惯性核心器件——陀螺仪发展现状

2025-12-15 14:37:02

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惯性导航系统应用于运动载体的位姿检测与导航控制。惯性导航不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量，与卫星导航相比，其优势是不受外界电磁干扰、隐蔽性和稳定性好、导航信息连续性好且噪声低、数据更新率高、短期精度高、可全天候，全球和全时间地工作于空中，地表和水下。

陀螺仪是惯性导航系统中的核心器件之一，经过四代技术更迭，目前惯导陀螺仪以光学陀螺仪（激光陀螺和光纤陀螺）、 MEMS陀螺和半球谐振陀螺为主。其中，激光陀螺、光纤陀螺和半球谐振陀螺主要应用于战术级、导航级与战略级场景，MEMS陀螺主要应用于消费级场景。

近年来，随着半球谐振陀螺在成本降低、工艺提升等方面取得的技术突破，使半球谐振陀螺成为最具市场潜力的陀螺仪。半球谐振陀螺有望重构军用惯导技术与装备体系，推动惯导系统朝向小型化、高可靠性趋势发展，助力军用惯导系统建设的提质增效与降本赋能。

惯导系统的基本工作原理

利用陀螺仪和加速度计测量运载体在惯性参考系下的加速度和角速度，并对时间进行积分、运算得到速度和相对位置，且把它变换到导航坐标中，这样结合运载体最初的位置信息，就可以得到运载体现在所处的位置。除了部分特殊应用场景外，大部分运载体通常以惯导系统为主，同时结合卫星导航系统进行误差修正，以提高导航系统整体性能。

图1 惯性导航与卫星导航的应用比较

图2 惯性导航基本原理

惯导系统应用领域包括军用和民用两部分。在军用领域，惯导系统在舰艇船舶、航空飞行器、航天飞机、制导武器、陆地车辆、机器人等装备上均有所应用；民用市场包括大地测量、石油钻井、电子交通、汽车安全、消费电子等领域。

陀螺仪及其工作原理

陀螺仪是惯性导航系统中的核心器件之一，用于测量运载体的角运动。通常情况下，每套惯性测量装置包含三组陀螺仪，分别测量三个自由度的角加速度，用于对初始速度、位置的叠加运算，得到物体在空间位置中的运动方向和速度，并最终实现导航功能。

陀螺仪的发展，呈现出高精度、小型化、可靠性强的发展趋势。20世纪70年代后，随着光学、微电子技术和哥式振动效应在陀螺仪领域的应用，基于不同测量原理的光学陀螺仪（激光陀螺和光纤陀螺）、MEMS陀螺和半球谐振陀螺应运而生。当前，惯导陀螺仪应用主要以这四类陀螺为主，但在某些特殊场景，三浮陀螺仪等陀螺仪仍有使用。

图3 陀螺仪技术原理发展过程趋势

惯导陀螺仪主要指标

根据中华人民共和国航天行业标准QJ1079A-2004《陀螺仪主要精度指标和测试方法》、国军标GJB2426-95《光纤陀螺测试方法》，惯性陀螺仪主要精度指标包括系统性漂移率、系统性漂移率的稳定性和随机性漂移率。

图4 陀螺仪主要的技术指标

惯导陀螺仪分类及对比

根据应用场景和精度要求不同，可以将惯性导航所需陀螺仪分为战略级、导航级、战术级和消费级。其中，激光陀螺、光纤陀螺和半球谐振陀螺主要应用于战术级、导航级与战略级场景，MEMS陀螺主要应用于消费级场景。

图 5 不同级别应用对陀螺仪精度需求

激光陀螺

激光陀螺（RLG）主要利用光程差原理——Sagnac效应来测量角速度。两束光波沿着同一圆周路径反向而行，而光源与圆周均发生旋转时，两束光的行进路程不同，产生了相位差，通过测量该相位差可以测出载体角速度。

激光陀螺精度较高，制造价格相对昂贵，因此主要在战略级、导航级和战术级惯性导航系统中应用，主要满足航空航天、海军舰船等军事装备的较高精度需求。

图6 激光陀螺的主要优缺点

图7 激光陀螺仪及其原理示意图

光纤陀螺

光纤陀螺（FOG）基于与激光陀螺相同的基本原理——Sagnac效应来测量角速度，使用来自激光器的两个光束被注入到相同的光纤中，但是在相反的方向上由于Sagnac效应，抵抗旋转行进的光束经历比另一个光束稍短的路径延迟。因此光纤陀螺能够通过干涉测量来测量所得到的差分相移，从而将角速度的一个分量转换为光度测量的干涉图案的偏移，进而实现对角运动的测量。