陀螺儀的發展與展望

史文策，許江寧，林恩凡

（海軍工程大學 電氣工程學院，武漢 430033）

0 引言

陀螺儀，簡稱陀螺，是用來測量、控制物體相對慣性空間角運動的慣性器件。陀螺儀技術自問世以來，發展至今已有160余年歷史，在導航、制導與控制等領域得到了廣泛應用。隨著科學理論的進步和工藝水平的不斷提高，基于不同原理的陀螺儀相繼出現，各國對陀螺儀精度、穩定性、可靠性、成本、體積等性能指標的不懈追求，極大地促進了陀螺儀技術的發展。

陀螺儀按照工作原理可劃分為：基于旋轉質量陀螺效應的轉子陀螺儀；基于薩奈克效應的光學陀螺儀；基于哥氏效應的振動陀螺儀；基于現代量子力學技術的原子陀螺儀[1-2]。

1 陀螺儀的發展

1852年，法國物理學家萊昂·傅科（Léon Foucault）提出了利用陀螺儀指向的設想，并成功研制出世界上第一臺傅科陀螺儀（如圖1所示），有效地驗證了地球自轉運動，開啟了人類對工程實用陀螺儀的研究與設計。1908年，德國科學家赫爾曼·安許茨-肯普費（Hermann Anschütz-Kaempfe）設計了一種單轉子擺式陀螺羅經，該系統可以憑借重力力矩進行自動尋找北方向，解決了當時的艦船導航問題。第二次世界大戰期間，德國利用陀螺儀為V-2火箭裝備了慣性制導系統，實現了陀螺儀技術在導彈制導領域的首次應用[3]。

圖1 傅科陀螺儀

20世紀50年代，轉子陀螺儀開始出現，美國麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）的查爾斯·施塔克·德雷珀實驗室（Charles Stark Draper Laboratory），采用液浮支承技術，研制出單自度液浮陀螺儀（fluid floated gyroscope, FFG），使得陀螺儀的精度達到了慣性級要求。20世紀 60年代初，美國人羅伯特·克雷格（Robert Craig）研制出了動力調諧陀螺儀（dynamically tuned gyroscope, DTG），?？柛Ｌ毓狙兄频腟KN-2416、SKN-2610、MODⅡ等型號產品，在戰術導彈及軍用飛機等平臺進行了成功應用[4]。1964年，美國最先研制出靜電陀螺儀（electrically suspended gyroscope,ESG），并于1979年首次為“三叉戟”彈道導彈核潛艇裝備了靜電陀螺監控器，使得潛艇的導航能力出現了質的飛躍。

20世紀60年代，光學陀螺儀的出現是慣性技術領域的一場重大變革。1963年，美國斯佩里公司最先研制出激光陀螺儀（ring laser gyroscope,RLG）。隨后經過十余年的不懈努力，美國霍尼韋爾公司于1975年和1976年分別將激光陀螺儀應用到飛機和戰術導彈；1982年，該公司利用GG-1342型激光陀螺儀，為美國海軍研制出了第一臺用于艦艇的高精度導航設備。光纖陀螺儀（fiber optical gyroscope，FOG）是出現稍晚于激光陀螺儀的另一類光學陀螺儀，與激光陀螺儀相比，FOG具有體積更小、成本更低、便于批量生產等顯著優勢，迅速獲得了各大陀螺儀生產商的青睞。

進入 20世紀 90年代，隨著微機電和量子技術的不斷發展，以微機電系統（micro electro mechanical system gyroscope, MEMS）陀螺儀、半球諧振陀螺儀（hemispherical resonator gyroscope,HRG）為代表的振動陀螺儀和以核磁共振陀螺儀（nuclear magnetic resonance gyroscope, NMRG）、原子干涉陀螺儀（atomic interference gyroscope,AIG）為代表的原子陀螺儀等新型陀螺儀得到了快速發展，掀開了陀螺儀技術的嶄新篇章。

2 新型陀螺儀

2.1 微機電系統陀螺儀

MEMS陀螺儀，主要采用微/納米技術，將微機電系統裝置與電子線路集成到微小的硅片襯底上，通過檢測振動機械元件上的哥氏加速度來實現對轉動角速度的測量。MEMS陀螺儀主要包括角振動式、線振動式、振動環式及懸浮轉子式四種類型[5]。

20世紀 60年代，國外開始對 MEMS陀螺儀進行研究，直到1988年，德雷珀實驗室才成功研制出世界上第一臺MEMS陀螺儀。之后數十年，MEMS陀螺儀技術得到了國內外的高度重視。英國貝宜（BAE）系統有限公司，采用MEMS諧振環陀螺儀實現了 MEMS 慣性測量單元（inertial measurement unit, IMU）的系列化，如圖2所示。

圖2 英國BAE公司研制的MEMS IMU系列化產品

MEMS IMU系列化產品在高速旋轉彈、中程導彈和美國155 mm制導神箭炮彈等武器系統中，得到了成功應用[6]。日本硅傳感系統公司對MEMS諧振環陀螺儀的研制能力處于世界頂尖水平[7]。2019年，霍尼韋爾公司公布了其用于平臺穩定的MEMS面外陀螺儀性能，角度中值的零偏穩定性優于0.2(°)/h，隨機游走優于0.0060.5(°)/h ；同年9月，該公司推出了旨在取代光纖陀螺儀的兩款新型HG系列MEMS陀螺儀[5]。

我國在MEMS陀螺儀領域研究起步較晚，經過近些年的努力，在MEMS陀螺儀設計技術、制作工藝技術、電路小型化技術等關鍵環節上不斷取得突破，目前，多家單位研制的工程樣機已基本滿足應用要求，但是與先進的國外產品相比，綜合性能上仍有較大進步空間。

2.2 半球諧振陀螺儀

半球諧振陀螺儀是一種固態波陀螺儀，它通過半球諧振子徑向振動產生的駐波沿環向的進動效應來感測基座的旋轉，進而確定旋轉角度或速度。半球諧振陀螺儀按照結構形式可分為兩件套構型和三件套構型[8]，按照工作模式可分為全角模式和力平衡模式[9]。

半球諧振陀螺儀開始出現于 20世紀 60年代。自問世以來，備受各國關注，隨著電子學技術和制作工藝水平的提高，半球諧振陀螺儀性能也不斷提升。目前，美國、俄羅斯和法國在半球諧振陀螺儀的研制中處于領先地位。美國諾格公司研制的哈布爾（Hubble）HRG，其零偏穩定性達 0.000 08(°)/h ，角度隨機游走達0.000 010.5(°)/h ，是當前公開報道中，性能指標最高的半球諧振陀螺儀[10]。俄羅斯米亞斯梅吉科科研生產所，利用其獨有的離子束調平技術，很好地促進了半球諧振陀螺儀精度的提升[11]。法國賽峰電子與防務公司研制的、以 HRG克里斯特爾（Crystal）TM為基礎的純慣性導航儀奧尼克斯（ONYXTM），是當今世界上精度最高、體積最小的純慣性導航儀[12]，ONYXTM的結構如圖3所示。

圖3 法國賽峰電子與防務公司研制的ONYXTM純慣性導航儀

我國自 20世紀 80年代起，開始對半球諧振陀螺儀展開研究，起步階段受各種原因影響，發展相對緩慢，直到“十五”期間，中國電子科技集團第 26研究所與俄羅斯開展技術合作，于 2002年成功研制出了我國第一臺力平衡模式 HRG樣機，之后，其發展逐漸步入快車道，目前該所已建成一條半球諧振陀螺儀批量生產線，研制的力反饋式半球諧振陀螺儀的性能指標，滿足了空間高精度、長壽命衛星的使用需求[13]。2017年和2018年，上海航天控制技術研究所研制的半球諧振陀螺儀，分別成功應用到了通信技術試驗衛星二號和高分五號衛星上，實現了我國自主研發的半球諧振陀螺儀在空間領域的實際應用[14]。國防科技大學對半球諧振陀螺儀的諧振子振動特性檢測、溫度影響以及全數字電路設計等方面進行了深入研究，并于2019年成功研制出微半球諧振陀螺樣機[15]，如圖4所示。

圖4 國防科技大學研制的微半球諧振陀螺樣機

2.3 核磁共振陀螺儀

核磁共振陀螺儀是通過敏感原子自旋在靜磁場中拉莫爾進動的頻率變化來確定運載體的轉動的，是一種基于核磁共振原理的全固態陀螺儀[16]。

20世紀60年代，歐美先進國家開始對核磁共振陀螺儀技術展開研究并取得了階段性成果。但是到了 20世紀 80年代，由于遭遇技術瓶頸和光學陀螺儀的迅速發展等多重原因，核磁共振陀螺儀發展出現停滯。直到21世紀初，隨著量子技術理論體系不斷完善，核磁共振陀螺儀再次進入人們視野。2005年，美國國防先進研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）在“基于微技術的定位、導航與時間系統”項目中，支持諾格公司開展相關技術研究，歷經了四個階段，2014年該公司成功研制出體積為5 cm3，零偏穩定性為0.01(°)/h的核磁共振陀螺原理樣機（如圖5所示），并于2017年構建了慣性導航系統[17]。

圖5 美國諾格公司研制的核磁共振陀螺原理樣機

“十二五”期間，我國開始研制核磁共振陀螺儀，北京航空航天大學、北京自動化控制設備研究所、國防科學技術大學等科研機構先后投入到核磁共振陀螺儀的研制工作并取得階段性成果，大幅推進了我國相關技術的發展。

2.4 原子干涉陀螺儀

原子干涉陀螺儀，又稱冷原子陀螺儀，其工作原理不同于核磁共振陀螺儀，而是基于物質波薩奈克效應[18]。原子具有波粒二相性，其物質波屬性經激光深度冷卻后將變得明顯，通過物質波的干涉現象，可以量測運載體的角速度。由于原子的物質波波長遠小于光波且速度遠小于光速，原子干涉陀螺儀的理論精度可達光學陀螺儀的 1 × 1 0-10倍[19]。

1991年，美國斯坦福大學朱棣文小組，首次觀察到了原子干涉儀的陀螺效應，由于原子干涉陀螺儀的巨大精度潛力，引起了美國、法國和德國等發達國家的密切關注。2003年，DARPA制定了利用超冷原子干涉原理實現高精度慣性導航系統研究計劃，在該計劃支持下，2019年，奧森塞（AOSense）公司研制的原子干涉陀螺儀精度達5× 1 0-6(°)/h。2018年，德國萊布尼茲大學構建了包括冷原子干涉陀螺儀在內的超高精度慣性傳感器仿真平臺，展示了冷原子干涉傳感器應用于慣性導航系統的潛力[12]。

近年來，我國也加緊了對原子干涉陀螺儀技術的研究，目前已有多家科研單位和高等院校開展了冷原子陀螺儀的技術研究工作，包括清華大學、中國科學院武漢物理與數學研究所、北京航天控制儀器研究所和華中科技大學等。

3 陀螺儀的展望

通過閱讀研究近年來國內外相關文獻資料，對不同原理的陀螺儀性能指標進行比較分析可得表1，并可以此為基礎展望各類型陀螺儀的未來發展趨勢。

表1 不同陀螺儀的性能指標對比

3.1 轉子陀螺儀

液浮陀螺儀經過幾十年的發展，技術上已相對成熟，目前主要作為敏感傳感器應用到武器系統上，以實現隨動跟蹤與制導，但在降低溫控裝置功耗和噪聲等方面，仍有提升空間。動力調諧陀螺儀，在20世紀70年代到20世紀90年代被廣泛應用，但隨著光學陀螺儀技術的出現和發展，其各方面性能指標均不占優勢，在各領域逐漸被光學陀螺儀所取代，目前國內外已基本停止了對動力調諧陀螺儀的研究。靜電陀螺儀仍是目前實際應用中，精度最高的陀螺儀，但由于其工藝復雜、成本昂貴、抗干擾能力差等缺陷，如今僅在高精度慣性導航系統中繼續應用，受關注度較低，各國正努力尋求其替代品，未來進一步發展的空間相對受限。

3.2 光學陀螺儀

光學陀螺儀因其精度高、穩定性高、體積小、抗干擾能力強等優勢，是目前捷聯式慣性導航系統中使用的主流產品，在市場中仍占據著主導地位。激光陀螺儀近年來不斷朝著高精度、小型化、低成本的方向快速發展，但如何更有效地減小閉鎖效應，更好地提升激光陀螺儀的精度仍是亟待突破的難題。光纖陀螺儀雖然晚于激光陀螺儀出現，但發展勢頭迅猛，美國、法國、俄羅斯和日本等發達國家，研制的新產品不斷涌現，滿足了不同領域的實際應用需求，下階段，融合多種技術，從精度、穩定性、體積和成本等方面提高光纖陀螺儀的整體性能，并采用有效手段克服外界環境的影響，將是光纖陀螺儀的重點研究方向。

3.3 振動陀螺儀

MEMS陀螺儀因其體積小、成本低、易批量生產等優勢，現階段已基本占據低精度市場，隨著工藝水平、計算機技術和數據算法的不斷發展，其精度性能有望實現質的突破，進入慣性級陀螺儀應用領域。半球諧振陀螺儀較好地滿足理想慣性傳感器的性能指標，在成功應用到空間領域的基礎上，向航海領域的推廣已成為必然趨勢，例如，法國已將半球諧振陀螺儀作為新一代海洋導航定位系統的主要慣性導航設備，賽峰電子與防務公司基于 HRG Crystal技術研發的布盧·瑙特（Blue Naute）系列慣性導航系統，已開始應用到工程船舶、科考船和海警船等載體上[20]；另外，結合新型制作工藝，大力開發基于MEMS技術的微半球諧振陀螺儀（micro-HRG, MHRG）也是未來的熱點研究方向。

3.4 原子陀螺儀

由于各國的高度關注，原子陀螺儀技術不斷取得突破性進展，已開始逐漸從實驗室步入工程化并最終通往產業化。核磁共振陀螺儀具有體積小、功耗低、抗干擾能力強等顯著特點，與MEMS工藝技術相結合，有望實現芯片型慣性級陀螺儀，并以捷聯式方案應用到微小型戰術導彈、微小衛星、小型飛行器和自主式水下航行器等裝備上。原子干涉陀螺儀具有超髙的理論精度，特別適合作為高精度平臺式慣性導航系統的傳感器，應用到戰略武器裝備上，但目前來看，原子干涉陀螺儀距離最終產業化應用仍面臨許多技術困難，需要做好中長期的規劃部署。

4 結束語

陀螺儀作為慣性技術體系的重要一環，是慣性導航系統中的核心傳感器，其技術的更迭前進與慣性技術的發展需求密不可分。轉子陀螺儀拉開了陀螺儀工程化應用的序幕；光學陀螺儀具有里程碑的意義，在捷聯式慣性導航系統中的成功應用，大幅改善了陀螺儀精度與穩定性、體積之間的矛盾；振動陀螺儀和原子陀螺儀等新型陀螺儀，在現階段展示出了巨大潛力，正處于高速發展狀態。陀螺儀技術對國家綜合定位、導航、授時（positioning, navigation and timing, PNT）體系的建設有著重要意義，未來將不斷向著高精度、高可靠性和小型化、低成本兩大方向邁進，對陀螺儀技術的持續探索研究，仍將是國內外廣大科技工作者密切關注的焦點。