儀歷史上具有劃時代的意義，也是現階段應用最廣的陀螺儀；哥式振動陀螺具有很大的發展和應用潛力；而原子陀螺等新型陀螺儀也在加速研發中。作為慣性導航系統的心臟，陀螺儀為慣性技術提供重要支持和保障，必將朝著低成本、高精度、小體積的趨勢發展。陀螺儀的研究和討論將是持續的熱點話題，提高它的性能、推廣它的應用將是各國研究者不斷努力的目標。

參考文獻

  1. 樊尚春.軸對稱殼諧振陀螺[M].北京：國防工業出版社， 2013. ↩︎
  2. 付夢印，神奇的慣性世界[M].北京：北京理工大學出版社， 2015. ↩︎
  3. 付夢印，神奇的慣性世界[M].北京：北京理工大學出版社， 2015. ↩︎
  4. 張娟娟，雷射陀螺數字抖動偏頻及加/解噪技術研究[J].西安石油大學學報，2009（1）. ↩︎
  5. 張斌，羅暉，袁保倫，等.國外雷射陀螺發展與應用[J].國外慣性技術資訊，2017（4）. ↩︎
  6. 楊亭鵬，劉星橋，陳家斌.光纖陀螺儀（FOG）技術及發展應用[J].火力與指揮控制，2004，29 （2）. ↩︎
  7. 付夢印，神奇的慣性世界[M].北京：北京理工大學出版社， 2015. ↩︎
  8. 張娟娟，雷射陀螺數字抖動偏頻及加/解噪技術研究[J].西安石油大學學報，2009（1）. ↩︎
  9. 張斌，羅暉，袁保倫，等.國外雷射陀螺發展與應用[J].國外慣性技術資訊，2017（4）. ↩︎
  10. 羅睿，張瑞君.光纖陀螺技術發展現狀及其應用[J].中國電子商情：基礎電子，2009 （4）. ↩︎
  11. MaTвеев BA, Пунин БC, БacapaбMA,等.固態波陀螺儀導航系統[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2013. ↩︎
  12. 權海洋，楊栓虎，陳效真，等.高端MEMS固體波動陀螺的發展與應用[J].導航與控制， 2017， 16 （6）. ↩︎
  13. Delhaye F. HRG by SAFRAN: the game-changing technology [C]. IEEE Interna- tional Symposium on Inertial Sensors and Systems, 2018. ↩︎
  14. 嚴吉中，李攀，劉元正.原子陀螺基本概念及發展趨勢分析[J].壓電與聲光，2015，37（5）. ↩︎
  15. 雷射陀螺儀產業發展現狀概述[EB/OL] .http: //www.chyxx. com/industry/ 201609/444996. html.中國產業資訊網, 2018-05-12. ↩︎

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