陀螺儀在我們周圍無處不在
陀螺儀是一種測量運動載體角度或角速率的傳感器， 它在我們周圍無處不在。例如，飛機按照預定航向平穩的飛行是由於陀螺儀構成的航向姿態導航系統，船舶在浩瀚的大海航行而不迷失方向是由於陀螺儀構成的羅盤。在國防領域中飛彈的精確制導、潛艇長期潛伏在水下的精確導航、行進中的坦克保持火炮和瞄準系統的穩定等都離不開陀螺儀。在國民經濟領域中，大地測量、隧道開鑿、工程測量的精確定位、石油鑽探的精確定向、機器人動作精確控制等都離不開陀螺儀。因此，陀螺儀的應用十分廣泛，並且與我們的生活息息相關。
陀螺儀是一種慣性器件，在任何環境下都具有自主導航的能力，自問世以來，就引起人們極大關注，而且一直是各國重點發展的核心產品之一。在科學技術突飛猛進的今天，與陀螺相關的技術，仍然是人們關注的焦點之一。
什麼是陀螺儀
自1910年首次用於船載指北陀螺羅經以來，陀螺儀已有100多年的發展史，其過程大致分為四個階段：第一階段是滾珠軸承支承陀螺馬達和框架的陀螺，以及20世紀40年代末到50年代初發展起來的液浮和氣浮陀螺；第二階段是20世紀60年代以後發展起來的乾式動力撓性支承的轉子陀螺；第三階段是以雷射陀螺和光纖陀螺為代表的光學陀螺；目前陀螺的發展已進入第四個階段，即微機械陀螺。
經典陀螺儀概念：具有定軸性、進動性的高速旋轉的飛輪，並且能用來測量載體相對於慣性空間角運動的儀表。經典陀螺儀有兩大特性，即定軸性和進動性。可以利用這兩個特性建立一個相對慣性空間的人工參考坐標系，通過陀螺儀和加速度計測出運載器（包括飛機、飛彈、火箭、潛艇等）的旋轉運動和直線運動信號，經計算機綜合處理，發出指令姿態控制系統和推進系統，實現運載器的完全自主導航。
現代陀螺儀概念：用來測量載體相對於慣性空間角運動的儀表。
當前陀螺儀發展的形勢可概括為：應用成熟的機械陀螺（撓性陀螺和液浮陀螺）、不斷改進的雷射陀螺、迅速發展的光纖陀螺和方興未艾的微機械陀螺。
國外光纖陀螺儀發展動態
國外光纖陀螺技術已經臻於成熟，精度範圍涵蓋了從戰術級、慣性級到戰略級的各種應用，廣泛應用於航空、航天、航海等軍事及民用工業領域。目前國外最傑出的光纖陀螺及其應用系統研究與製造廠家主要有美國的霍尼韋爾公司、諾斯羅普·格魯門公司和歐洲的IXBlue公司等。
1、霍尼韋爾公司
霍尼韋爾公司自20世紀80年代中期開始研發各類精度的光纖陀螺，至上世紀末已生產交付了10000多只用於商業飛行器的戰術級開環陀螺。霍尼韋爾公司光纖陀螺產品概覽如下表所示。
霍尼韋爾最先實現去偏陀螺技術，使用單模光纖生產高精度的光纖陀螺，且壽命更長，可用於空間平臺、潛艇等。基於去偏陀螺的這一優點，霍尼韋爾歷時三年研發出了用於商業衛星的下一代慣導系統SPIRIT，於2011年完成工程樣機的設計製造和測試，並於2012年推向市場。SPIRIT內部結構如圖1所示。
SPIRIT包含4個光纖陀螺與8個RBA500加速度計，光纖陀螺隨機遊走係數小於0.001○/√h，標度因數非線性度小於50ppm、標度因數穩定性小於200ppm（3σ）。SPIRIT所用的光纖陀螺尺寸僅為76mm（直徑）×66mm（高），重量454g，功耗1W，適用於衛星上有限的空間和電源條件。
2、諾斯羅普·格魯門公司
諾格公司自1988年開始研製基於光纖陀螺的IMU系統，代表產品分為uFORS系列與FOG-200系列，前者精度低突出小型化特徵，後者精度高、應用於IMU、AHRS等軍用系統。
LN260中光纖陀螺零偏穩定性0.001○/h，標度因數穩定性10ppm，其中：
純慣導定位精度0.8nmile/h、姿態精度0.05°、航向精度0.1°；
組合導航定位精度小於4m、姿態精度0.01°、航向精度0.02°。
3、IXBlue公司
IXBlue公司的前身是1978年成立的Photonetics公司，主要從事光纖陀螺技術的研發，經過數十年的持續研發，其光纖陀螺應用系統覆蓋了航海、陸地和空間應用等場合，涵蓋了從戰術級到戰略級的各個精度範圍。
IXBlue公司基於光纖陀螺的姿態航向參考系統OCTANS非常適用於各種水面艦艇，大部分法國海軍水面艦艇和英國海軍的獵雷艦和全部的美國海岸警衛隊的80和110英尺快艇均有裝備。其基於光纖陀螺的軍民兩用慣性導航系統PHINS的性能優於OCTANS，導航精度達到0.6nmile/h，能實現在無GPS信號情況下的精確慣性導航，目前廣泛裝備於美國、英國、法國、荷蘭、比利時和印度尼西亞等國海軍。
MARINS是IXBlue公司專為軍事用途開發的高精度光纖陀螺捷聯慣導系統，系統上的光纖陀螺使用了直徑170mm長3km的光纖環，陀螺零偏穩定性5×10-4 ○/h，角度隨機遊走2×10-4 ○/√h ，標度因數穩定性10ppm，能實現1nmile/24h的高精度純慣性導航，已經被選擇應用於英國海軍的兩艘「伊莉莎白」級航空母艦（預期將在2016年和2018年服役），同時也應用於英國海軍的第四艘「機敏」級攻擊核潛艇「勇敢」號和法國海軍的「卡薩爾」級防空護衛艦。IXBlue公司對MARINS系統及其光纖陀螺進行了長時間測試，控溫測試條件下MARINS中的光纖陀螺在長達12天的靜態測試中未表現出偏置漂移特性，這是機械陀螺和雷射陀螺所不具備的；在不穩定溫度環境下，MARINS中的光纖陀螺的零偏穩定性仍然能達到10-4○/h量級。控溫條件下對MARINS系統長達38天的靜態測試結果表明，MARINS具有實現1nmile/month的純慣性導航精度的能力，對應的光纖陀螺偏置不穩定性在10-5○/h量級，標度因數穩定性約1ppm，顯示出光纖陀螺慣導在未來高精度慣性導航領域的巨大潛力。
IXBlue公司與Astrium公司為空間應用聯合開發的四軸光纖陀螺ASTRIX200採用了直徑170mm長度為5km的光纖環，隨機遊走係數2×10-5 ○/√h，其偏置不穩定性5×10-4○/h，控溫條件下達到4×10-5○/h，能實現解析度0.001角秒的旋轉測量。MARINS和ASTRIX200代表了IXBlue公司在光纖陀螺發展和應用領域的最高水平，對光纖陀螺發展和應用具有指引意義。
寶成光纖陀螺發展概況
2004年，中航工業陝西寶成航空儀表有限責任公司（以下簡稱寶成）開始進行光纖陀螺技術研究，展開產品開發調研，進行可行性分析。
2006年，寶成和浙江大學籤訂紀要，進行技術合作。2007年雙方共同籌建航空光纖陀螺工程技術中心，2008年6月16日航空光纖陀螺工程技術中心在寶成正式掛牌，標誌著寶成與浙江大學的光纖陀螺工程化合作進入了新的階段，為以後雙方深入合作奠定了基礎。
經過不懈努力，寶成逐步掌握了光纖陀螺核心技術，於2008年完成TGX-75A光纖陀螺的研製，隨後成功應用於多個飛機項目，產品性能穩定、表現優異，開創了在航空領域應用的先河，具有裡程碑的意義，標誌著寶成光纖陀螺系列產品研製新階段的開始，同時也為後續產品的研製、產品應用領域的拓展提供了新的契機。
寶成的光纖陀螺技術水平
通過與浙江大學的合作，寶成完全掌握了數字閉環單模去偏技術，並實現了工程化和產業化。技術方面，已經形成了完整地去偏幹涉測量的理論體系，完成了廣義shupe效應理論研究及去偏器的新設計方法；提出了光纖陀螺的多閉環調製解調理論、建立了去偏光纖環的理論模型；掌握了高精度去偏器的設計、製造和測試技術，光纖陀螺的調製解調及溫度補償技術。
寶成研製的中、高精度光纖陀螺，有以下主要特點：
啟動快，啟動時間不大於5s；
溫度環境適應性強，在-55℃到70℃範圍內工作正常；
測量範圍寬，可測量從0.01○/h到3.6×106○/h的速率信號，動態範圍達到3.6×108；
可靠性高，MTBF大於60000h；
全固體慣性器件，機械環境適應性好，能夠承受高強度的機械振動和衝擊試驗。
在完成技術鑑定的基礎上，寶成完成了60000小時的可靠性鑑定試驗，並且隨多個光纖航姿系統完成了技術鑑定、可靠性試驗，是國內第一個進行光纖陀螺和系統可靠性鑑定試驗的單位。
寶成建成國內領先國際先進的光纖陀螺生產線
寶成隸屬於中國航空工業集團公司，位於陝西省寶雞市，是國家「一五」期間國家156項重點工程中的航空工業13個項目之一。主要從事飛機、武器、戰車、水中兵器、船舶用導航系統、飛行環境安全監測系統、慣性元器件和基礎元器件的科研生產。
根據慣性元件的現狀和發展方向，寶成確定了重點發展光纖陀螺的發展思路，開展了中高精度光纖陀螺產品研製和光纖捷聯導航系統的研製，經過多年的不懈努力，逐步掌握了光纖陀螺核心技術。
在此基礎上， 2008年10月，寶成的光纖陀螺產業化建設項目建設立項申請，獲得了國家發改委批准（陝發改高技［2008］1521號《關於加強陝西寶成航空儀表有限責任公司光纖陀螺產業化項目建設的通知》），並給予資金支持。
光纖陀螺生產線結合寶成多年生產、裝配陀螺的經驗，通過產品設計鑑定、工程化研究，提出滿足光纖陀螺工程化生產的生產裝配環境、測試環境，推廣新工藝方法、新工藝技術，按照標準化、模塊化、數位化、信息化、自動化要求設計和建設。
生產線採用了可視化裝配工藝技術，保證了生產工藝的穩定性、一致性，提高了培訓的效果和效率；採用自動化測試，測試結果軟體自動生成，最大限度的消除了操作人員帶來的影響，提高了測試的準確性和效率；採用抗電磁環境、抗振動環境等技術，滿足了光纖陀螺測試要求；採用標準化、模塊化技術和生產組織模式，可以滿足不同精度光纖陀螺研製和工程化生產的需要。
2011年5月，光纖陀螺生產線通過驗收，生產線工程化建設達到國內領先、國際先進的水平。驗收結論：光纖陀螺產業化建設項目工藝技術成熟，生產流程科學先進，已建成數字閉環光纖陀螺生產線，生產運行情況良好，達到了年產1500隻光纖陀螺生產能力的建設目標；該項目帶動了國內數字閉環去偏光纖陀螺技術的應用，大大提高了光纖陀螺專業化水平和產業化能力，其產業化能力、工藝技術達到了國內領先、接近國際同行業水平。
寶成光纖陀螺工程化項目獲得2011年度中國產學研創新成果獎及「十一五」期間陝西省產學研聯合開發優秀項目獎。
光纖陀螺生產線驗收以來，各種設施運行狀況良好，能夠滿足光纖陀螺工程化批量生產、光纖陀螺系列產品試製、產品裝配和試驗的要求，達到了年產1500隻中高精度光纖陀螺的生產能力。生產的光纖陀螺性能合格、工作穩定可靠，已成功應用在光纖捷聯組合導航系統、捷聯航向姿態系統、航向姿態系統等20多個系統中，滿足了用戶使用要求。
光纖陀螺產業化建設項目的完成，加快了慣性技術產品更新換代和技術進步，促進了寶成由傳統的框架式陀螺航姿系統技術轉變為以光纖陀螺為慣性器件的光纖捷聯航姿系統、光纖捷聯慣導系統的轉變，由以機電儀表技術轉變為以光學、電路、計算機、軟體為核心的高科技集成技術，提升了寶成的技術進步。如今，以光纖陀螺為慣性器件的導航系統已經成功應用於國內絕大多數新型戰機，國內在役飛機正在採用公司光纖航姿系統進行升級改造，極大地促進了光纖捷聯導航系統在航空領域的應用，為航空儀表的技術進步做出了貢獻。
同時，光纖陀螺在航空、航天、鐵路、測量等領域的應用，促進了國內慣性導航技術的發展，為東部高新技術向西部轉移，加快西部的經濟發展做出了貢獻。有助於軍用技術向民用領域的擴展，提升民用產品技術水平，促進軍用產品技術發展。
光纖陀螺發展趨勢
作為測量角速率的慣性器件，光纖陀螺具有精度高、無運動部件、可靠性高等特點，同時在同精度水平的傳感器中價格相對較低，其應用前景十分廣闊。經過近40年的發展，光纖陀螺技術已經基本成熟，但其仍具有巨大的發展空間。根據應用對傳感器的要求，光纖陀螺的總體發展趨勢有以下幾個：
1、高精度光纖陀螺
目前光纖陀螺的精度已經達到了戰略級武器應用的水平，但主要還是應用於戰術級武器導航。同時其測量精度也仍未發展到極限，還有很多非互易效應造成的測量誤差需要解決。目前針對高精度光纖陀螺的研究中出現了多種技術方案：
在光纖陀螺中應用光子晶體光纖（PCF），光子晶體光纖是一類具有特殊內部結構的光纖，典型的新型光纖陀螺使用的光子晶體光纖結構如圖2所示。
由於光子晶體光纖中光主要在空氣芯層中傳播，而空氣芯層較傳統光纖的玻璃芯層為各向同性介質，具有很小的沃爾德係數以及很低的熱膨脹係數，導致它們造成的Kerr效應、Faraday效應和Shupe效應很低。通過採用此類光纖作為光纖陀螺的敏感環，可以將光纖陀螺內的噪聲源進一步降低：Kerr效應降低170倍以上、Shupe效應降低6.5倍、Faraday效應降低20倍以上，從而提高光纖陀螺的測量精度。
在光纖陀螺中採用雷射光源。光纖陀螺研究初期，學術界普遍認為瑞利散射是光纖陀螺一大噪聲源，因此採用寬光譜的SLD光源來抑制瑞利散射對幹涉結果的影響。但是SLD的平均波長穩定性差，導致光纖陀螺具有較大的標度因數誤差，目前常見的光纖陀螺標度因數穩定性為10ppm，低於高精度慣導所要求的1ppm量級。而雷射光源具有非常穩定的輸出波長（小於1ppm），若能應用於光纖陀螺可以大幅提高標度因數穩定性。
最近的理論與實驗研究表明，使用改進的窄線寬雷射二極體光源，通過選取合適的雷射器波長和線寬，並在光學器件連接中實現精確對準，可以降低光纖中的瑞利散射效應，這樣在保證陀螺性能的同時能夠提高標度因數穩定性（角度隨機遊走係數達到0.003○/√h）。同時有些文獻了提出採用窄線寬雷射器和光子晶體光纖結合的方法，通過光子晶體光纖中瑞利散射極低的特性，結合窄線寬雷射器高穩定輸出波長的特點，提高光纖陀螺的探測精度和標度因數穩定性。
2、光纖陀螺小型化與可靠性提升
在保持測量精度的前提下降低光纖陀螺的體積、重量，提高光纖陀螺的可靠性，以提高整個應用系統的設計冗餘，同時適用特殊環境下的應用，如深海、太空環境等。
小型化方面的主要技術是各類集成和復用技術，包括將各個電子器件集成在單一晶片上的片上系統（SoC, System on a Chip），通過片上系統的合理設計，可以大大降低光纖陀螺處理電路的體積並降低內部電子串擾，提高其穩定性；將光源和探測器一體化的有源器件集成技術，可以降低光學系統的體積，並提高集成度等。
3、光纖陀螺的其他發展方向
通過三個光學系統共用一個光源，可以減少光源的數量、減少體積和功率損耗，提高光纖陀螺的集成度。
圖3所示為俄羅斯Optolink公司研製的三軸光源復用光纖陀螺結構示意圖，通過光源復用降低了系統體積與功耗。
通過信號處理和補償等方法提高光纖陀螺可靠性，例如為了滿足太空空間應用中的輻照環境，國際上提出了一種在輻照條件下的角隨機遊走預測模型，根據探測到的光源光強對輻照條件下的光纖陀螺角隨機遊走進行預測，將預測值與光纖陀螺輸出數據的角隨機遊走比較後對光纖陀螺的器件狀態進行診斷，並採用相應的修復和補償策略。圖4所示為採用此預測模型的四軸光纖陀螺，結合預測模型和光源冗餘設計，可以大大提高光纖陀螺在太空複雜環境下的可靠性。
光纖陀螺市場商機無限
光纖陀螺屬於全固態陀螺，無活動部件，具有啟動快、檢測靈敏度高、解析度高、動態範圍寬，機械環境適應性強、可靠性高等特點，是當今慣性器件發展的方向。它以其無與倫比的優勢取代了機械旋轉質量陀螺的繁冗操作和諸多的日常維護，也克服了環形雷射陀螺的閉鎖現象，更省去了為保持小轉速的靈敏度所採取的防機械抖動措施，因此具有更為廣闊的應用前景。
1、用於無人機、直升機、民用小飛機等，作為主導航系統使用。國內正在加快低空開放工作，給民用飛機、直升機和無人機提供了廣闊的需求。隨著國家經濟的發展和人民生活水平的提高，各種民用飛機和無人機已經開始進入個人消費領域。可以預計，將來很長一段時間內，國際、國內對各種飛機的需求很大，必然帶動對光纖陀螺的需求，光纖陀螺在這方面具有很好的應用前景。
2、隨著我國海洋活動的頻繁，需要數量巨大的各類船舶，光纖陀螺的可靠性高、壽命長等優點，非常適合應用於船舶導航。
3、民用機器人領域。民用機器人是一個新興的行業，同樣需要對其進行方向和姿態的控制。而光纖陀螺體積小、重量輕、成本低的特點正好與機器人的要求一致。
4、國內經濟持續發展，礦井開採、油井測量、石油勘探、地面車輛導航、土木工程測量和隧道開鑿等，需要大量的勘探測量系統，給光纖陀螺產品帶來了無限商機。（白轉石 畢軍利 中國航空報）
責任編輯：胡光曲