国外激光陀螺的发展与应用

来源：海鹰资讯

激光陀螺（RLG）是一种以萨格奈克（Sagnac）效应为基础的光学陀螺，主要用于运动载体的角运动（运动角速度或转动角度）测量。

1913年，法国科学家Sagnac进行了环形光路中外界转动引起干涉条纹变化的实验，并从理论上对此现象进行了解释，提出了著名的Sagnac效应：在环形闭合光路中，从某一观察点发出的一对光波沿相反方向运行一周后又回到该点时，这对光波的光程（或相位）将由于闭合光路相对于惯性空间的旋转而不同，其光程差（或相位差）与闭合光路的旋转角速度成正比。

在随后的很长一段时间里，由于没有合适的相干光源，光学Sagnac效应的研究基本上没有任何实用性进展。直到1960年，世界上的第一台激光器诞生以后，激光陀螺作为激光技术的一个重要应用而成为世界各军事强国研究的热点。

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激光陀螺及其特点

激光陀螺是由腔体（一般采用超低膨胀系数的微晶玻璃材料）和高质量反射镜构成的环形激光器，腔内运行的顺、逆时针激光能够以不同的频率独立振荡。由于激光谐振条件的要求，Sagnac效应产生的光程差转换成了顺、逆时针运行激光的频率差，因此极大地提高了陀螺的响应灵敏度。当激光陀螺固连在运动载体上，并相对于惯性空间以角速度Ω旋转时，该频率差为：

，式中为标度因数，它由环形谐振腔的面积A、环路长度L以及激光波长λ决定。

激光陀螺的原理光路如图1所示，采用合光棱镜使其输出的顺、逆时针激光以微小夹角合并，经光电转换后可得到频率为∆v的拍频信号，从而实现载体转动角速度的测量。

图1 激光陀螺原理光路

在实际的激光陀螺中，顺、逆时针激光通过反射镜的后向散射或环路中的非均匀损耗发生耦合，导致陀螺输入角速度小于某阈值时，频率差∆v为零，这种现象称为闭锁效应。为了克服闭锁效应的影响，激光陀螺需要采取偏频措施，即在两束光波之间人为引入较大的频率差，使激光陀螺的工作区远离闭锁区域或者减少处于闭锁区域的时间。具体的偏频方案有机械抖动偏频、四频差动偏频、恒转偏频、磁镜交变偏频、纵向塞曼效应偏频等，其中以采用机械抖动偏频和四频差动偏频方案的激光陀螺应用最为广泛。

图2 激光陀螺惯性测量单元

激光陀螺的一个环路对应一个角速度敏感方向，将三个激光陀螺和三个加速度计正交配置组合构成图2所示的激光陀螺惯性测量单元（IMU），利用IMU测量载体运动的三维角速度和加速度，再通过惯性导航解算得到载体的位置、姿态等信息。基于激光陀螺的惯性导航系统广泛应用于导航与制导、姿态测量与控制、定位与定向、稳定与瞄准等领域。

传统机电陀螺仪利用高速转动机械转子的定向性和进动性来测定载体相对于惯性空间的转速和方位，而正是由于高速转子自身的抗冲击振动能力差、存在加速度效应、不能快速启动等固有缺陷，使其在惯性导航中的应用受到限制，妨碍其进一步的发展。美国20世纪80年代研制的MX“和平卫士”洲际导弹上搭载的机电陀螺仪是世界上精度最高的机械式陀螺仪，零偏稳定性达到1.5×10-5(º)/h，使该导弹可以在不依赖外部导航信息的情况下，14000km射程的导航偏差小于100 m，然而这套系统体积庞大，成本也极为高昂。因此，在后续研制“三叉戟”潜射弹道导弹时就改用了激光陀螺，既降低了系统成本，又大幅度缩减了导航设备的体积。

图3 美国MX洲际导弹的惯性导航舱段与陀螺仪

激光陀螺性能的主要评价指标是零偏稳定性、标度因数非线性度和随机游走系数，目前工程实用的中高精度激光陀螺对应的典型指标为：零偏稳定性0.01~0.001 (º)/h，标度因数非线性度10~0.1ppm，随机游走系数0.005~0.0005 (º)/h1/2。

与其它种类的陀螺比较，激光陀螺具有以下显著特点：

1）精度适应范围广，可满足不同应用领域的需要。美国霍尼韦尔公司GG1389陀螺仪的零偏稳定性达到了1.5×10-4(º)/h，是世界上精度最高的激光陀螺。该公司GG1308陀螺的零偏稳定性为5~1 (º)/h，是世界上体积最小的产品化激光陀螺。

2）动态范围大，动态性能好。激光陀螺可测转速的动态范围大于108，从千分之几度/小时到超过7200 (º)/s，而且无论转速大小都可以得到线性输出，测量偏差小。

3）标度因数的线性度和稳定性好，动态环境误差小。绝大多数激光陀螺的腔体采用微晶玻璃材料，其膨胀系数达到10-8量级，光路的面积和长度非常稳定，在工程应用中的标度因数非线性度可以做到0.1ppm，而且在高低温环境下基本保持恒定，特别能适应大温变恶劣环境的应用需求。

4）抗振动、冲击和温变环境能力强。激光陀螺采用一体化结构，没有活动部件，因此可以承受很高的加速度和强烈的振动冲击，耐高低温环境能力强。特殊设计的GG1308陀螺甚至可以承受超过1×104g的冲击。

5）角分辨率高。激光陀螺可以分辨角秒甚至亚角秒量级的精细角度变化，在角度测量上可以实现高精度和高分辨率的动态测量。

6）性能稳定，在工作寿命内，仪表可以做到免校准。

7）快速启动。激光陀螺可做到瞬时启动，一般不需要预热、稳定时间。

8）功耗低、寿命长、可靠性好和易维护。激光陀螺存储寿命可达20万小时以上，平均无故障工作时间（MTBF）高达数万小时。

9）既是速率陀螺，也是位置陀螺，使用灵活，应用范围广。

10）对加速度不敏感，没有交叉耦合效应。

11）直接数字输出，系统构成简单。

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国外激光陀螺的发展历程

激光陀螺的问世要追溯到20世纪60年代，其发展过程大体可分为四个阶段。

研究起步阶段（1962—1965年）

1960年，自世界上的第一台激光器问世以后，人们就提出利用此技术来实现光学陀螺。1961年，美国科学家Heer C V在美国物理学会上发表了世界上第一篇有关激光陀螺的报道，介绍了采用测量环形激光谐振腔内运转的正反两束激光之间的频率

差来感知外界输入角速率变化的方法。1962年，美、英、法、前苏联几乎同时开始酝酿激光陀螺的研制。美国斯佩里公司于1963年2月研制出世界上第一台环形激光陀螺试验装置，该装置的正方形光路边长为1m，可测量旋转速率。

图4 第一台环形激光陀螺试验装置

潜心研究与关键技术突破阶段（1965—1975年）

在随后的研制过程中，激光陀螺的闭锁效应、零偏误差等给后续的工程实用研制带来了诸多困难，世界各国均陆续下马，只剩下美国以霍尼韦尔公司为代表的少数几家公司和少量科研人员还在继续努力，致力于从原理和技术上进行解决。直到1966年，霍尼韦尔公司提出了利用交变机械抖动偏频法来克服陀螺闭锁效应影响的技术方案，为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轮热潮。

霍尼韦尔公司于1972年率先研制出机械抖动偏频的单轴激光陀螺GG1300。1974年美国海军和空军联合制定研究计划，1975年在战术飞机上试飞成功，1976年在战术导弹上试验成功，标志着激光陀螺从此进入实用阶段。

批生产技术攻关与实用阶段（1975—1984年）

1978年，霍尼韦尔公司的激光陀螺开始小批量生产。1982年，其研制的ARINC704激光陀螺惯性基准系统正式投入民用航线实用。到1983年9月，已为波音公司提供了216套惯性导航系统，平均无故障工作时间达1万小时。但在这一段时间里，批产的激光陀螺也出现了因为使用可靠性问题而批量召回的现象。

1982年，霍尼韦尔公司开始批量生产GG1342陀螺，并采用该陀螺为美国海军研制了第一个专门用于舰船的高精度激光陀螺导航仪（SLN），并于1984年在海军导航试验船上试验成功。

1984年，霍尼韦尔公司以H-726型激光陀螺动态基准装置为基础，采用纯捷联编排方式，研制出适用于战车和自行火炮的组件式定位定向系统，1985—1987年在各种战车和自行火炮上进行了试验，1989年被选为美军的标准地面导航系统。

1977年12月，美国斯佩里公司在海军的资助下，以该公司的MK16机电陀螺稳定系统为基础改装研制成MK16 ModⅡ型捷联式激光陀螺稳定装置工程样机，为舰载火炮控制系统提供舰船的纵、横摇姿态数据，并于1978年2月在美国海军塞勒斯号（DDG-11）导弹驱逐舰上进行了首次海上试验，其性能远优于原有的MK16型机电陀螺稳定系统。1980年，在MK16 ModⅡ型的基础上，斯佩里公司增加了一个方位分度器并对卡尔曼滤波器作了相应修改，研制成功了水面舰艇捷联式激光陀螺导航仪，其性能参数优于当时海军的规范要求。

1982年，霍尼韦尔公司为美国海军研制了第一个专门用于美国海军水面舰艇的高精度激光陀螺导航仪，即SLN舰用激光陀螺导航仪。该系统采用双轴转位方案，使用霍尼韦尔公司已经批量生产的GG1342激光陀螺和森德斯坦数据控制公司的Q型挠性加速度计构成惯性测量组件，1984年在海军导航试验船上进行了试验。同期，罗克韦尔公司研制了RLGN激光陀螺导航仪，其惯性测量装置由3个G16B激光陀螺和1个MOD ⅦA型三轴加速度计组成，系统采用单轴旋转方式，惯性组件绕舰船龙骨轴连续旋转，于1985年进行了海上试验和鉴定。

1982年8月，美国航空发展中心与霍尼韦尔公司签订了合同价款共120万美元的合同，研制攻击型核潜艇用的三个高精度GG1389激光陀螺，为进一步研制定位精度优于0.1 n mile/h的舰艇用激光陀螺导航系统做准备。

1984年，利顿公司开始研制激光陀螺船用惯性导航仪，经初样、正样和试验样机阶段，于1991年提供了两套试验样机进行了实验室和海上试验，1993年定型为AN/WSN-5L，导航定位精度（CEP）为1 n mile/6h，并首先装备“伯克”级导弹驱逐舰（DDG-64）。

大批量生产与拓展应用阶段（1984年至今）

激光陀螺应用初期主要集中于航空与航海领域，但由于其独特的优点，很快就向其它领域拓展，并迅速发展起来。

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国外激光陀螺的生产现状

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美国霍尼韦尔公司

霍尼韦尔公司是世界激光陀螺研究的先驱者，长期以来一直领跑国际激光陀螺领域的最新进展、最高水平与应用研究，也是世界上激光陀螺产量最大、应用水平最高的厂家。

霍尼韦尔公司研制的激光陀螺以三角形光路的二频机械抖动陀螺为主，典型型号有GG1308、GG1320、GG1328、GG1330、GG1342、GG1389等，其性能可以满足不同精度惯性系统的要求。

GG1308是小体积、低成本激光陀螺的最典型代表，该陀螺三角形光路的边长仅2cm，采用BK-7光学玻璃（相当于中国的K9玻璃）为腔体，陀螺镜片和电极采用低熔点玻璃烧结密封，总体积小于32.8cm³，质量为60g，每支售价仅为1000美元，零偏稳定性为5~1 (º)/h。采用该陀螺的惯导系统型号主要有HGl500 IMU和HGl700 IMU（包含3个GG1308陀螺和3个RBA-500石英振梁加速度计）两种，主要用于美军JDAM联合直接攻击炸弹和制导多管火箭发射系统等装备，是霍尼韦尔公司乃至全世界产量最大的激光陀螺。

图5 霍尼韦尔公司HG1700 IMU及其内部的三个GG1308陀螺

图6 霍尼韦尔公司的GG1320陀螺

霍尼韦尔公司另一种低成本陀螺为GG1320，前期产品的零偏稳定性为0.1~0.03 (º)/h。2007年初，霍尼韦尔公司发布了该型陀螺的升级产品：军用数字激光陀螺GG1320AN（零偏稳定性0.003 5 (º)/h）和民用数字激光陀螺GG1320AN01（零偏稳定性0.04~0.01 (º)/h），这两种产品都是将配套电路系统和陀螺封装成简单易用的独立单元，提供数字化的I/O单元。霍尼韦尔公司应用于航天领域的导航级HG9848 IMU和代表激光陀螺惯性器件最新发展水平的HG9900 IMU均采用GG1320AN陀螺作为姿态测量传感器，该型陀螺在全世界激光陀螺产品序列中可称得上是低成本、高性能的典范。

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美国利顿公司（已被诺格公司并购）

利顿公司研制的激光陀螺以正方形光路的机抖陀螺和异面腔四频差动陀螺为主。

早期，利顿公司采用机械抖动偏频方案研制的激光陀螺产品主要有LG2717（零偏稳定性优于0.05 (°)/h）和LG8028（零偏稳定性优于0.01 (°)/h），分别应用于航空导航系统和中高精度导航系统。

图7 利顿公司LG8028激光陀螺惯性组合体和ZLG激光陀螺

1985年，利顿公司购买了雷锡恩公司异面腔四频差动激光陀螺的专利，开始了该陀螺的批生产研发，突破关键技术后于1991年正式开始批产（注册商标为Zero-Lock™ Laser Gyro，简称ZLG），该陀螺以较小的尺寸获得了优于0.01 (º)/h的精度，在各项指标上能与同等尺寸的机抖陀螺相媲美。利顿公司公开报道的ZLG有五种，其中三种为单轴陀螺（腔长分别为18.4cm、25cm和40cm），另两种为空间三轴陀螺（腔长分别为11cm和9cm），其产品中以腔长18.4cm、型号为S18-4的单轴ZLG应用最为广泛，大批量生产的LN 100系列、LN 120G和LTN 101惯导系统都采用了该陀螺。

目前，ZLG以其全固态、无抖动部件的“安静型”特有优势在航空、航天、导弹、侦察等领域获得了广泛应用，并可为轻型和中型运载器发射提供导航和制导功能，如引导空间载荷进入低地轨道、地球同步轨道、从轨道返回地面等。LN 100S被用在美国新一代导弹防御系统的预警卫星中，据项目负责人称该组件是“当今世界上唯一能够满足天基红外系统要求的激光陀螺系统”。LN 120G是恒星/惯性/GPS组合导航系统，2007年用于升级RC-135电子侦察机的导航系统。

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美国Singer’s Kearfott公司

为满足小型卫星和航天器的需要，该公司在其原有三角形光路机抖陀螺的基础上，主要研制了两种三轴激光陀螺仪T16（用于KN-5051惯导系统，0.8n mile/h）和T22（用于N-5053惯导系统），主要用于战术武器。

图8 Kearfott公司T22和T16空间三轴陀螺

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法国Sextant公司

Sextant公司从1972年开始激光陀螺研究，相关产品于1979年成功应用于“美洲虎”直升机。1981年，该公司研制的33 cm光路激光陀螺（Single33）在ANS超声速导弹项目中标，1983年初开始为欧洲的“阿利亚娜”Ⅳ型运载火箭研制使用该陀螺的“Quasar”激光陀螺捷联惯性制导装置，并于1988年6月15日成功用于火箭发射，这也是世界上运载火箭发射中首次采用激光陀螺惯性系统。

该公司的Pixyz14型（零偏稳定性10~0.1 (°)/h）和Pixyz22型（零偏稳定性优于0.01 (°)/h）激光陀螺是两种共用反射镜的一体化空间三轴陀螺，前者主要适用于飞机、直升机以及战术导弹、反舰导弹、战术反导等的中段制导和控制系统，后者主要用于中远程导弹和陆基系统的中高精度惯性组合。

图9 Sextant公司Single33激光陀螺和空间三轴激光陀螺

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法国萨基姆公司

萨基姆公司从1977年开始涉足激光陀螺领域，目前是欧洲最大的激光陀螺生产厂家。该公司生产的第一种激光陀螺是GLS-32机抖陀螺，主要用于航空及潜艇的捷联惯导系统，采用该陀螺的西格玛40惯导系统的导航定位精度为0.8 n mile/8h（或1.5n mile/24h）；GLC-l6型陀螺（零偏稳定性0.01(°)/h）是一种方形光路的机抖陀螺，主要用于直升机、小型运载火箭和陆用捷联惯导系统；GLC-8型陀螺腔长仅为8cm，零偏稳定性10~0.1(°)/h，主要用于射程60~100km的战术导弹。

图10 萨基姆公司GLS-32型和GLC-l6型激光陀螺

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俄罗斯和乌克兰

俄罗斯Polyus研究所和电子光学公司（Electrooptika Corp）、乌克兰阿森纳工厂（Arsenal factory）等是前苏联研制生产激光陀螺的主要机构，主要产品有机械抖动偏频的全反棱镜式陀螺、仿利顿公司LG8028型激光陀螺、空间三轴陀螺、ZLK系列塞曼效应偏频激光陀螺、法拉第恒定偏频激光陀螺等，零偏稳定性优于0.01(°)/h。

图11 俄罗斯二频机抖陀螺惯性组合体

图12 日本JAE公司激光陀螺

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日本

1978年，日本宇宙开发事业团（NASDA）、国家宇航实验室和日本航空电子工业有限公司（JAE）开始联合从事激光陀螺研发。1985年，NASDA和JAE采用两家联合研制的34cm光路激光陀螺开始为日本的H-Ⅱ型运载火箭研制激光陀螺惯性导航系统。1994年2月、8月和1995年3月，日本H-Ⅱ型运载火箭先后发射成功。目前，激光陀螺系统已彻底取代了原来使用的动力调谐陀螺惯导系统。

除以上国家和公司以外，以色列航空工业有限公司（IAI）也具有一定的激光陀螺研发与批产能力。据印度媒体报道，印度自行研制的激光陀螺已应用于Agni“烈火”系列弹道导弹和Shaurya“太阳”中短程弹道导弹。

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国外激光陀螺应用情况

与卫星导航、天文导航等手段相比，惯性导航与姿态测控技术不依赖于外部信息，是各种运载平台和机动装备导航定位、制导控制、稳瞄稳向、姿态测量和过载传感的核心技术，是唯一同时具有自主、实时、连续、隐蔽、不受干扰，无时间、地点、环境限制的运动信息感知技术，不仅是海、陆、空、天各领域远程攻击和精确打击武器的核心信息源，而且在民用航空、石油勘探、煤矿采掘、卫星通信等领域也有广泛的用途。

作为惯性导航与姿态测控系统的核心器件，陀螺主要用于测量运动载体相对于惯性空间的角运动，其性能差异直接决定系统精度。与传统的机电陀螺相比，激光陀螺具有精度高、动态范围大、瞬时启动、耐冲击振动能力强、可靠性高、直接数字输出等一系列优点，被称为捷联式惯性导航/制导系统的理想部件，目前已在越来越多的领域得到广泛应用。

航海领域

陀螺仪最早就是用作海洋航行的关键导航仪器，各种舰船广泛应用的陀螺罗经（罗盘），就是一种能自动寻北的导航仪器，它不仅可为舰船提供位置、姿态、速度等数据用于导航和航向基准确定，而且能为舰船的火炮控制、导弹和鱼雷发射等提供武器系统方位基准，同时还能通过实时测量舰船的横摇和纵摇并反馈控制，为舰船的武器发射系统提供稳定平台。

目前，各国生产的各类中高精度激光陀螺已广泛应用于各种航海惯导系统与姿态控制系统，如斯佩里公司MK39/49系列激光陀螺惯导系统、霍尼韦尔公司的SLN舰用激光陀螺导航仪、罗克韦尔公司的RLGN、美国诺格公司的PL41 MK4 Mod1（1n mile/8h）以及法国萨基姆公司的西格玛40系列激光陀螺惯导系统等。其中，萨基姆公司的西格玛40系列激光陀螺惯导系统已应用于“凯旋”、“梭鱼”、“红宝石”和AIP潜艇、“戴高乐”号航母、阿联酋的阿布扎比级反潜护卫舰等。

在激光陀螺的航海应用上，美国斯佩里公司的成就尤其令人瞩目。20世纪80年代末期，北大西洋公约组织专门成立了NATO-SINS计划办公室，为北约组织成员国选择厂家研制并提供舰船惯性导航系统。该项目最终由美国斯佩里公司和霍尼韦尔公司联合承担，使用了霍尼韦尔公司3个GG1342激光陀螺和森德斯坦数据控制公司3个QA-2000石英挠性加速度计。系统采用双轴旋转调制方案，外形尺寸为495mm×541mm ×1707mm，质量317.5kg，对准时间4h，早期产品的导航定位精度(CEP)为1n mile/24h，后据20世纪90年代初报道，该系统可达到0.39 n mile/30h的定位精度。从1993年起，斯佩里公司开始向荷兰、西班牙、英国、澳大利亚等国提供产品，是北约国家舰船和潜艇的标准舰用导航设备。该系统被北约组织称为船用环形激光陀螺惯性导航仪（MARLIN），而斯佩里公司则沿袭了公司的顺序排号，称其为MK49 Mod0型。

图13 西格玛40XP和PL41 MK4 Mod1激光陀螺航海惯导系统

MK49系统经进一步改进后，于1995年被美国海军列装应用，其标准型号为AN/WSN-7A。WSN-7A系统的结构与MK49系统类似，但技术更先进，可靠性更高，成本更低，体积也更小。该系统导航精度可以达到1n mile/14天，超出了除静电陀螺系统以外的所有其它类型惯导系统，被美国誉为“世界上精度最高、最先进的光学陀螺惯导系统”。WSN-7A系统已经替代了一部分达到服役期限的静电陀螺系统，成为美军水面舰艇和攻击型核潜艇（包括SSGN俄亥俄级巡航导弹核潜艇）的新一代惯导系统，只有战略导弹核潜艇仍在使用静电陀螺系统。由于军事技术保密的需要，WSN-7A只装备美国海军，严格禁止向其它国家出售。

图14 MK49双轴旋转激光陀螺

惯导系统IMU

图15 MK39 Mod3A系统

从20世纪90年代初期，斯佩里公司推出了MK39系列激光陀螺惯导系统。其中，MK39 Mod3A系统采用捷联方案，使用霍尼韦尔公司的3个DIG-20激光陀螺和QA-2000石英挠性加速度计，对准时间4h，导航定位精度1 n mile/8h。MK39 Mod3C系统采用单轴旋转调制方案，对准时间16h，导航定位精度提高到了1 n mile/24h。该系统已被美国海上补给司令部、海岸警备队和超过24个国家的海军选用，主要用于为舰艇平台和火控系统提供位置、姿态、速度和方向数据。在MK39 Mod3C基础上发展而来的AN/WSN-7B单轴旋转激光陀螺惯导系统改用了霍尼韦尔公司的3个GG1320激光陀螺，依旧采用QA-2000石英挠性加速度计，是MK39 Mod3C系统的美军自用型，该系统是美国海军全部水面舰船和潜艇的标准导航装备，早在2001年就已经完成了全部航母的换装工作。

航空领域

在航空上，除了惯性制导以外，惯性系统还可以用来测量飞机的姿态角（俯仰角、横滚角、航向角）和角速度，以它为核心构成的惯导系统和捷联航向姿态系统可以为飞机提供姿态、航向、速度和位置等导航所需的所有参量，也是飞机姿态和航向的测量中心，可以为飞机自动驾驶和自动稳定提供实时信息。

图16 AN/WSN-7B单轴旋转激光陀螺惯导系统

图17 AN/WSN-7系列船用激光陀螺旋转惯导系统发展图

激光陀螺的快速启动特性决定了它特别适用于军用飞行器的惯性制导，可以充分满足战争环境下各类机型快速反应的需要。从公开的文献报道中可以看到，西方发达国家空军的现役装备大量采用了各种激光陀螺惯导系统，表1列出了典型军用机载激光陀螺惯导系统的主要性能指标和应用装备。

表1 典型军用机载激光陀螺惯导系统的主要性能指标和应用装备

图18 H-423激光陀螺惯导系统及其惯性传感器组件（采用GG1342陀螺）

除表中型号以外，F-15“鹰”战斗机、B-1“枪骑兵”战略轰炸机、AH-1W“超级眼镜蛇”系列武装直升机、SH-60“海鹰”系列直升机、KC-135空中加油机、RC-135“铆接”电子侦察机、MC-130E/H“战爪”特种作战飞机、EF-111A“渡鸦”电子战飞机、“灰鹰”无人机、俄罗斯的Su30MKI战斗机、印度的LCA“光辉”战斗机等也都采用了激光陀螺惯导系统。

图19 LN 100激光陀螺惯导系统及其惯性传感器组件（采用ZLG陀螺）

民用航空主要依赖地面和卫星导航，机载惯导系统只是辅助导航手段，主要用于飞机的航姿测量以满足自动驾驶、起飞和降落的操控，更关注的是惯导系统的经济性（低寿命周期成本）和可靠性。基于激光陀螺惯导系统可靠性高、寿命长、易维护的特点，也使其在民用航空领域得到了广泛应用。表2列出了典型民用机载激光陀螺惯导系统及其主要应用机型，波音B737和空客A300以后几乎所有型号的大中型民航客机都采用了激光陀螺惯性导航与管理系统。

表2 典型民用机载激光陀螺惯导系统及其应用机型

陆用领域

在陆用领域，惯性系统主要应用于陆用惯导系统、定位定向系统和陆用武器平台的姿态测量与反馈控制，用于各种主战坦克、火炮、火箭炮、防空系统和卫星跟踪站的瞄准与定向，以及为装甲车、前线观察车和炮瞄雷达车等提供三维组合导航和姿态基准。与其它陆用惯导系统相比，激光陀螺的可靠性更好，抗冲击、振动、大范围温变的能力更强，可以满足野外复杂地形和恶劣环境的应用需求；在相同的精度下系统的尺寸可以做得更小，而且启动时间短，可维护性好；还可以与里程计等进行组合导航，进一步提高精度，装备的适用性好。

目前，西方发达国家陆用装备使用的激光陀螺惯性系统已经实现了标准化、系列化。美国霍尼韦尔公司的H-726型地面导航系统，法国萨基姆公司的西格玛30、ORION陆用导航系统等均采用激光陀螺作为核心的姿态敏感元件，属于陆用武器装备的标准惯性系统。已广泛应用于美军的“帕拉丁”自行榴弹炮、“布雷德利”战车、M270火箭炮、“悍马”测地车、轮式步战车、各种精密测量侦察车等装备。法国的凯撒155mm火炮、瑞典的FH-77B型牵引榴弹炮和以色列的M109式自行榴弹炮也都采用了激光陀螺系统。

图20 LTN 101激光陀螺惯导系统（采用ZLG陀螺）

图21 西格玛30和H-726型陆用激光陀螺惯导系统

弹用领域

在各种近、中程战术导弹和部分远程战略导弹中，广泛采用激光陀螺来测量导弹的俯仰角、横滚角和偏航角，进行导航控制或提供弹体的姿态信息。

在该领域，各种不同精度的激光陀螺惯导系统和姿态测量系统已在数十种应用装备中得到了广泛应用，其中包括：美国公路机动型“侏儒”洲际弹道导弹、“三叉戟”Ⅰ型和Ⅱ型潜射弹道导弹、“战斧”系列巡航导弹（Block Ⅱ和Block Ⅲ采用诺格公司的LN-100G激光陀螺捷联惯导系统，Block Ⅳ采用霍尼韦尔公司的HG9848激光陀螺捷联惯导系统）、AGM-86战略空射巡航弹、ASM-135“阿萨特”反卫星导弹、AGM-65战术空地导弹、AGM-88“哈姆”高速反辐射导弹、AIM-120中/远距空空弹、JDAM联合直接攻击弹药等，欧洲最新的KEPD350型巡航导弹、法国的ANS超声速反舰导弹也使用了激光陀螺系统。

JDAM联合直接攻击弹药采用了霍尼韦尔公司的HGl700惯性组合单元，内含三个GG1308陀螺和加速度计，该陀螺精度不高，但体积小、质量轻，三角形光路的边长只有两厘米，而且价格非常便宜，因此在很多精度要求不高但对体积限制比较苛刻的场合得到了大量应用。

图22 HGl700惯性组合单元内部电路结构

航天领域

在该领域，惯导系统主要用于运载火箭和飞船的惯性制导，以及卫星、飞船等航天飞行器的姿态测量与控制。在满足导航定位精度和可靠性的前提下，还需要从体积、质量、功耗等各个方面减轻运载火箭和航天飞行器的负担，特别是在卫星应用上，还有长寿命和免维护要求。

自从1988年激光陀螺首次成功应用于运载火箭发射以来，多种激光陀螺惯导系统已在“阿利亚娜”Ⅳ型和Ⅴ型运载火箭、日本的H-Ⅱ型运载火箭等得到了广泛应用。在美国新一代导弹防御系统的预警卫星上，利顿公司的异面腔四频差动陀螺被用于卫星红外扫描传感器和辅助凝视传感器的稳定系统。在对地定向的卫星中，激光陀螺被用来测量卫星的俯仰角和横滚角，以稳定卫星的运行姿态。在对地成像侦察卫星中，激光陀螺可以适时监测成像系统和卫星的微振动状态，其振动参数和图像同时发送回地面，可以通过后期处理进一步提高图像分辨率。

其它领域

激光陀螺可以为望远镜和卫星通讯天线的瞄准与跟踪控制提供角坐标参数，用于对望远镜和天线进行姿态控制以便实时跟踪目标，精度可达亚角秒量级。

基于角分辨率高的特点，激光陀螺可以实现高精度、高分辨率动态测角，可用于光学多面体和光学编码器的校准、旋转体的外部角度测量，还可以在舰船或其他载体的不同位置设置多套测量系统，实现大型水面舰船或载体的细微形变测量。

在航天测量船上，激光陀螺捷联惯导系统可以为船上的各种测控雷达提供高精度的船姿船位信息，用于运载火箭和卫星等空间飞行器的精确跟踪和定轨，完成航天测控任务。

激光陀螺惯性测量单元还在很多需要对载体的姿态进行精确测量与控制的场合得到成功应用，美国波士顿动力公司的BigDog“大狗”机器人和双足轮式机器人“Handle”都采用了激光陀螺姿态测量系统，用于实现机器人三维姿态的适时精确测量以达到操控躯体运动平衡的目的。

激光陀螺惯性测量单元还可用于深水探测器的自动操控，长距离隧道、地铁、石油钻探与煤矿采掘的定向挖掘控制，地震的分析与探测等。采用超大激光陀螺（如新西兰和德国联合研制的UG-2型超大激光陀螺，其环路面积达834m²)还可以观察微小的地震效应和固体地面潮汐效应，并有望用于测量引力波等几种相对论效应，用于基础物理研究等领域。

结束语

回顾历史，激光陀螺以其独特的优点已经在军事、民用和科研等领域得到了广泛的应用，虽然目前随着惯性技术及其新器件的发展开始面临光纤陀螺、微机电陀螺、新型原子陀螺等的竞争，但在海、陆、空、天各应用领域中，激光陀螺仍有广阔的市场，特别是借助多传感器信息融合的组合导航、零速修正和旋转调制等技术，可以大幅度提高激光陀螺惯性系统的导航定位精度，在中高精度应用领域仍然占据了不可替代的地位。

注：本文数据与材料基于本单位长期从事激光陀螺技术及其应用研究的资料积累，由于资料来源的渠道各异，部分数据和时间节点无法逐一核实，仅供同行专家参考，并希望得到大家的指正与修订。

本文刊自《国外惯性技术信息》2017年第4期

作者：国防科技大学 张斌、罗晖、袁保伦、汪之国

角速度传感器（陀螺仪）的应用场景

来源：传感器技术

前文我们大致了解陀螺仪的来历，原理和种类，那么，它与我们的日常生活有怎样的关系呢？

陀螺仪器最早是用于航海导航，但随着科学技术的发展，它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。陀螺仪器不仅可以作为指示仪表，而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件，即可作为信号传感器。

根据需要，陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号，以便驾驶员或用自动导航仪来控制飞机、舰船或航天飞机等航行体按一定的航线飞行，而在导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的制导中，则直接利用这些信号完成航行体的姿态控制和轨道控制。

作为稳定器，陀螺仪器能使列车在单轨上行驶，能减小船舶在风浪中的摇摆，能使安装在飞机或卫星上的照相机相对地面稳定等等。作为精密测试仪器，陀螺仪器能够为地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探以及导弹发射井等提供准确的方位基准。

陀螺仪器的应用范围是相当广泛的，它在现代化的国防建设和国民经济建设中均占重要的地位。

陀螺仪在航空飞行领域的应用

由于各种电子设备和电脑控制的高科技发展，各种现代飞机的设计大多数都是静不稳定的，必须利用电子设备和电脑来辅助控制来使飞机取得良好的飞行控制。

这种飞机单纯依靠飞行员手指来控制难度会加大。飞机虽然仍能飞行，但是会出现不同程度的摇晃不定，总是处于一种不稳定的飞行状态。有时重心设定的不太准确，稍微有差别，也会使飞机飞行不太稳定。

空中有各种乱流，也会使飞机飞行不够稳定，这时就使用陀螺仪增稳，飞机就会一直平稳的飞行，让飞行员感觉更容易操控飞机，做出各种动作也更加标准。

陀螺仪让飞行员感觉最明显的是降落的时候，而最需要陀螺仪帮助的也是飞机的降落。因为降落的飞机由于速度较慢，临近失速点，这时更容易受风的影响而导致机翼上下晃动，这时就要不断的用手指去调整飞机姿态使其保持水平不变而逐步下降高度，很多新手飞行员有时修正过多，飞机就会产生更大的晃动，很容易进入失速而导致降落失败。

但是如果将陀螺仪打开增稳状态，由于陀螺仪的传感器非常敏感，机翼稍微有轻微下压，陀螺仪立即发出指令让打副翼让飞机回平，这个过程发生的很快，以至于你都可能看不到机翼下压就已经被陀螺仪修正了。所以你将会看到飞机总是非常平稳的保持水平不变而逐步下降高度，对飞行员有很大的帮助。

对战斗机飞行员来说，陀螺仪的锁定功能将会大大的增加飞行乐趣。比如在战机超低空倒飞通场情况下，飞机性能较好或者调整得当时，通常在正飞状态下，即使不动升降舵飞机也能保持正飞。但是飞机倒飞时通常要稍微推升降舵才能保持倒飞，如果不是技术极其高超，手指很难保持推舵的舵量不变使飞机在倒飞状态下保持飞机一直在同一直线倒飞。

这就是为什么大多数人敢做超低空正飞通常而不敢做超低空倒飞通场，或者正飞通场敢做的很低而倒飞通常不敢做的很低，因为正飞的时候手指可以不动升降舵飞机都能保持直线飞行，而倒飞的时候手指要一直推着舵面，飞机速度快且高度低，手指稍微移动就可能触地炸鸡。这是使用陀螺仪的锁定状态，就变得非常容易了。

因为在倒飞状态下，陀螺仪会自动锁定倒飞的姿态，升降舵操纵杆回中不动，陀螺仪都会自动将飞机一直保持直线倒飞状态，而不用担心手指推舵的舵量是否准确。那么你就可以放心的在跑道远端操控飞机进入超低空倒飞通场状态，然后可以不用怎么操控，飞机也能一直保持超低空倒飞通场了。

陀螺仪在车载导航设备中的应用

车载导航是通过接受GPS卫星信号定位成功后，确定目标再根据导航软件自带数据库规划路线，然后进行导航。因为GPS需要车载导航系统在同步卫星的直接视线之内才能工作，所以隧道、桥梁、或是高层建筑物都会挡住这直接视线，使得导航系统无法工作。

再者，导航系统是利用三角、几何的法则来计算汽车位置的，所以汽车至少要同时在三个同步卫星的视线之下，才能确定位置。在导航系统直接视线范围内的同步卫星越多，定位就越准确。

当然，大多数的同步卫星都是在人口密集的大都市的上空，所以当你远离城区时，导航系统的效果就不会太好了甚至根本就不能工作。这就是所谓的“导航盲区”。

针对这个问题，有导航厂商寻找到了解决之道，而实现精准导航的奥妙在于一个小东西——陀螺仪。

当陀螺仪应用到车载导航上，便大幅度提升了导航的精准度，它的作用体现在：

1、陀螺仪能在GPS信号不好时能继续发挥导航的作用并修正GPS定位不准的问题

在GPS信号不好时，陀螺仪可根据已获知的方位、方向和速度来继续进行精确导航，这也是惯性导航技术的基本原理。同时也可修正GPS信号不好时定位偏差过大的问题。

2、陀螺仪能比GPS提供更灵敏准确的方向和速度

GPS是无法即时发现车子速度和方向的改变的，要等跑了一段距离之后才能测出，因此当你车子在非导航情况下转变了方向后，就会出现小陈那样的状况，导航就无法辨识你车子的转向，结果把方向导错了。而陀螺仪能够在方向和速度改变的瞬间即时测出，从而能让导航软件及时的修改导航路线

3、陀螺仪在上立交桥时更灵敏准确的识别

民用GPS的精度是无法识别上没上立交桥的，而陀螺仪却可测出车子是否向上移动了，从而能让导航软件及时的修改导航路线。依靠GPS卫星的信号导航和陀螺仪的惯性导航，有效提高了导航精准度，即使在失去GPS信号后，系统仍能通过自主推算来继续导航，为车主提供准确的行驶指示。

陀螺仪在无人机飞行控制系统中的应用

无人机的飞行控制系统是其最主要的组成部分之一，而姿态的稳定控制，则是对无人机顺利执行各项任务的有效方法。在目前的无人机实际制造与应用中，有的无人机产品是基于三轴陀螺仪和倾角传感器，来构成全姿态增稳控制系统的。

无人机姿态增稳控制属于内回路控制，它包括姿态保持与控制、速度控制等模式。内回路控制是在以三轴陀螺仪和倾角传感器获取无人机飞行姿态的基础上，通过对升降舵、方向舵的控制，完成飞行姿态的稳定与控制。

其中，三轴陀螺仪主要用来测量无人机在飞行过程中俯仰角、横滚角和偏航角的角速度，并根据角速度积分计算角度的改变。而一般采用双轴倾角传感器，与三轴陀螺仪构成全姿态增稳控制回路。

陀螺仪测量得到的角速度信息用作增稳反馈控制，使飞机操纵起来变的更“迟钝”一些，从而利用倾角传感器测得飞机横滚角和俯仰角。然后将陀螺仪测得的角速率信息和倾角传感器测得的姿态角进行捷联运算，得到融合后的姿态信息。这种较为复杂的捷联算法，能够使姿态精度得到很大提高。

陀螺仪在照相/摄相领域的应用

当我们拍视频或拍照时，有没有相过，通过一种装置，保证你的“相机”固定在同一位置，无论你的手怎么歪斜，身体怎么抖，他都能保持手机的相对稳定。我们都知道，只有当手机或摄像机相对“稳定”我们才能拍出精美的画面或视频。而能够让“稳拍器”始终保持稳定的核心秘密就是“加速度和陀螺仪”传感器。

为什么说“加速度和陀螺仪”传感器是自拍神器的核心秘密呢？因为稳拍器的核心就是对“相机”姿态的检测，然后根据“相机”的姿态变化实时的控制与“相机”连接的电机做相应动作，只要电机控制的够快，就能保证“相机”始终稳定在固定位置。不管你的手左右晃动还是上下晃动，在稳拍神器的控制下你的“相机”就会雷打不动，从而拍出稳定的照片和画面。

稳拍器的整体大致框架如下图所示，其中橘黄色部分就是加速度和陀螺仪传感器工作部分。

它将“摄像设备”的姿态反馈给中心MCU处理单元，中央MCU单元根据检测到的“摄像设备”的姿态和运动情况，去控制电机做相应的动作，电机动作使“摄像设备”保持稳雷打不动的状态，这样拍出来的照片才更清楚，录制的录像才更稳定。

陀螺仪在智能手机中的应用

陀螺仪的使用距离我们最近的就是我们的手机，陀螺仪在手机中的应用主要体现在以下几个方面：

1、导航。

陀螺仪自被发明开始，就用于导航，先是德国人将其应用在V1、V2火箭上，因此，如果配合GPS，手机的导航能力将达到前所未有的水准。

实际上，很多专业手持式GPS上也装了陀螺仪，如果手机上安装了相应的软件，导航能力绝不亚于很多船舶、飞机上用的导航仪。

还可以实现GPS的惯性导航：当汽车行驶到隧道或城市高大建筑物附近，没有GPS讯号时，可以通过陀螺仪来测量汽车的偏航或直线运动位移，从而继续导航。

2、可以和手机上的摄像头配合使用，比如防抖，在拍照时的维持图像的稳定，防止由于手的抖动对拍照质量的影响。在按下快门时，记录手的抖动动作，将手的抖动反馈给图像处理器，可以让手机捕捉到更清晰稳定的画面。

3、各类游戏的传感器，比如飞行游戏，体育类游戏，甚至包括一些第一视角类射击游戏，陀螺仪完整监测游戏者手的位移，从而实现各种游戏操作效果。有关这点，想必用过任天堂WII的网友会有很深的感受。

4、可以用作输入设备，陀螺仪相当于一个立体的鼠标，这个功能和第三大用途中的游戏传感器很类似，甚至可以认为是一种类型。通过小幅度的倾斜，偏转手机，实现菜单，目录的选择和操作的执行。(比如前后倾斜手机，实现通讯录条目的上下滚动;左右倾斜手机，实现浏览页面的左右移动或者页面的放大或缩小。

5、也是未来最有前景和应用范围的用途。那就是可以帮助手机实现很多增强现实的功能。增强现实是才冒出的概念，和虚拟现实一样，是计算机的一种应用。大意是可以通过手机或者电脑的处理能力，让人们对现实中的一些物体有更深入的了解。

如果大家不理解，举个例子，前面有一个大楼，用手机摄像头对准它，马上就可以在屏幕上得到这座大楼的相关参数，比如楼的高度，宽度，海拔，如果连接到数据库，甚至可以得到这座大厦的物主、建设时间、现在的用途、可容纳的人数等。

陀螺仪最新技术简介和发展趋势

目前，陀螺仪技术正在由传统的机械转子陀螺向以光学陀螺仪为代表的新型陀螺仪转变，下面再简要介绍几种处在技术领域前沿的新型陀螺仪技术，希望能够帮助读者开阔视野，了解到国外陀螺仪技术的最新发展。

氦-氖环形激光陀螺仪

相比传统的机械式转子陀螺仪，主要优点是无机械转子，结构简单（少于20个部件），抗振动性能好，启动快，可靠性高，数字输出。

此外，一些研究人员还提出用固态增益介质替换氦-氖气体，能够使陀螺仪的工作寿命更长、成本更低和制造更简单，这种陀螺也被称为固态环形激光陀螺仪（固态RLG）。

目前，基于氦-氖环形激光陀螺仪的惯性导航系统已经广泛应用在航空和航海导航、战略导弹的导航、制导与控制领域，成为主要的高性能陀螺仪之一。

光纤陀螺仪

从20世纪60年代开始，美国海军研究办公室希望发展一种比氦-氖环形激光陀螺仪的成本更低、制造流程更简单、精度更高的光纤角速度传感器，也就是俗称的光纤陀螺。

目前，最为常见的光纤陀螺仪是相敏光纤陀螺仪，通过测量在一个光纤线圈中的两束反向传播光束的相移以敏感载体转动，从而计算出其角速率。

因此，光纤陀螺仪的精度主要取决于其采用的光纤种类和光电检测系统，偏值一般处于0.001度/时-0.0002度/时之间。现在，光纤陀螺仪已经被广泛应用于鱼雷、战术导弹、潜艇和航天器等。

集成光学陀螺仪

随着集成光路的发展，可在单块芯片上实现非常复杂的功能，可以将几毫米直径的集成环形腔激光器、光电检测电路都集成在同一芯片上，作为集成光学陀螺仪的敏感元件，这样可以大大减小现有光学陀螺仪的质量和尺寸，降低成本和功耗，更好地控制热效应，增加可靠性，因此利用集成光学技术制造的光学陀螺仪具有良好的发展前景。

目前，围绕着集成环形腔激光器已经展开了广泛的研究，但是关键技术还有待突破。

此外，包括核磁谐振和超流体等的尖端技术也已经得到了验证，未来也将在新型陀螺仪上得到应用。