摘要：梳理了陀螺經緯儀的發(fā)展歷史，總結了各個階段陀螺儀的基本特點。結合國外機械式陀螺儀的發(fā)展現狀，通過分析4種具有代表性的陀螺儀的優(yōu)缺點，探討了傳統(tǒng)式和非傳統(tǒng)式陀螺儀的發(fā)展趨勢，并指出陀螺儀未來必將朝著便攜化、高精度、高可靠性和低成本的方向發(fā)展。

0引言

隨著陀螺儀的快速發(fā)展，完善解決了導彈武器系統(tǒng)的定向問題。傳統(tǒng)的機械式陀螺儀具有可靠性高、技術成熟、應用廣泛等特點；新型陀螺儀，如激光陀螺儀、冷原子陀螺儀等，具有結構精簡、技術先進、精度較高等優(yōu)勢。這兩種陀螺儀都在不同的領域里發(fā)揮著重要的作用。

1陀螺經緯儀的發(fā)展歷程

陀螺經緯儀的概念最早是由法國物理學家傅科（Foucault L）于1852年提出：如果將高速旋轉的陀螺放在一個萬向支架上，就可以利用陀螺在高速旋轉時保持穩(wěn)定的特性來辨認方向，并且這種定向不依賴外部信息完全自主。進入20世紀以后，電氣化實現了大的變革。1920年，德國工程師舒勒研制了第1臺真正意義上的陀螺經緯儀并用于礦井定向；到了20世紀中葉，德、蘇、英、美等西方發(fā)達國家逐漸認識到了精確定向的重要性，陀螺經緯儀的研發(fā)進入了新的階段，各項指標不斷更新。

陀螺儀的發(fā)展大致經歷了以下4個階段：

1）第1階段：液浮式陀螺經緯儀。液浮式陀螺經緯儀是將陀螺靈敏部放在液體環(huán)境中漂浮起來，感知地球自轉，從而實現尋北。這種方式對靈敏部重心的穩(wěn)定性要求極高，靈敏部內的線圈不對稱，供電電壓不穩(wěn)定，都會對重心造成擾動，導致儀器測量失敗。

2）第2階段：懸掛擺式陀螺經緯儀。拋棄原來的液浮設計，利用懸?guī)⑼勇蒉D子懸掛起來，使其感知地球自轉，并完成尋北。這一設計簡化了儀器內部結構，增強了儀器的抗干擾性，也大幅提高了尋北精度。在這一階段，陀螺儀與經緯儀開始結合，形成上架式陀螺經緯儀，儀器的集成度大大提高。

3）第3階段：全自動陀螺經緯儀。原始的擺式陀螺經緯儀靈敏部需要手動上鎖、下放和限幅，這些都需要很長時間，尤其是手動限幅過程，不僅費時，還對操作人員的熟練程度有很高的要求。全自動陀螺經緯儀利用光電轉換元件敏感陀螺靈敏部的位置，通過伺服電機進行靈敏部的上鎖、下放和限幅，大幅度縮短了儀器測量時間。

4）第4階段：新型陀螺經緯儀。上述3種都是傳統(tǒng)陀螺經緯儀，也稱為機械式陀螺經緯儀，其共同點是都具有機械陀螺結構，并且利用陀螺的高速旋轉來尋找真北。隨著科技的發(fā)展，已經出現新型陀螺經緯儀，即激光陀螺、光纖陀螺、冷原子干涉陀螺等。但是，目前由于技術限制，還存在著很多問題，未大量投入生產使用。

2國外先進機械式陀螺經緯儀概況

自1947年以來，德國、蘇聯(lián)、英國、匈牙利、瑞士、美國、日本等國家先后開展了機械式陀螺儀的研究。在這段歷史中，擺式陀螺儀的發(fā)展大體經歷了船舶陀螺羅經、液體漂浮式陀螺經緯儀、下架懸掛式陀螺經緯儀和上架式陀螺經緯儀4個階段，目前正向小型化、自動化、智能化方向發(fā)展。有關國外機械擺式陀螺儀基本情況見表1。

表1 國外機械擺式陀螺儀基本情況

國外的相關研究起步較早，積累的經驗比較豐富，已經形成了系列技術成熟的工業(yè)產品。目前國外最先進的擺式陀螺尋北技術主要集中在德國DMT公司研制的 GYROMAT系列陀螺經緯儀、美國利爾西格勒公司研制的MARCS陀螺經緯儀和烏克蘭研制的GK-30、GK-3尋北儀等產品。

2.1 GYROMAT系列陀螺經緯儀

德國DMT公司研制的陀螺經緯儀有GYROMAT 2000、GYROMAT 3000和最新研制的GYROMAT 5000，在尋北精度、尋北時間和尋北范圍3項重要指標方面都非常出色。該系列陀螺經緯儀的優(yōu)點表現在以下4個方面：

1）充分結合尋北過程中各階段的特點，優(yōu)化各階段設計，并具有3種尋北模式，能夠滿足不同情況下的測量；

2）采用加粗的大截面金屬懸?guī)?，有利于計算懸?guī)Я阄慌c平衡位置夾角，取消了導流絲結構，并將陀螺電機的供電電池進行內置，提高了懸?guī)Я阄坏姆€(wěn)定性；

3）降低了陀螺轉子的轉速，可以有效減小功率和擺動周期。采用該方法的相關文獻試驗證明了降低轉速不僅可以縮短尋北時間，還可以減小儀器溫度變化，從而減小誤差；

4）可以實時檢測儀器內外溫差以及陀螺漂移。如果出現過大偏差，儀器便會報警，確保了結果的準確性。GYROMAT陀螺經緯儀外形圖如圖1所示。

圖1 GYROMAT陀螺經緯儀外形圖

盡管該型陀螺經緯儀有諸多優(yōu)點，但也存在以下3個方面的不足：

1）儀器昂貴，周期長，費用高，尤其是內置電池組一般使用2~3年就需要更換，并只能返廠進行維修保障；

2）儀器的溫度適應性不強，對溫度的變化要求非常嚴格，工作時儀器內外溫差不能超過5℃，溫度梯度變化不能超過0.25℃/min，極大地限制了儀器的野外作業(yè)。

3）儀器工作時一旦出現問題就無法繼續(xù)工作，連手動測量都無法進行。

2.2 MARCS陀螺經緯儀

美國利爾西格勒公司研制的MARCS（Master Azimuth Reference CalibrationStandard）陀螺經緯儀有以下3個突出特點：

1）對導流絲的設計進行了改動，不再采用U型結構，改用水平同心圓環(huán)結構，提高了電機運行的穩(wěn)定性，并擁有較好的力學性能；

2）采用自動阻尼跟蹤法，主要有位置阻尼階段和伺服阻尼階段，其工作原理是通過敏感靈敏部的扭力矩，計算出偏北角，而后控制儀器偏轉相應角度，兩個階段依次工作，最終完成尋北過程。整個過程依靠精確的控制方法和良好的力矩器性能實現高精度尋北；

3）特殊的鎖放機構設計可以讓靈敏部較為平穩(wěn)地下放。

MARCS陀螺經緯儀的不足之處體現在：由于其精細的控制方法造成了儀器結構復雜，而且儀器容易受到環(huán)境影響，不能應用于實戰(zhàn)，只能在實驗室的標準環(huán)境下進行測量，因此極大限制了使用范圍。

2.3 烏克蘭研制的GK-3、GK-30尋北儀

GK-3陀螺經緯儀屬于基準級尋北儀，常溫室內一次測量方位角的標準差為1″~3″（1σ），尋北時間37min~2h，其懸掛系統(tǒng)采用磁懸浮技術，并通過多位置測量力矩自動計算出儀器視準軸方向的方位角。GK-30尋北儀屬于原蘇聯(lián)SS-20戰(zhàn)略導彈的定向設備，尋北時間9min，可靠性高，車載工作抗震性能好，自動化程度較高，全環(huán)境下ー次測量方位角的標準差≤30″（1σ）。磁懸浮式懸掛系統(tǒng)是用電磁力使陀螺敏感元件懸浮于系統(tǒng)中，是一種無摩擦、無磨損的懸掛方式，它沒有機械金屬懸?guī)АＫ?，在金屬懸?guī)綉覓煜到y(tǒng)中，懸?guī)ЫY構特性變化和變形引起的零位變化在磁懸浮式懸掛系統(tǒng)中不存在。另外，它將測量敏感元件的周期擺動測北改為測量指北反饋力矩測北，使尋北時間大大縮短，從而實現了快速精確尋北。

2.4 日本的AGP-1全自動陀螺全站儀

圖2為AGP-1全自動陀螺全站儀，由日本索佳公司生產，分為自動陀螺儀和全站儀兩部分。AGP-1功能十分強大，只需在鍵盤上簡單操作，屏幕上就會實時顯示當前尋北數據，并且具有3種測量模式，尋北精度最高可達到±6″，尋北時間約10min。AGP-1內部電機為可編程直流電機，可以直接接受電子指令控制，加速功率1.0W，啟動時間小于25s，制動時間小于30s，性能十分優(yōu)越。采用整機一體化設計，操作方便快捷，自動化程度高。由于其強大的尋北效能，AGP-1在隧道、礦井、坑道等封閉場所得到廣泛應用。

圖2 AGP-1全自動陀螺全站儀

3陀螺經緯儀未來發(fā)展趨勢

隨著船艦航海、礦石開采、石油鉆探、隧道挖掘以及軍事領域對尋北定向的要求越來越高，陀螺經緯儀在不依賴外部信息、完全自主的定向儀器特性方面顯得越來越重要。世界各國也都在加緊研發(fā)更先進的陀螺經緯儀。目前，相關領域的熱點方向主要有：

1）繼續(xù)研究傳統(tǒng)機械式陀螺經緯儀，將先進的尋北算法、優(yōu)良的硬件芯片、靈敏的傳感技術、成熟的控制理論與機楲陀螺結合起來，不斷提高儀器的尋北精度、縮短尋北時間、提高自動化水平。

2）研究新型陀螺，簡化陀螺結構，向小型化便攜化、平價化發(fā)展，如激光陀螺、光纖陀螺MEMS陀螺、冷原子干涉陀螺等。

3.1 傳統(tǒng)機械式陀螺儀的發(fā)展趨勢

傳統(tǒng)機械式陀螺經緯儀的控制技術相對成熟，下一步的主要發(fā)展方向是提高結構一體化程度，增進尋北精度，具體體現在以下3個方面：

1）實現全方位尋北。

目前，國外先進的陀螺經緯儀對初始架設方位角都沒有要求，基本上都可以實現全方位尋北。要減小陀螺儀的尋北時間，提高陀螺儀的環(huán)境適應性。在偏離真北方向角度過大時，也能通過掌握陀螺儀運動規(guī)律，解決靈敏部幅度擺動過大等問題，實現大偏角情況下的尋北。

2）實現儀器的集成化。

從國外先進的陀螺儀發(fā)展情況來看，一體化的發(fā)展將進一步減小陀螺儀的體積和質量，方便陀螺儀的運輸。目前，還是有相當一部分陀螺儀是分體式的，需要主機再加一個電控箱，二者之間利用電纜連接，這不僅在通信時容易造成干擾，還使得架設運輸很不方便。造成這一問題的主要原因在于硬件設計的集成度不夠，大量的電路板難以與主機中的各種機械結構有機結合起來，導致不得不單獨把電路部分隔離出來。要實現儀器的集成化，就需要對電路部分進行再設計，減小電路板的數量和尺寸。

3）提高儀器的尋北性能。

尋北精度和尋北時間是衡量陀螺經緯儀性能的核心指標。對儀器的性能要求是永無止境的，尤其是在軍事領域中，測量準、測量快就能在戰(zhàn)爭中取得主導地位，甚至取得戰(zhàn)爭勝利。提高儀器的核心性能需要在核心技術上下功夫，包括改進尋北算法、提高機械加工精度、改進硬件合理設計等方面，這些構成了一個大的系統(tǒng)工程，需要更多科研人員的參與。

3.2 非傳統(tǒng)陀螺儀的發(fā)展趨勢

隨著科學技術的發(fā)展，一大批采用新技術的陀螺儀涌現了出來，其共同點是摒棄了傳統(tǒng)陀螺儀上的陀螺結構，使用了更先進的技術實現定向。對陀螺儀的發(fā)展而言，這是一次顛覆性的革命。根據目前新技術發(fā)展的成熟度來看，未來適用范圍比較良好，同時控制精度比較高的幾種陀螺儀主要有以下幾種：

1）激光陀螺儀

激光陀螺儀沒有旋轉的轉子結構，也不需要方向環(huán)框架、框架伺服機構、旋轉軸承、導電環(huán)及力矩器和角度傳感器等活動器件，因此存在的系統(tǒng)誤差很小。激光陀螺儀啟動時間非常短，接通電源后就能進入正常工作，只需50ms就能使零偏穩(wěn)定性達到0.5°/h，這對武器系統(tǒng)而言十分寶貴，它的最小敏感角速率小于±0.001°/h。同時，固有的數字增量輸出方便與計算機接口，適合連接系統(tǒng)使用。激光器陀螺儀需要突破的技術主要是諧振光路中折射系數的各向異性帶來的零點漂移。圖3為氦-氖環(huán)形激光陀螺儀。

圖3 氦-氖環(huán)形激光陀螺儀

2）光纖陀螺

光纖陀螺也是基于Sagnac效應的一種新型陀螺經緯儀。除了具備激光陀螺儀的優(yōu)點外，沒有閉鎖問題，也不用在石英塊精密加工出光路，成本較激光陀螺低得多。目前，美國Honeywell公司是光纖陀螺行業(yè)的領跑者。該公司制作的光纖陀螺零偏穩(wěn)定性可以達到0.0001°/h，滿足絕大多數場合下的定向需求，如圖4所示。從目前的發(fā)展來看，光纖陀螺最有可能率先實現對傳統(tǒng)機械式陀螺的替代，不過還需要克服噪聲和光纖雙折射引起的漂移、偏振狀態(tài)改變引起的比例因子不穩(wěn)定等問題。

圖4 光纖陀螺儀

3）MEMS陀螺

MEMS（Micro Electro Mechanical System）陀螺，也稱為微機電陀螺，是在21世紀初才發(fā)展起來的一種交叉學科領域的技術。它能夠將機械構件、光學系統(tǒng)、驅動部件、電控系統(tǒng)集成為一個整體，不僅能夠實現采集、處理與發(fā)送信息或指令的功能，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據外部的指令采取行動。圖5為MEMS陀螺儀。基于其體積小、質量輕的特點，通常將它用在對安裝空間和質量要求比較苛刻的場合，如智能手機和數碼相機的內部，未來將被廣泛應用于民用領域。

圖5 意法半導體MEMS陀螺儀

4）冷原子干涉陀螺儀

近幾年，冷原子干涉陀螺儀才逐漸為人們所熟知，如圖6所示。由于原子具有質量小、內部結構簡單和能級不連續(xù)等特點，干涉現象能夠呈現比光子更加豐富的內容，并且典型的原子德布羅意波比可見光波長短3萬倍，所以原子干涉儀理論精度比光學干涉儀高得多。在慣性導航領域，理論上原子陀螺儀的靈敏度比光學陀螺儀至少高1101倍，而在冷原子干涉陀螺儀的慣性導航系統(tǒng)理論上，漂移不超過10m/h。

盡管冷原子干涉陀螺儀理論精度非常高，但在實際中存在2個亟待解決的問題：1）實際測量精度與理論值相差較大。因為旋轉造成了2個原子波包在干涉時并不重合，造成的空間位置分離使探測過程中的干涉對比度急劇下降；2）冷原子的制備速率還遠達不到系統(tǒng)要求，主要是因為溫度、輻射、器件結構等對冷原子存在較大影響，進而導致與陀螺儀相關的精度、測量時間都受到影響。目前來看，盡管冷原子干涉下的陀螺儀在精度理論上能達到很高，但是冷原子提取核心技術在未取得長足發(fā)展之前，難以實現量產。

圖6 斯坦福大學冷原子陀螺儀

4結束語

無論在民用領域，還是軍事領域，陀螺經緯儀占據的地位愈發(fā)重要。它的發(fā)展極大地提高了系統(tǒng)的定向精度，縮短了定向時間。尤其在軍事應用方面，符合現代戰(zhàn)爭快速性、精確性、機動性打擊等特點。從發(fā)展趨勢來看，由于民用和軍事領域的需求不同，陀螺儀也會相應開發(fā)出不同的精度和成本系列。不過隨著新技術的發(fā)展和改進，傳統(tǒng)的機械式陀螺儀必將被逐步取代，陀螺儀將朝著一體化高精度、高可靠性、低成本方向發(fā)展。