陀螺仪在我们周围无处不在
陀螺仪是一种测量运动载体角度或角速率的传感器， 它在我们周围无处不在。例如，飞机按照预定航向平稳的飞行是由于陀螺仪构成的航向姿态导航系统，船舶在浩瀚的大海航行而不迷失方向是由于陀螺仪构成的罗盘。在国防领域中导弹的精确制导、潜艇长期潜伏在水下的精确导航、行进中的坦克保持火炮和瞄准系统的稳定等都离不开陀螺仪。在国民经济领域中，大地测量、隧道开凿、工程测量的精确定位、石油钻探的精确定向、机器人动作精确控制等都离不开陀螺仪。因此，陀螺仪的应用十分广泛，并且与我们的生活息息相关。
陀螺仪是一种惯性器件，在任何环境下都具有自主导航的能力，自问世以来，就引起人们极大关注，而且一直是各国重点发展的核心产品之一。在科学技术突飞猛进的今天，与陀螺相关的技术，仍然是人们关注的焦点之一。
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什么是陀螺仪
自1910年首次用于船载指北陀螺罗经以来，陀螺仪已有100多年的发展史，其过程大致分为四个阶段：第一阶段是滚珠轴承支承陀螺马达和框架的陀螺，以及20世纪40年代末到50年代初发展起来的液浮和气浮陀螺；第二阶段是20世纪60年代以后发展起来的干式动力挠性支承的转子陀螺；第三阶段是以激光陀螺和光纤陀螺为代表的光学陀螺；目前陀螺的发展已进入第四个阶段，即微机械陀螺。
经典陀螺仪概念：具有定轴性、进动性的高速旋转的飞轮，并且能用来测量载体相对于惯性空间角运动的仪表。经典陀螺仪有两大特性，即定轴性和进动性。可以利用这两个特性建立一个相对惯性空间的人工参考坐标系，通过陀螺仪和加速度计测出运载器（包括飞机、导弹、火箭、潜艇等）的旋转运动和直线运动信号，经计算机综合处理，发出指令姿态控制系统和推进系统，实现运载器的完全自主导航。
现代陀螺仪概念：用来测量载体相对于惯性空间角运动的仪表。
当前陀螺仪发展的形势可概括为：应用成熟的机械陀螺（挠性陀螺和液浮陀螺）、不断改进的激光陀螺、迅速发展的光纤陀螺和方兴未艾的微机械陀螺。
国外光纤陀螺仪发展动态
国外光纤陀螺技术已经臻于成熟，精度范围涵盖了从战术级、惯性级到战略级的各种应用，广泛应用于航空、航天、航海等军事及民用工业领域。目前国外最杰出的光纤陀螺及其应用系统研究与制造厂家主要有美国的霍尼韦尔公司、诺斯罗普·格鲁门公司和欧洲的IXBlue公司等。
1、霍尼韦尔公司
霍尼韦尔公司自20世纪80年代中期开始研发各类精度的光纤陀螺，至上世纪末已生产交付了10000多只用于商业飞行器的战术级开环陀螺。霍尼韦尔公司光纤陀螺产品概览如下表所示。
霍尼韦尔最先实现去偏陀螺技术，使用单模光纤生产高精度的光纤陀螺，且寿命更长，可用于空间平台、潜艇等。基于去偏陀螺的这一优点，霍尼韦尔历时三年研发出了用于商业卫星的下一代惯导系统SPIRIT，于2011年完成工程样机的设计制造和测试，并于2012年推向市场。SPIRIT内部结构如图1所示。
SPIRIT包含4个光纤陀螺与8个RBA500加速度计，光纤陀螺随机游走系数小于0.001○/√h，标度因数非线性度小于50ppm、标度因数稳定性小于200ppm（3σ）。SPIRIT所用的光纤陀螺尺寸仅为76mm（直径）×66mm（高），重量454g，功耗1W，适用于卫星上有限的空间和电源条件。
2、诺斯罗普·格鲁门公司
诺格公司自1988年开始研制基于光纤陀螺的IMU系统，代表产品分为uFORS系列与FOG-200系列，前者精度低突出小型化特征，后者精度高、应用于IMU、AHRS等军用系统。
LN260中光纤陀螺零偏稳定性0.001○/h，标度因数稳定性10ppm，其中：
纯惯导定位精度0.8nmile/h、姿态精度0.05°、航向精度0.1°；
组合导航定位精度小于4m、姿态精度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，主要从事光纤陀螺技术的研发，经过数十年的持续研发，其光纤陀螺应用系统覆盖了航海、陆地和空间应用等场合，涵盖了从战术级到战略级的各个精度范围。
IXBlue公司基于光纤陀螺的姿态航向参考系统OCTANS非常适用于各种水面舰艇，大部分法国海军水面舰艇和英国海军的猎雷舰和全部的美国海岸警卫队的80和110英尺快艇均有装备。其基于光纤陀螺的军民两用惯性导航系统PHINS的性能优于OCTANS，导航精度达到0.6nmile/h，能实现在无GPS信号情况下的精确惯性导航，目前广泛装备于美国、英国、法国、荷兰、比利时和印度尼西亚等国海军。
MARINS是IXBlue公司专为军事用途开发的高精度光纤陀螺捷联惯导系统，系统上的光纤陀螺使用了直径170mm长3km的光纤环，陀螺零偏稳定性5×10-4 ○/h，角度随机游走2×10-4 ○/√h ，标度因数稳定性10ppm，能实现1nmile/24h的高精度纯惯性导航，已经被选择应用于英国海军的两艘“伊丽莎白”级航空母舰（预期将在2016年和2018年服役），同时也应用于英国海军的第四艘“机敏”级攻击核潜艇“勇敢”号和法国海军的“卡萨尔”级防空护卫舰。IXBlue公司对MARINS系统及其光纤陀螺进行了长时间测试，控温测试条件下MARINS中的光纤陀螺在长达12天的静态测试中未表现出偏置漂移特性，这是机械陀螺和激光陀螺所不具备的；在不稳定温度环境下，MARINS中的光纤陀螺的零偏稳定性仍然能达到10-4○/h量级。控温条件下对MARINS系统长达38天的静态测试结果表明，MARINS具有实现1nmile/month的纯惯性导航精度的能力，对应的光纤陀螺偏置不稳定性在10-5○/h量级，标度因数稳定性约1ppm，显示出光纤陀螺惯导在未来高精度惯性导航领域的巨大潜力。
IXBlue公司与Astrium公司为空间应用联合开发的四轴光纤陀螺ASTRIX200采用了直径170mm长度为5km的光纤环，随机游走系数2×10-5 ○/√h，其偏置不稳定性5×10-4○/h，控温条件下达到4×10-5○/h，能实现分辨率0.001角秒的旋转测量。MARINS和ASTRIX200代表了IXBlue公司在光纤陀螺发展和应用领域的最高水平，对光纤陀螺发展和应用具有指引意义。
宝成光纤陀螺发展概况
2004年，中航工业陕西宝成航空仪表有限责任公司（以下简称宝成）开始进行光纤陀螺技术研究，展开产品开发调研，进行可行性分析。
2006年，宝成和浙江大学签订纪要，进行技术合作。2007年双方共同筹建航空光纤陀螺工程技术中心，2008年6月16日航空光纤陀螺工程技术中心在宝成正式挂牌，标志着宝成与浙江大学的光纤陀螺工程化合作进入了新的阶段，为以后双方深入合作奠定了基础。
经过不懈努力，宝成逐步掌握了光纤陀螺核心技术，于2008年完成TGX-75A光纤陀螺的研制，随后成功应用于多个飞机项目，产品性能稳定、表现优异，开创了在航空领域应用的先河，具有里程碑的意义，标志着宝成光纤陀螺系列产品研制新阶段的开始，同时也为后续产品的研制、产品应用领域的拓展提供了新的契机。
宝成的光纤陀螺技术水平
通过与浙江大学的合作，宝成完全掌握了数字闭环单模去偏技术，并实现了工程化和产业化。技术方面，已经形成了完整地去偏干涉测量的理论体系，完成了广义shupe效应理论研究及去偏器的新设计方法；提出了光纤陀螺的多闭环调制解调理论、建立了去偏光纤环的理论模型；掌握了高精度去偏器的设计、制造和测试技术，光纤陀螺的调制解调及温度补偿技术。
宝成研制的中、高精度光纤陀螺，有以下主要特点：
启动快，启动时间不大于5s；
温度环境适应性强，在-55℃到70℃范围内工作正常；
测量范围宽，可测量从0.01○/h到3.6×106○/h的速率信号，动态范围达到3.6×108；
可靠性高，MTBF大于60000h；
全固体惯性器件，机械环境适应性好，能够承受高强度的机械振动和冲击试验。
在完成技术鉴定的基础上，宝成完成了60000小时的可靠性鉴定试验，并且随多个光纤航姿系统完成了技术鉴定、可靠性试验，是国内第一个进行光纤陀螺和系统可靠性鉴定试验的单位。
宝成建成国内领先国际先进的光纤陀螺生产线
宝成隶属于中国航空工业集团公司，位于陕西省宝鸡市，是国家“一五”期间国家156项重点工程中的航空工业13个项目之一。主要从事飞机、武器、战车、水中兵器、船舶用导航系统、飞行环境安全监测系统、惯性元器件和基础元器件的科研生产。
根据惯性元件的现状和发展方向，宝成确定了重点发展光纤陀螺的发展思路，开展了中高精度光纤陀螺产品研制和光纤捷联导航系统的研制，经过多年的不懈努力，逐步掌握了光纤陀螺核心技术。
在此基础上， 2008年10月，宝成的光纤陀螺产业化建设项目建设立项申请，获得了国家发改委批准（陕发改高技［2008］1521号《关于加强陕西宝成航空仪表有限责任公司光纤陀螺产业化项目建设的通知》），并给予资金支持。
光纤陀螺生产线结合宝成多年生产、装配陀螺的经验，通过产品设计鉴定、工程化研究，提出满足光纤陀螺工程化生产的生产装配环境、测试环境，推广新工艺方法、新工艺技术，按照标准化、模块化、数字化、信息化、自动化要求设计和建设。
生产线采用了可视化装配工艺技术，保证了生产工艺的稳定性、一致性，提高了培训的效果和效率；采用自动化测试，测试结果软件自动生成，最大限度的消除了操作人员带来的影响，提高了测试的准确性和效率；采用抗电磁环境、抗振动环境等技术，满足了光纤陀螺测试要求；采用标准化、模块化技术和生产组织模式，可以满足不同精度光纤陀螺研制和工程化生产的需要。
2011年5月，光纤陀螺生产线通过验收，生产线工程化建设达到国内领先、国际先进的水平。验收结论：光纤陀螺产业化建设项目工艺技术成熟，生产流程科学先进，已建成数字闭环光纤陀螺生产线，生产运行情况良好，达到了年产1500只光纤陀螺生产能力的建设目标；该项目带动了国内数字闭环去偏光纤陀螺技术的应用，大大提高了光纤陀螺专业化水平和产业化能力，其产业化能力、工艺技术达到了国内领先、接近国际同行业水平。
宝成光纤陀螺工程化项目获得2011年度中国产学研创新成果奖及“十一五”期间陕西省产学研联合开发优秀项目奖。
光纤陀螺生产线验收以来，各种设施运行状况良好，能够满足光纤陀螺工程化批量生产、光纤陀螺系列产品试制、产品装配和试验的要求，达到了年产1500只中高精度光纤陀螺的生产能力。生产的光纤陀螺性能合格、工作稳定可靠，已成功应用在光纤捷联组合导航系统、捷联航向姿态系统、航向姿态系统等20多个系统中，满足了用户使用要求。
光纤陀螺产业化建设项目的完成，加快了惯性技术产品更新换代和技术进步，促进了宝成由传统的框架式陀螺航姿系统技术转变为以光纤陀螺为惯性器件的光纤捷联航姿系统、光纤捷联惯导系统的转变，由以机电仪表技术转变为以光学、电路、计算机、软件为核心的高科技集成技术，提升了宝成的技术进步。如今，以光纤陀螺为惯性器件的导航系统已经成功应用于国内绝大多数新型战机，国内在役飞机正在采用公司光纤航姿系统进行升级改造，极大地促进了光纤捷联导航系统在航空领域的应用，为航空仪表的技术进步做出了贡献。
同时，光纤陀螺在航空、航天、铁路、测量等领域的应用，促进了国内惯性导航技术的发展，为东部高新技术向西部转移，加快西部的经济发展做出了贡献。有助于军用技术向民用领域的扩展，提升民用产品技术水平，促进军用产品技术发展。
光纤陀螺发展趋势
作为测量角速率的惯性器件，光纤陀螺具有精度高、无运动部件、可靠性高等特点，同时在同精度水平的传感器中价格相对较低，其应用前景十分广阔。经过近40年的发展，光纤陀螺技术已经基本成熟，但其仍具有巨大的发展空间。根据应用对传感器的要求，光纤陀螺的总体发展趋势有以下几个：
1、高精度光纤陀螺
目前光纤陀螺的精度已经达到了战略级武器应用的水平，但主要还是应用于战术级武器导航。同时其测量精度也仍未发展到极限，还有很多非互易效应造成的测量误差需要解决。目前针对高精度光纤陀螺的研究中出现了多种技术方案：
在光纤陀螺中应用光子晶体光纤（PCF），光子晶体光纤是一类具有特殊内部结构的光纤，典型的新型光纤陀螺使用的光子晶体光纤结构如图2所示。
由于光子晶体光纤中光主要在空气芯层中传播，而空气芯层较传统光纤的玻璃芯层为各向同性介质，具有很小的沃尔德系数以及很低的热膨胀系数，导致它们造成的Kerr效应、Faraday效应和Shupe效应很低。通过采用此类光纤作为光纤陀螺的敏感环，可以将光纤陀螺内的噪声源进一步降低：Kerr效应降低170倍以上、Shupe效应降低6.5倍、Faraday效应降低20倍以上，从而提高光纤陀螺的测量精度。
在光纤陀螺中采用激光光源。光纤陀螺研究初期，学术界普遍认为瑞利散射是光纤陀螺一大噪声源，因此采用宽光谱的SLD光源来抑制瑞利散射对干涉结果的影响。但是SLD的平均波长稳定性差，导致光纤陀螺具有较大的标度因数误差，目前常见的光纤陀螺标度因数稳定性为10ppm，低于高精度惯导所要求的1ppm量级。而激光光源具有非常稳定的输出波长（小于1ppm），若能应用于光纤陀螺可以大幅提高标度因数稳定性。
最近的理论与实验研究表明，使用改进的窄线宽激光二极管光源，通过选取合适的激光器波长和线宽，并在光学器件连接中实现精确对准，可以降低光纤中的瑞利散射效应，这样在保证陀螺性能的同时能够提高标度因数稳定性（角度随机游走系数达到0.003○/√h）。同时有些文献了提出采用窄线宽激光器和光子晶体光纤结合的方法，通过光子晶体光纤中瑞利散射极低的特性，结合窄线宽激光器高稳定输出波长的特点，提高光纤陀螺的探测精度和标度因数稳定性。
2、光纤陀螺小型化与可靠性提升
在保持测量精度的前提下降低光纤陀螺的体积、重量，提高光纤陀螺的可靠性，以提高整个应用系统的设计冗余，同时适用特殊环境下的应用，如深海、太空环境等。
小型化方面的主要技术是各类集成和复用技术，包括将各个电子器件集成在单一芯片上的片上系统（SoC, System on a Chip），通过片上系统的合理设计，可以大大降低光纤陀螺处理电路的体积并降低内部电子串扰，提高其稳定性；将光源和探测器一体化的有源器件集成技术，可以降低光学系统的体积，并提高集成度等。
3、光纤陀螺的其他发展方向
通过三个光学系统共用一个光源，可以减少光源的数量、减少体积和功率损耗，提高光纤陀螺的集成度。
图3所示为俄罗斯Optolink公司研制的三轴光源复用光纤陀螺结构示意图，通过光源复用降低了系统体积与功耗。
通过信号处理和补偿等方法提高光纤陀螺可靠性，例如为了满足太空空间应用中的辐照环境，国际上提出了一种在辐照条件下的角随机游走预测模型，根据探测到的光源光强对辐照条件下的光纤陀螺角随机游走进行预测，将预测值与光纤陀螺输出数据的角随机游走比较后对光纤陀螺的器件状态进行诊断，并采用相应的修复和补偿策略。图4所示为采用此预测模型的四轴光纤陀螺，结合预测模型和光源冗余设计，可以大大提高光纤陀螺在太空复杂环境下的可靠性。
光纤陀螺市场商机无限
光纤陀螺属于全固态陀螺，无活动部件，具有启动快、检测灵敏度高、分辨率高、动态范围宽，机械环境适应性强、可靠性高等特点，是当今惯性器件发展的方向。它以其无与伦比的优势取代了机械旋转质量陀螺的繁冗操作和诸多的日常维护，也克服了环形激光陀螺的闭锁现象，更省去了为保持小转速的灵敏度所采取的防机械抖动措施，因此具有更为广阔的应用前景。
1、用于无人机、直升机、民用小飞机等，作为主导航系统使用。国内正在加快低空开放工作，给民用飞机、直升机和无人机提供了广阔的需求。随着国家经济的发展和人民生活水平的提高，各种民用飞机和无人机已经开始进入个人消费领域。可以预计，将来很长一段时间内，国际、国内对各种飞机的需求很大，必然带动对光纤陀螺的需求，光纤陀螺在这方面具有很好的应用前景。
2、随着我国海洋活动的频繁，需要数量巨大的各类船舶，光纤陀螺的可靠性高、寿命长等优点，非常适合应用于船舶导航。
3、民用机器人领域。民用机器人是一个新兴的行业，同样需要对其进行方向和姿态的控制。而光纤陀螺体积小、重量轻、成本低的特点正好与机器人的要求一致。
4、国内经济持续发展，矿井开采、油井测量、石油勘探、地面车辆导航、土木工程测量和隧道开凿等，需要大量的勘探测量系统，给光纤陀螺产品带来了无限商机。（白转石 毕军利 中国航空报）
(来源：华夏经纬网)
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