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雷射陀螺（RLG）是一種以薩格奈克（Sagnac）效應為基礎的光學陀螺，主要用於運動載體的角運動（運動角速度或轉動角度）測量。
1913年，法國科學家Sagnac進行了環形光路中外界轉動引起幹涉條紋變化的實驗，並從理論上對此現象進行了解釋，提出了著名的Sagnac效應：在環形閉合光路中，從某一觀察點發出的一對光波沿相反方向運行一周後又回到該點時，這對光波的光程（或相位）將由於閉合光路相對於慣性空間的旋轉而不同，其光程差（或相位差）與閉合光路的旋轉角速度成正比。
在隨後的很長一段時間裡，由於沒有合適的相干光源，光學Sagnac效應的研究基本上沒有任何實用性進展。直到1960年，世界上的第一臺雷射器誕生以後，雷射陀螺作為雷射技術的一個重要應用而成為世界各軍事強國研究的熱點。
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雷射陀螺及其特點
雷射陀螺是由腔體（一般採用超低膨脹係數的微晶玻璃材料）和高質量反射鏡構成的環形雷射器，腔內運行的順、逆時針雷射能夠以不同的頻率獨立振蕩。由於雷射諧振條件的要求，Sagnac效應產生的光程差轉換成了順、逆時針運行雷射的頻率差，因此極大地提高了陀螺的響應靈敏度。當雷射陀螺固連在運動載體上，並相對於慣性空間以角速度Ω旋轉時，該頻率差為：，式中為標度因數，它由環形諧振腔的面積A、環路長度L以及雷射波長λ決定。
雷射陀螺的原理光路如圖1所示，採用合光稜鏡使其輸出的順、逆時針雷射以微小夾角合併，經光電轉換後可得到頻率為∆v的拍頻信號，從而實現載體轉動角速度的測量。
圖1 雷射陀螺原理光路
在實際的雷射陀螺中，順、逆時針雷射通過反射鏡的後向散射或環路中的非均勻損耗發生耦合，導致陀螺輸入角速度小於某閾值時，頻率差∆v為零，這種現象稱為閉鎖效應。為了克服閉鎖效應的影響，雷射陀螺需要採取偏頻措施，即在兩束光波之間人為引入較大的頻率差，使雷射陀螺的工作區遠離閉鎖區域或者減少處於閉鎖區域的時間。具體的偏頻方案有機械抖動偏頻、四頻差動偏頻、恆轉偏頻、磁鏡交變偏頻、縱向塞曼效應偏頻等，其中以採用機械抖動偏頻和四頻差動偏頻方案的雷射陀螺應用最為廣泛。
圖2 雷射陀螺慣性測量單元
雷射陀螺的一個環路對應一個角速度敏感方向，將三個雷射陀螺和三個加速度計正交配置組合構成圖2所示的雷射陀螺慣性測量單元（IMU），利用IMU測量載體運動的三維角速度和加速度，再通過慣性導航解算得到載體的位置、姿態等信息。基於雷射陀螺的慣性導航系統廣泛應用於導航與制導、姿態測量與控制、定位與定向、穩定與瞄準等領域。
傳統機電陀螺儀利用高速轉動機械轉子的定向性和進動性來測定載體相對於慣性空間的轉速和方位，而正是由於高速轉子自身的抗衝擊振動能力差、存在加速度效應、不能快速啟動等固有缺陷，使其在慣性導航中的應用受到限制，妨礙其進一步的發展。美國20世紀80年代研製的MX「和平衛士」洲際飛彈上搭載的機電陀螺儀是世界上精度最高的機械式陀螺儀，零偏穩定性達到1.5×10-5(º)/h，使該飛彈可以在不依賴外部導航信息的情況下，14000km射程的導航偏差小於100 m，然而這套系統體積龐大，成本也極為高昂。因此，在後續研製「三叉戟」潛射彈道飛彈時就改用了雷射陀螺，既降低了系統成本，又大幅度縮減了導航設備的體積。
圖3 美國MX洲際飛彈的慣性導航艙段與陀螺儀
雷射陀螺性能的主要評價指標是零偏穩定性、標度因數非線性度和隨機遊走係數，目前工程實用的中高精度雷射陀螺對應的典型指標為：零偏穩定性0.01~0.001 (º)/h，標度因數非線性度10~0.1ppm，隨機遊走係數0.005~0.0005 (º)/h1/2。
與其它種類的陀螺比較，雷射陀螺具有以下顯著特點：
1）精度適應範圍廣，可滿足不同應用領域的需要。美國霍尼韋爾公司GG1389陀螺儀的零偏穩定性達到了1.5×10-4(º)/h，是世界上精度最高的雷射陀螺。該公司GG1308陀螺的零偏穩定性為5~1 (º)/h，是世界上體積最小的產品化雷射陀螺。
2）動態範圍大，動態性能好。雷射陀螺可測轉速的動態範圍大於108，從千分之幾度/小時到超過7200 (º)/s，而且無論轉速大小都可以得到線性輸出，測量偏差小。
3）標度因數的線性度和穩定性好，動態環境誤差小。絕大多數雷射陀螺的腔體採用微晶玻璃材料，其膨脹係數達到10-8量級，光路的面積和長度非常穩定，在工程應用中的標度因數非線性度可以做到0.1ppm，而且在高低溫環境下基本保持恆定，特別能適應大溫變惡劣環境的應用需求。
4）抗振動、衝擊和溫變環境能力強。雷射陀螺採用一體化結構，沒有活動部件，因此可以承受很高的加速度和強烈的振動衝擊，耐高低溫環境能力強。特殊設計的GG1308陀螺甚至可以承受超過1×104g的衝擊。
5）角解析度高。雷射陀螺可以分辨角秒甚至亞角秒量級的精細角度變化，在角度測量上可以實現高精度和高解析度的動態測量。
6）性能穩定，在工作壽命內，儀表可以做到免校準。
7）快速啟動。雷射陀螺可做到瞬時啟動，一般不需要預熱、穩定時間。
8）功耗低、壽命長、可靠性好和易維護。雷射陀螺存儲壽命可達20萬小時以上，平均無故障工作時間（MTBF）高達數萬小時。
9）既是速率陀螺，也是位置陀螺，使用靈活，應用範圍廣。
10）對加速度不敏感，沒有交叉耦合效應。
11）直接數字輸出，系統構成簡單。
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國外雷射陀螺的發展歷程
雷射陀螺的問世要追溯到20世紀60年代，其發展過程大體可分為四個階段。
研究起步階段（1962—1965年）
1960年，自世界上的第一臺雷射器問世以後，人們就提出利用此技術來實現光學陀螺。1961年，美國科學家Heer C V在美國物理學會上發表了世界上第一篇有關雷射陀螺的報導，介紹了採用測量環形雷射諧振腔內運轉的正反兩束雷射之間的頻率
差來感知外界輸入角速率變化的方法。1962年，美、英、法、前蘇聯幾乎同時開始醞釀雷射陀螺的研製。美國斯佩裡公司於1963年2月研製出世界上第一臺環形雷射陀螺試驗裝置，該裝置的正方形光路邊長為1m，可測量旋轉速率。
圖4 第一臺環形雷射陀螺試驗裝置
潛心研究與關鍵技術突破階段（1965—1975年）
在隨後的研製過程中，雷射陀螺的閉鎖效應、零偏誤差等給後續的工程實用研製帶來了諸多困難，世界各國均陸續下馬，只剩下美國以霍尼韋爾公司為代表的少數幾家公司和少量科研人員還在繼續努力，致力於從原理和技術上進行解決。直到1966年，霍尼韋爾公司提出了利用交變機械抖動偏頻法來克服陀螺閉鎖效應影響的技術方案，為雷射陀螺的研製指明了方向，才重新在世界上掀起了雷射陀螺研製的新一輪熱潮。
霍尼韋爾公司於1972年率先研製出機械抖動偏頻的單軸雷射陀螺GG1300。1974年美國海軍和空軍聯合制定研究計劃，1975年在戰術飛機上試飛成功，1976年在戰術飛彈上試驗成功，標誌著雷射陀螺從此進入實用階段。
批生產技術攻關與實用階段（1975—1984年）
1978年，霍尼韋爾公司的雷射陀螺開始小批量生產。1982年，其研製的ARINC704雷射陀螺慣性基準系統正式投入民用航線實用。到1983年9月，已為波音公司提供了216套慣性導航系統，平均無故障工作時間達1萬小時。但在這一段時間裡，批產的雷射陀螺也出現了因為使用可靠性問題而批量召回的現象。
1982年，霍尼韋爾公司開始批量生產GG1342陀螺，並採用該陀螺為美國海軍研製了第一個專門用於艦船的高精度雷射陀螺導航儀（SLN），並於1984年在海軍導航試驗船上試驗成功。
1984年，霍尼韋爾公司以H-726型雷射陀螺動態基準裝置為基礎，採用純捷聯編排方式，研製出適用於戰車和自行火炮的組件式定位定向系統，1985—1987年在各種戰車和自行火炮上進行了試驗，1989年被選為美軍的標準地面導航系統。
1977年12月，美國斯佩裡公司在海軍的資助下，以該公司的MK16機電陀螺穩定系統為基礎改裝研製成MK16 ModⅡ型捷聯式雷射陀螺穩定裝置工程樣機，為艦載火炮控制系統提供艦船的縱、橫搖姿態數據，並於1978年2月在美國海軍塞勒斯號（DDG-11）飛彈驅逐艦上進行了首次海上試驗，其性能遠優於原有的MK16型機電陀螺穩定系統。1980年，在MK16 ModⅡ型的基礎上，斯佩裡公司增加了一個方位分度器並對卡爾曼濾波器作了相應修改，研製成功了水面艦艇捷聯式雷射陀螺導航儀，其性能參數優於當時海軍的規範要求。
1982年，霍尼韋爾公司為美國海軍研製了第一個專門用於美國海軍水面艦艇的高精度雷射陀螺導航儀，即SLN艦用雷射陀螺導航儀。該系統採用雙軸轉位方案，使用霍尼韋爾公司已經批量生產的GG1342雷射陀螺和森德斯坦數據控制公司的Q型撓性加速度計構成慣性測量組件，1984年在海軍導航試驗船上進行了試驗。同期，羅克韋爾公司研製了RLGN雷射陀螺導航儀，其慣性測量裝置由3個G16B雷射陀螺和1個MOD ⅦA型三軸加速度計組成，系統採用單軸旋轉方式，慣性組件繞艦船龍骨軸連續旋轉，於1985年進行了海上試驗和鑑定。
1982年8月，美國航空發展中心與霍尼韋爾公司籤訂了合同價款共120萬美元的合同，研製攻擊型核潛艇用的三個高精度GG1389雷射陀螺，為進一步研製定位精度優於0.1 n mile/h的艦艇用雷射陀螺導航系統做準備。
1984年，利頓公司開始研製雷射陀螺船用慣性導航儀，經初樣、正樣和試驗樣機階段，於1991年提供了兩套試驗樣機進行了實驗室和海上試驗，1993年定型為AN/WSN-5L，導航定位精度（CEP）為1 n mile/6h，並首先裝備「伯克」級飛彈驅逐艦（DDG-64）。
大批量生產與拓展應用階段（1984年至今）
雷射陀螺應用初期主要集中於航空與航海領域，但由於其獨特的優點，很快就向其它領域拓展，並迅速發展起來。
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國外雷射陀螺的生產現狀
01
美國霍尼韋爾公司
霍尼韋爾公司是世界雷射陀螺研究的先驅者，長期以來一直領跑國際雷射陀螺領域的最新進展、最高水平與應用研究，也是世界上雷射陀螺產量最大、應用水平最高的廠家。
霍尼韋爾公司研製的雷射陀螺以三角形光路的二頻機械抖動陀螺為主，典型型號有GG1308、GG1320、GG1328、GG1330、GG1342、GG1389等，其性能可以滿足不同精度慣性系統的要求。
GG1308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2cm，採用BK-7光學玻璃（相當於中國的K9玻璃）為腔體，陀螺鏡片和電極採用低熔點玻璃燒結密封，總體積小於32.8cm³，質量為60g，每支售價僅為1000美元，零偏穩定性為5~1 (º)/h。採用該陀螺的慣導系統型號主要有HGl500 IMU和HGl700 IMU（包含3個GG1308陀螺和3個RBA-500石英振梁加速度計）兩種，主要用於美軍JDAM聯合直接攻擊炸彈和制導多管火箭發射系統等裝備，是霍尼韋爾公司乃至全世界產量最大的雷射陀螺。
圖5 霍尼韋爾公司HG1700 IMU及其內部的三個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，前期產品的零偏穩定性為0.1~0.03 (º)/h。2007年初，霍尼韋爾公司發布了該型陀螺的升級產品：軍用數字雷射陀螺GG1320AN（零偏穩定性0.003 5 (º)/h）和民用數字雷射陀螺GG1320AN01（零偏穩定性0.04~0.01 (º)/h），這兩種產品都是將配套電路系統和陀螺封裝成簡單易用的獨立單元，提供數位化的I/O單元。霍尼韋爾公司應用於航天領域的導航級HG9848 IMU和代表雷射陀螺慣性器件最新發展水平的HG9900 IMU均採用GG1320AN陀螺作為姿態測量傳感器，該型陀螺在全世界雷射陀螺產品序列中可稱得上是低成本、高性能的典範。
02
美國利頓公司（已被諾格公司併購）
利頓公司研製的雷射陀螺以正方形光路的機抖陀螺和異面腔四頻差動陀螺為主。
早期，利頓公司採用機械抖動偏頻方案研製的雷射陀螺產品主要有LG2717（零偏穩定性優於0.05 (°)/h）和LG8028（零偏穩定性優於0.01 (°)/h），分別應用於航空導航系統和中高精度導航系統。
圖7 利頓公司LG8028雷射陀螺慣性組合體和ZLG雷射陀螺
1985年，利頓公司購買了雷錫恩公司異面腔四頻差動雷射陀螺的專利，開始了該陀螺的批生產研發，突破關鍵技術後於1991年正式開始批產（註冊商標為Zero-Lock Laser Gyro，簡稱ZLG），該陀螺以較小的尺寸獲得了優於0.01 (º)/h的精度，在各項指標上能與同等尺寸的機抖陀螺相媲美。利頓公司公開報導的ZLG有五種，其中三種為單軸陀螺（腔長分別為18.4cm、25cm和40cm），另兩種為空間三軸陀螺（腔長分別為11cm和9cm），其產品中以腔長18.4cm、型號為S18-4的單軸ZLG應用最為廣泛，大批量生產的LN 100系列、LN 120G和LTN 101慣導系統都採用了該陀螺。
目前，ZLG以其全固態、無抖動部件的「安靜型」特有優勢在航空、航天、飛彈、偵察等領域獲得了廣泛應用，並可為輕型和中型運載器發射提供導航和制導功能，如引導空間載荷進入低地軌道、地球同步軌道、從軌道返回地面等。LN 100S被用在美國新一代飛彈防禦系統的預警衛星中，據項目負責人稱該組件是「當今世界上唯一能夠滿足天基紅外系統要求的雷射陀螺系統」。LN 120G是恆星/慣性/GPS組合導航系統，2007年用於升級RC-135電子偵察機的導航系統。
03
美國Singer’s Kearfott公司
為滿足小型衛星和太空飛行器的需要，該公司在其原有三角形光路機抖陀螺的基礎上，主要研製了兩種三軸雷射陀螺儀T16（用於KN-5051慣導系統，0.8n mile/h）和T22（用於N-5053慣導系統），主要用於戰術武器。
圖8 Kearfott公司T22和T16空間三軸陀螺
04
法國Sextant公司
Sextant公司從1972年開始雷射陀螺研究，相關產品於1979年成功應用於「美洲虎」直升機。1981年，該公司研製的33 cm光路雷射陀螺（Single33）在ANS超聲速飛彈項目中標，1983年初開始為歐洲的「阿利亞娜」Ⅳ型運載火箭研製使用該陀螺的「Quasar」雷射陀螺捷聯慣性制導裝置，並於1988年6月15日成功用於火箭發射，這也是世界上運載火箭發射中首次採用雷射陀螺慣性系統。
該公司的Pixyz14型（零偏穩定性10~0.1 (°)/h）和Pixyz22型（零偏穩定性優於0.01 (°)/h）雷射陀螺是兩種共用反射鏡的一體化空間三軸陀螺，前者主要適用於飛機、直升機以及戰術飛彈、反艦飛彈、戰術反導等的中段制導和控制系統，後者主要用於中遠程飛彈和陸基系統的中高精度慣性組合。
圖9 Sextant公司Single33雷射陀螺和空間三軸雷射陀螺
05
法國薩基姆公司
薩基姆公司從1977年開始涉足雷射陀螺領域，目前是歐洲最大的雷射陀螺生產廠家。該公司生產的第一種雷射陀螺是GLS-32機抖陀螺，主要用於航空及潛艇的捷聯慣導系統，採用該陀螺的西格瑪40慣導系統的導航定位精度為0.8 n mile/8h（或1.5n mile/24h）；GLC-l6型陀螺（零偏穩定性0.01(°)/h）是一種方形光路的機抖陀螺，主要用於直升機、小型運載火箭和陸用捷聯慣導系統；GLC-8型陀螺腔長僅為8cm，零偏穩定性10~0.1(°)/h，主要用於射程60~100km的戰術飛彈。
圖10 薩基姆公司GLS-32型和GLC-l6型雷射陀螺
06
俄羅斯和烏克蘭
俄羅斯Polyus研究所和電子光學公司（Electrooptika Corp）、烏克蘭阿森納工廠（Arsenal factory）等是前蘇聯研製生產雷射陀螺的主要機構，主要產品有機械抖動偏頻的全反稜鏡式陀螺、仿利頓公司LG8028型雷射陀螺、空間三軸陀螺、ZLK系列塞曼效應偏頻雷射陀螺、法拉第恆定偏頻雷射陀螺等，零偏穩定性優於0.01(°)/h。
圖11 俄羅斯二頻機抖陀螺慣性組合體
圖12 日本JAE公司雷射陀螺
07
日本
1978年，日本宇宙開發事業團（NASDA）、國家宇航實驗室和日本航空電子工業有限公司（JAE）開始聯合從事雷射陀螺研發。1985年，NASDA和JAE採用兩家聯合研製的34cm光路雷射陀螺開始為日本的H-Ⅱ型運載火箭研製雷射陀螺慣性導航系統。1994年2月、8月和1995年3月，日本H-Ⅱ型運載火箭先後發射成功。目前，雷射陀螺系統已徹底取代了原來使用的動力調諧陀螺慣導系統。
除以上國家和公司以外，以色列航空工業有限公司（IAI）也具有一定的雷射陀螺研發與批產能力。據印度媒體報導，印度自行研製的雷射陀螺已應用於Agni「烈火」系列彈道飛彈和Shaurya「太陽」中短程彈道飛彈。
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國外雷射陀螺應用情況
與衛星導航、天文導航等手段相比，慣性導航與姿態測控技術不依賴於外部信息，是各種運載平臺和機動裝備導航定位、制導控制、穩瞄穩向、姿態測量和過載傳感的核心技術，是唯一同時具有自主、實時、連續、隱蔽、不受幹擾，無時間、地點、環境限制的運動信息感知技術，不僅是海、陸、空、天各領域遠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、煤礦採掘、衛星通信等領域也有廣泛的用途。
作為慣性導航與姿態測控系統的核心器件，陀螺主要用於測量運動載體相對於慣性空間的角運動，其性能差異直接決定系統精度。與傳統的機電陀螺相比，雷射陀螺具有精度高、動態範圍大、瞬時啟動、耐衝擊振動能力強、可靠性高、直接數字輸出等一系列優點，被稱為捷聯式慣性導航/制導系統的理想部件，目前已在越來越多的領域得到廣泛應用。
航海領域
陀螺儀最早就是用作海洋航行的關鍵導航儀器，各種艦船廣泛應用的陀螺羅經（羅盤），就是一種能自動尋北的導航儀器，它不僅可為艦船提供位置、姿態、速度等數據用於導航和航向基準確定，而且能為艦船的火炮控制、飛彈和魚雷發射等提供武器系統方位基準，同時還能通過實時測量艦船的橫搖和縱搖並反饋控制，為艦船的武器發射系統提供穩定平臺。
目前，各國生產的各類中高精度雷射陀螺已廣泛應用於各種航海慣導系統與姿態控制系統，如斯佩裡公司MK39/49系列雷射陀螺慣導系統、霍尼韋爾公司的SLN艦用雷射陀螺導航儀、羅克韋爾公司的RLGN、美國諾格公司的PL41 MK4 Mod1（1n mile/8h）以及法國薩基姆公司的西格瑪40系列雷射陀螺慣導系統等。其中，薩基姆公司的西格瑪40系列雷射陀螺慣導系統已應用於「凱旋」、「梭魚」、「紅寶石」和AIP潛艇、「戴高樂」號航母、阿聯的阿布達比級反潛護衛艦等。
在雷射陀螺的航海應用上，美國斯佩裡公司的成就尤其令人矚目。20世紀80年代末期，北大西洋公約組織專門成立了NATO-SINS計劃辦公室，為北約組織成員國選擇廠家研製並提供艦船慣性導航系統。該項目最終由美國斯佩裡公司和霍尼韋爾公司聯合承擔，使用了霍尼韋爾公司3個GG1342雷射陀螺和森德斯坦數據控制公司3個QA-2000石英撓性加速度計。系統採用雙軸旋轉調製方案，外形尺寸為495mm×541mm ×1707mm，質量317.5kg，對準時間4h，早期產品的導航定位精度(CEP)為1n mile/24h，後據20世紀90年代初報導，該系統可達到0.39 n mile/30h的定位精度。從1993年起，斯佩裡公司開始向荷蘭、西班牙、英國、澳大利亞等國提供產品，是北約國家艦船和潛艇的標準艦用導航設備。該系統被北約組織稱為船用環形雷射陀螺慣性導航儀（MARLIN），而斯佩裡公司則沿襲了公司的順序排號，稱其為MK49 Mod0型。
圖13 西格瑪40XP和PL41 MK4 Mod1雷射陀螺航海慣導系統
MK49系統經進一步改進後，於1995年被美國海軍列裝應用，其標準型號為AN/WSN-7A。WSN-7A系統的結構與MK49系統類似，但技術更先進，可靠性更高，成本更低，體積也更小。該系統導航精度可以達到1n mile/14天，超出了除靜電陀螺系統以外的所有其它類型慣導系統，被美國譽為「世界上精度最高、最先進的光學陀螺慣導系統」。WSN-7A系統已經替代了一部分達到服役期限的靜電陀螺系統，成為美軍水面艦艇和攻擊型核潛艇（包括SSGN俄亥俄級巡航飛彈核潛艇）的新一代慣導系統，只有戰略飛彈核潛艇仍在使用靜電陀螺系統。由於軍事技術保密的需要，WSN-7A只裝備美國海軍，嚴格禁止向其它國家出售。
圖14 MK49雙軸旋轉雷射陀螺
慣導系統IMU
圖15 MK39 Mod3A系統
從20世紀90年代初期，斯佩裡公司推出了MK39系列雷射陀螺慣導系統。其中，MK39 Mod3A系統採用捷聯方案，使用霍尼韋爾公司的3個DIG-20雷射陀螺和QA-2000石英撓性加速度計，對準時間4h，導航定位精度1 n mile/8h。MK39 Mod3C系統採用單軸旋轉調製方案，對準時間16h，導航定位精度提高到了1 n mile/24h。該系統已被美國海上補給司令部、海岸警備隊和超過24個國家的海軍選用，主要用於為艦艇平臺和火控系統提供位置、姿態、速度和方向數據。在MK39 Mod3C基礎上發展而來的AN/WSN-7B單軸旋轉雷射陀螺慣導系統改用了霍尼韋爾公司的3個GG1320雷射陀螺，依舊採用QA-2000石英撓性加速度計，是MK39 Mod3C系統的美軍自用型，該系統是美國海軍全部水面艦船和潛艇的標準導航裝備，早在2001年就已經完成了全部航母的換裝工作。
航空領域
在航空上，除了慣性制導以外，慣性系統還可以用來測量飛機的姿態角（俯仰角、橫滾角、航向角）和角速度，以它為核心構成的慣導系統和捷聯航向姿態系統可以為飛機提供姿態、航向、速度和位置等導航所需的所有參量，也是飛機姿態和航向的測量中心，可以為飛機自動駕駛和自動穩定提供實時信息。
圖16 AN/WSN-7B單軸旋轉雷射陀螺慣導系統
圖17 AN/WSN-7系列船用雷射陀螺旋轉慣導系統發展圖
雷射陀螺的快速啟動特性決定了它特別適用於軍用飛行器的慣性制導，可以充分滿足戰爭環境下各類機型快速反應的需要。從公開的文獻報導中可以看到，西方發達國家空軍的現役裝備大量採用了各種雷射陀螺慣導系統，表1列出了典型軍用機載雷射陀螺慣導系統的主要性能指標和應用裝備。
表1 典型軍用機載雷射陀螺慣導系統的主要性能指標和應用裝備
圖18 H-423雷射陀螺慣導系統及其慣性傳感器組件（採用GG1342陀螺）
除表中型號以外，F-15「鷹」戰鬥機、B-1「槍騎兵」戰略轟炸機、AH-1W「超級眼鏡蛇」系列武裝直升機、SH-60「海鷹」系列直升機、KC-135空中加油機、RC-135「鉚接」電子偵察機、MC-130E/H「戰爪」特種作戰飛機、EF-111A「渡鴉」電子戰飛機、「灰鷹」無人機、俄羅斯的Su30MKI戰鬥機、印度的LCA「光輝」戰鬥機等也都採用了雷射陀螺慣導系統。
圖19 LN 100雷射陀螺慣導系統及其慣性傳感器組件（採用ZLG陀螺）
民用航空主要依賴地面和衛星導航，機載慣導系統只是輔助導航手段，主要用於飛機的航姿測量以滿足自動駕駛、起飛和降落的操控，更關注的是慣導系統的經濟性（低壽命周期成本）和可靠性。基於雷射陀螺慣導系統可靠性高、壽命長、易維護的特點，也使其在民用航空領域得到了廣泛應用。表2列出了典型民用機載雷射陀螺慣導系統及其主要應用機型，波音B737和空客A300以後幾乎所有型號的大中型民航客機都採用了雷射陀螺慣性導航與管理系統。
表2 典型民用機載雷射陀螺慣導系統及其應用機型
陸用領域
在陸用領域，慣性系統主要應用於陸用慣導系統、定位定向系統和陸用武器平臺的姿態測量與反饋控制，用於各種主戰坦克、火炮、火箭炮、防空系統和衛星跟蹤站的瞄準與定向，以及為裝甲車、前線觀察車和炮瞄雷達車等提供三維組合導航和姿態基準。與其它陸用慣導系統相比，雷射陀螺的可靠性更好，抗衝擊、振動、大範圍溫變的能力更強，可以滿足野外複雜地形和惡劣環境的應用需求；在相同的精度下系統的尺寸可以做得更小，而且啟動時間短，可維護性好；還可以與裡程計等進行組合導航，進一步提高精度，裝備的適用性好。
目前，西方發達國家陸用裝備使用的雷射陀螺慣性系統已經實現了標準化、系列化。美國霍尼韋爾公司的H-726型地面導航系統，法國薩基姆公司的西格瑪30、ORION陸用導航系統等均採用雷射陀螺作為核心的姿態敏感元件，屬於陸用武器裝備的標準慣性系統。已廣泛應用於美軍的「帕拉丁」自行榴彈炮、「布雷德利」戰車、M270火箭炮、「悍馬」測地車、輪式步戰車、各種精密測量偵察車等裝備。法國的凱撒155mm火炮、瑞典的FH-77B型牽引榴彈炮和以色列的M109式自行榴彈炮也都採用了雷射陀螺系統。
圖20 LTN 101雷射陀螺慣導系統（採用ZLG陀螺）
圖21 西格瑪30和H-726型陸用雷射陀螺慣導系統
彈用領域
在各種近、中程戰術飛彈和部分遠程戰略飛彈中，廣泛採用雷射陀螺來測量飛彈的俯仰角、橫滾角和偏航角，進行導航控制或提供彈體的姿態信息。
在該領域，各種不同精度的雷射陀螺慣導系統和姿態測量系統已在數十種應用裝備中得到了廣泛應用，其中包括：美國公路機動型「侏儒」洲際彈道飛彈、「三叉戟」Ⅰ型和Ⅱ型潛射彈道飛彈、「戰斧」系列巡航飛彈（Block Ⅱ和Block Ⅲ採用諾格公司的LN-100G雷射陀螺捷聯慣導系統，Block Ⅳ採用霍尼韋爾公司的HG9848雷射陀螺捷聯慣導系統）、AGM-86戰略空射巡航彈、ASM-135「阿薩特」反衛星飛彈、AGM-65戰術空地飛彈、AGM-88「哈姆」高速反輻射飛彈、AIM-120中/遠距空空彈、JDAM聯合直接攻擊彈藥等，歐洲最新的KEPD350型巡航飛彈、法國的ANS超聲速反艦飛彈也使用了雷射陀螺系統。
JDAM聯合直接攻擊彈藥採用了霍尼韋爾公司的HGl700慣性組合單元，內含三個GG1308陀螺和加速度計，該陀螺精度不高，但體積小、質量輕，三角形光路的邊長只有兩釐米，而且價格非常便宜，因此在很多精度要求不高但對體積限制比較苛刻的場合得到了大量應用。
圖22 HGl700慣性組合單元內部電路結構
航天領域
在該領域，慣導系統主要用於運載火箭和飛船的慣性制導，以及衛星、飛船等航天飛行器的姿態測量與控制。在滿足導航定位精度和可靠性的前提下，還需要從體積、質量、功耗等各個方面減輕運載火箭和航天飛行器的負擔，特別是在衛星應用上，還有長壽命和免維護要求。
自從1988年雷射陀螺首次成功應用於運載火箭發射以來，多種雷射陀螺慣導系統已在「阿利亞娜」Ⅳ型和Ⅴ型運載火箭、日本的H-Ⅱ型運載火箭等得到了廣泛應用。在美國新一代飛彈防禦系統的預警衛星上，利頓公司的異面腔四頻差動陀螺被用於衛星紅外掃描傳感器和輔助凝視傳感器的穩定系統。在對地定向的衛星中，雷射陀螺被用來測量衛星的俯仰角和橫滾角，以穩定衛星的運行姿態。在對地成像偵察衛星中，雷射陀螺可以適時監測成像系統和衛星的微振動狀態，其振動參數和圖像同時發送回地面，可以通過後期處理進一步提高圖像解析度。
其它領域
雷射陀螺可以為望遠鏡和衛星通訊天線的瞄準與跟蹤控制提供角坐標參數，用於對望遠鏡和天線進行姿態控制以便實時跟蹤目標，精度可達亞角秒量級。
基於角解析度高的特點，雷射陀螺可以實現高精度、高解析度動態測角，可用於光學多面體和光學編碼器的校準、旋轉體的外部角度測量，還可以在艦船或其他載體的不同位置設置多套測量系統，實現大型水面艦船或載體的細微形變測量。
在航天測量船上，雷射陀螺捷聯慣導系統可以為船上的各種測控雷達提供高精度的船姿船位信息，用於運載火箭和衛星等空間飛行器的精確跟蹤和定軌，完成航天測控任務。
雷射陀螺慣性測量單元還在很多需要對載體的姿態進行精確測量與控制的場合得到成功應用，美國波士頓動力公司的BigDog「大狗」機器人和雙足輪式機器人「Handle」都採用了雷射陀螺姿態測量系統，用於實現機器人三維姿態的適時精確測量以達到操控軀體運動平衡的目的。
雷射陀螺慣性測量單元還可用於深水探測器的自動操控，長距離隧道、地鐵、石油鑽探與煤礦採掘的定向挖掘控制，地震的分析與探測等。採用超大雷射陀螺（如紐西蘭和德國聯合研製的UG-2型超大雷射陀螺，其環路面積達834m²)還可以觀察微小的地震效應和固體地面潮汐效應，並有望用於測量引力波等幾種相對論效應，用於基礎物理研究等領域。
結束語
回顧歷史，雷射陀螺以其獨特的優點已經在軍事、民用和科研等領域得到了廣泛的應用，雖然目前隨著慣性技術及其新器件的發展開始面臨光纖陀螺、微機電陀螺、新型原子陀螺等的競爭，但在海、陸、空、天各應用領域中，雷射陀螺仍有廣闊的市場，特別是藉助多傳感器信息融合的組合導航、零速修正和旋轉調製等技術，可以大幅度提高雷射陀螺慣性系統的導航定位精度，在中高精度應用領域仍然佔據了不可替代的地位。
注釋：
本文數據與材料基於本單位長期從事雷射陀螺技術及其應用研究的資料積累，由於資料來源的渠道各異，部分數據和時間節點無法逐一核實，僅供同行專家參考，並希望得到大家的指正與修訂。
本文刊自《國外慣性技術信息》2017年第4期
作者：國防科技大學張斌,羅暉,袁保倫,汪之國
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