史文策，許江寧，林恩凡

（海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)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(shù)自問世以來，發(fā)展至今已有160余年歷史，在導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)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(xiàn)，各國對陀螺儀精度、穩(wěn)定性、可靠性、成本、體積等性能指標(biāo)的不懈追求，極大地促進了陀螺儀技術(shù)的發(fā)展。

陀螺儀按照工作原理可劃分為：基于旋轉(zhuǎn)質(zhì)量陀螺效應(yīng)的轉(zhuǎn)子陀螺儀；基于薩奈克效應(yīng)的光學(xué)陀螺儀；基于哥氏效應(yīng)的振動陀螺儀；基于現(xiàn)代量子力學(xué)技術(shù)的原子陀螺儀[1-2]。

1 陀螺儀的發(fā)展

1852年，法國物理學(xué)家萊昂·傅科（Léon Foucault）提出了利用陀螺儀指向的設(shè)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(zhuǎn)運動，開啟了人類對工程實用陀螺儀的研究與設(shè)計。1908年，德國科學(xué)家赫爾曼·安許茨-肯普費（Hermann Anschütz-Kaempfe）設(shè)計了一種單轉(zhuǎn)子擺式陀螺羅經(jīng)，該系統(tǒng)可以憑借重力力矩進行自動尋找北方向，解決了當(dāng)時的艦船導(dǎo)航問題。第二次世界大戰(zhàn)期間，德國利用陀螺儀為V-2火箭裝備了慣性制導(dǎo)系統(tǒng)，實現(xiàn)了陀螺儀技術(shù)在導(dǎo)彈制導(dǎo)領(lǐng)域的首次應(yīng)用[3]。

圖1 傅科陀螺儀

20世紀50年代，轉(zhuǎn)子陀螺儀開始出現(xiàn)，美國麻省理工學(xué)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(shù)，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(diào)諧陀螺儀（dynamically tuned gyroscope, DTG），?？柛Ｌ毓狙兄频腟KN-2416、SKN-2610、MODⅡ等型號產(chǎn)品，在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及軍用飛機等平臺進行了成功應(yīng)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(dǎo)彈核潛艇裝備了靜電陀螺監(jiān)控器，使得潛艇的導(dǎo)航能力出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

20世紀60年代，光學(xué)陀螺儀的出現(xiàn)是慣性技術(shù)領(lǐng)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(jīng)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(yīng)用到飛機和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)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(dǎo)航設(shè)備。光纖陀螺儀（fiber optical gyroscope，F(xiàn)OG）是出現(xiàn)稍晚于激光陀螺儀的另一類光學(xué)陀螺儀，與激光陀螺儀相比，F(xiàn)OG具有體積更小、成本更低、便于批量生產(chǎn)等顯著優(yōu)勢，迅速獲得了各大陀螺儀生產(chǎn)商的青睞。

進入 20世紀 90年代，隨著微機電和量子技術(shù)的不斷發(fā)展，以微機電系統(tǒng)（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(fā)展，掀開了陀螺儀技術(shù)的嶄新篇章。

2 新型陀螺儀

2.1 微機電系統(tǒng)陀螺儀

MEMS陀螺儀，主要采用微/納米技術(shù)，將微機電系統(tǒng)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(xiàn)對轉(zhuǎn)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(huán)式及懸浮轉(zhuǎn)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(shù)十年，MEMS陀螺儀技術(shù)得到了國內(nèi)外的高度重視。英國貝宜（BAE）系統(tǒng)有限公司，采用MEMS諧振環(huán)陀螺儀實現(xiàn)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(chǎn)品

MEMS IMU系列化產(chǎn)品在高速旋轉(zhuǎn)彈、中程導(dǎo)彈和美國155 mm制導(dǎo)神箭炮彈等武器系統(tǒng)中，得到了成功應(yīng)用[6]。日本硅傳感系統(tǒng)公司對MEMS諧振環(huán)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(wěn)定的MEMS面外陀螺儀性能，角度中值的零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.2(°)/h，隨機游走優(yōu)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(lǐng)域研究起步較晚，經(jīng)過近些年的努力，在MEMS陀螺儀設(shè)計技術(shù)、制作工藝技術(shù)、電路小型化技術(shù)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)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(yīng)用要求，但是與先進的國外產(chǎn)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(tài)波陀螺儀，它通過半球諧振子徑向振動產(chǎn)生的駐波沿環(huán)向的進動效應(yīng)來感測基座的旋轉(zhuǎn)，進而確定旋轉(zhuǎn)角度或速度。半球諧振陀螺儀按照結(jié)構(gòu)形式可分為兩件套構(gòu)型和三件套構(gòu)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(xiàn)于 20世紀 60年代。自問世以來，備受各國關(guān)注，隨著電子學(xué)技術(shù)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(lǐng)先地位。美國諾格公司研制的哈布爾（Hubble）HRG，其零偏穩(wěn)定性達 0.000 08(°)/h ，角度隨機游走達0.000 010.5(°)/h ，是當(dāng)前公開報道中，性能指標(biāo)最高的半球諧振陀螺儀[10]。俄羅斯米亞斯梅吉科科研生產(chǎn)所，利用其獨有的離子束調(diào)平技術(shù)，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(wù)公司研制的、以 HRG克里斯特爾（Crystal）TM為基礎(chǔ)的純慣性導(dǎo)航儀奧尼克斯（ONYXTM），是當(dāng)今世界上精度最高、體積最小的純慣性導(dǎo)航儀[12]，ONYXTM的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 法國賽峰電子與防務(wù)公司研制的ONYXTM純慣性導(dǎo)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(fā)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(shù)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(fā)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(chǎn)線，研制的力反饋式半球諧振陀螺儀的性能指標(biāo)，滿足了空間高精度、長壽命衛(wèi)星的使用需求[13]。2017年和2018年，上海航天控制技術(shù)研究所研制的半球諧振陀螺儀，分別成功應(yīng)用到了通信技術(shù)試驗衛(wèi)星二號和高分五號衛(wèi)星上，實現(xiàn)了我國自主研發(fā)的半球諧振陀螺儀在空間領(lǐng)域的實際應(yīng)用[14]。國防科技大學(xué)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(shù)字電路設(shè)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(xué)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(zhuǎn)動的，是一種基于核磁共振原理的全固態(tài)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(shù)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(shù)瓶頸和光學(xué)陀螺儀的迅速發(fā)展等多重原因，核磁共振陀螺儀發(fā)展出現(xiàn)停滯。直到21世紀初，隨著量子技術(shù)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(shù)的定位、導(dǎo)航與時間系統(tǒng)”項目中，支持諾格公司開展相關(guān)技術(shù)研究，歷經(jīng)了四個階段，2014年該公司成功研制出體積為5 cm3，零偏穩(wěn)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(gòu)建了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[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(xué)、北京自動化控制設(shè)備研究所、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)等科研機構(gòu)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(guān)技術(shù)的發(fā)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(zhì)波薩奈克效應(yīng)[18]。原子具有波粒二相性，其物質(zhì)波屬性經(jīng)激光深度冷卻后將變得明顯，通過物質(zhì)波的干涉現(xiàn)象，可以量測運載體的角速度。由于原子的物質(zhì)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(xué)陀螺儀的 1 × 1 0-10倍[19]。

1991年，美國斯坦福大學(xué)朱棣文小組，首次觀察到了原子干涉儀的陀螺效應(yīng)，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(fā)達國家的密切關(guān)注。2003年，DARPA制定了利用超冷原子干涉原理實現(xiàn)高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)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(xué)構(gòu)建了包括冷原子干涉陀螺儀在內(nèi)的超高精度慣性傳感器仿真平臺，展示了冷原子干涉?zhèn)鞲衅鲬?yīng)用于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的潛力[12]。

近年來，我國也加緊了對原子干涉陀螺儀技術(shù)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(shù)研究工作，包括清華大學(xué)、中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所、北京航天控制儀器研究所和華中科技大學(xué)等。

3 陀螺儀的展望

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

表1 不同陀螺儀的性能指標(biāo)對比

3.1 轉(zhuǎn)子陀螺儀

液浮陀螺儀經(jīng)過幾十年的發(fā)展，技術(shù)上已相對成熟，目前主要作為敏感傳感器應(yīng)用到武器系統(tǒng)上，以實現(xiàn)隨動跟蹤與制導(dǎo)，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(diào)諧陀螺儀，在20世紀70年代到20世紀90年代被廣泛應(yīng)用，但隨著光學(xué)陀螺儀技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，其各方面性能指標(biāo)均不占優(yōu)勢，在各領(lǐng)域逐漸被光學(xué)陀螺儀所取代，目前國內(nèi)外已基本停止了對動力調(diào)諧陀螺儀的研究。靜電陀螺儀仍是目前實際應(yīng)用中，精度最高的陀螺儀，但由于其工藝復(fù)雜、成本昂貴、抗干擾能力差等缺陷，如今僅在高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中繼續(xù)應(yīng)用，受關(guān)注度較低，各國正努力尋求其替代品，未來進一步發(fā)展的空間相對受限。

3.2 光學(xué)陀螺儀

光學(xué)陀螺儀因其精度高、穩(wěn)定性高、體積小、抗干擾能力強等優(yōu)勢，是目前捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中使用的主流產(chǎn)品，在市場中仍占據(jù)著主導(dǎo)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(fā)展，但如何更有效地減小閉鎖效應(yīng)，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(xiàn)，但發(fā)展勢頭迅猛，美國、法國、俄羅斯和日本等發(fā)達國家，研制的新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，滿足了不同領(lǐng)域的實際應(yīng)用需求，下階段，融合多種技術(shù)，從精度、穩(wěn)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(huán)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(chǎn)等優(yōu)勢，現(xiàn)階段已基本占據(jù)低精度市場，隨著工藝水平、計算機技術(shù)和數(shù)據(jù)算法的不斷發(fā)展，其精度性能有望實現(xiàn)質(zhì)的突破，進入慣性級陀螺儀應(yīng)用領(lǐng)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(biāo)，在成功應(yīng)用到空間領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，向航海領(lǐng)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(dǎo)航定位系統(tǒng)的主要慣性導(dǎo)航設(shè)備，賽峰電子與防務(wù)公司基于 HRG Crystal技術(shù)研發(fā)的布盧·瑙特（Blue Naute）系列慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，已開始應(yīng)用到工程船舶、科考船和海警船等載體上[20]；另外，結(jié)合新型制作工藝，大力開發(fā)基于MEMS技術(shù)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(guān)注，原子陀螺儀技術(shù)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(chǎn)業(yè)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(shù)相結(jié)合，有望實現(xiàn)芯片型慣性級陀螺儀，并以捷聯(lián)式方案應(yīng)用到微小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、微小衛(wèi)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(dǎo)航系統(tǒng)的傳感器，應(yīng)用到戰(zhàn)略武器裝備上，但目前來看，原子干涉陀螺儀距離最終產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍面臨許多技術(shù)困難，需要做好中長期的規(guī)劃部署。

4 結(jié)束語

陀螺儀作為慣性技術(shù)體系的重要一環(huán)，是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的核心傳感器，其技術(shù)的更迭前進與慣性技術(shù)的發(fā)展需求密不可分。轉(zhuǎn)子陀螺儀拉開了陀螺儀工程化應(yīng)用的序幕；光學(xué)陀螺儀具有里程碑的意義，在捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，大幅改善了陀螺儀精度與穩(wěn)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(xiàn)階段展示出了巨大潛力，正處于高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)。陀螺儀技術(shù)對國家綜合定位、導(dǎo)航、授時（positioning, navigation and timing, PNT）體系的建設(shè)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(shù)的持續(xù)探索研究，仍將是國內(nèi)外廣大科技工作者密切關(guān)注的焦點。