摘要：梳理了陀螺經(jīng)緯儀的發(fā)展歷史，總結(jié)了各個階段陀螺儀的基本特點。結(jié)合國外機械式陀螺儀的發(fā)展現(xiàn)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(dǎo)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(shù)成熟、應(yīng)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(jié)構(gòu)精簡、技術(shù)先進、精度較高等優(yōu)勢。這兩種陀螺儀都在不同的領(lǐng)域里發(fā)揮著重要的作用。

1陀螺經(jīng)緯儀的發(fā)展歷程

陀螺經(jīng)緯儀的概念最早是由法國物理學(xué)家傅科（Foucault L）于1852年提出：如果將高速旋轉(zhuǎn)的陀螺放在一個萬向支架上，就可以利用陀螺在高速旋轉(zhuǎn)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(jì)以后，電氣化實現(xiàn)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(jīng)緯儀并用于礦井定向；到了20世紀(jì)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(jīng)緯儀的研發(fā)進入了新的階段，各項指標(biāo)不斷更新。

陀螺儀的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下4個階段：

1）第1階段：液浮式陀螺經(jīng)緯儀。液浮式陀螺經(jīng)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(zhuǎn)，從而實現(xiàn)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(nèi)的線圈不對稱，供電電壓不穩(wěn)定，都會對重心造成擾動，導(dǎo)致儀器測量失敗。

2）第2階段：懸掛擺式陀螺經(jīng)緯儀。拋棄原來的液浮設(shè)計，利用懸?guī)⑼勇蒉D(zhuǎn)子懸掛起來，使其感知地球自轉(zhuǎn)，并完成尋北。這一設(shè)計簡化了儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(jīng)緯儀開始結(jié)合，形成上架式陀螺經(jīng)緯儀，儀器的集成度大大提高。

3）第3階段：全自動陀螺經(jīng)緯儀。原始的擺式陀螺經(jīng)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(jīng)緯儀利用光電轉(zhuǎn)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(jīng)緯儀。上述3種都是傳統(tǒng)陀螺經(jīng)緯儀，也稱為機械式陀螺經(jīng)緯儀，其共同點是都具有機械陀螺結(jié)構(gòu)，并且利用陀螺的高速旋轉(zhuǎn)來尋找真北。隨著科技的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)新型陀螺經(jīng)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(shù)限制，還存在著很多問題，未大量投入生產(chǎn)使用。

2國外先進機械式陀螺經(jīng)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(jīng)歷了船舶陀螺羅經(jīng)、液體漂浮式陀螺經(jīng)緯儀、下架懸掛式陀螺經(jīng)緯儀和上架式陀螺經(jīng)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(guān)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(guān)研究起步較早，積累的經(jīng)驗比較豐富，已經(jīng)形成了系列技術(shù)成熟的工業(yè)產(chǎn)品。目前國外最先進的擺式陀螺尋北技術(shù)主要集中在德國DMT公司研制的 GYROMAT系列陀螺經(jīng)緯儀、美國利爾西格勒公司研制的MARCS陀螺經(jīng)緯儀和烏克蘭研制的GK-30、GK-3尋北儀等產(chǎn)品。

2.1 GYROMAT系列陀螺經(jīng)緯儀

德國DMT公司研制的陀螺經(jīng)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(biāo)方面都非常出色。該系列陀螺經(jīng)緯儀的優(yōu)點表現(xiàn)在以下4個方面：

1）充分結(jié)合尋北過程中各階段的特點，優(yōu)化各階段設(shè)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(dǎo)流絲結(jié)構(gòu)，并將陀螺電機的供電電池進行內(nèi)置，提高了懸?guī)Я阄坏姆€(wěn)定性；

3）降低了陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，可以有效減小功率和擺動周期。采用該方法的相關(guān)文獻試驗證明了降低轉(zhuǎn)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(nèi)外溫差以及陀螺漂移。如果出現(xiàn)過大偏差，儀器便會報警，確保了結(jié)果的準(zhǔn)確性。GYROMAT陀螺經(jīng)緯儀外形圖如圖1所示。

圖1 GYROMAT陀螺經(jīng)緯儀外形圖

盡管該型陀螺經(jīng)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(nèi)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(yīng)性不強，對溫度的變化要求非常嚴(yán)格，工作時儀器內(nèi)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(xiàn)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(jīng)緯儀

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

1）對導(dǎo)流絲的設(shè)計進行了改動，不再采用U型結(jié)構(gòu)，改用水平同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)，提高了電機運行的穩(wěn)定性，并擁有較好的力學(xué)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(zhuǎn)相應(yīng)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(xiàn)高精度尋北；

3）特殊的鎖放機構(gòu)設(shè)計可以讓靈敏部較為平穩(wěn)地下放。

MARCS陀螺經(jīng)緯儀的不足之處體現(xiàn)在：由于其精細的控制方法造成了儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且儀器容易受到環(huán)境影響，不能應(yīng)用于實戰(zhàn)，只能在實驗室的標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)緯儀屬于基準(zhǔn)級尋北儀，常溫室內(nèi)一次測量方位角的標(biāo)準(zhǔn)差為1″~3″（1σ），尋北時間37min~2h，其懸掛系統(tǒng)采用磁懸浮技術(shù)，并通過多位置測量力矩自動計算出儀器視準(zhǔn)軸方向的方位角。GK-30尋北儀屬于原蘇聯(lián)SS-20戰(zhàn)略導(dǎo)彈的定向設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(xiàn)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(chǎn)，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(dāng)前尋北數(shù)據(jù)，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(nèi)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(shè)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(yīng)用。

圖2 AGP-1全自動陀螺全站儀

3陀螺經(jīng)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(lǐng)域?qū)け倍ㄏ虻囊笤絹碓礁?，陀螺?jīng)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(jīng)緯儀。目前，相關(guān)領(lǐng)域的熱點方向主要有：

1）繼續(xù)研究傳統(tǒng)機械式陀螺經(jīng)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(shù)、成熟的控制理論與機楲陀螺結(jié)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(jié)構(gòu)，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(jīng)緯儀的控制技術(shù)相對成熟，下一步的主要發(fā)展方向是提高結(jié)構(gòu)一體化程度，增進尋北精度，具體體現(xiàn)在以下3個方面：

1）實現(xiàn)全方位尋北。

目前，國外先進的陀螺經(jīng)緯儀對初始架設(shè)方位角都沒有要求，基本上都可以實現(xiàn)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(yīng)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(xiàn)大偏角情況下的尋北。

2）實現(xiàn)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(zhì)量，方便陀螺儀的運輸。目前，還是有相當(dāng)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(shè)運輸很不方便。造成這一問題的主要原因在于硬件設(shè)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(jié)構(gòu)有機結(jié)合起來，導(dǎo)致不得不單獨把電路部分隔離出來。要實現(xiàn)儀器的集成化，就需要對電路部分進行再設(shè)計，減小電路板的數(shù)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(jīng)緯儀性能的核心指標(biāo)。對儀器的性能要求是永無止境的，尤其是在軍事領(lǐng)域中，測量準(zhǔn)、測量快就能在戰(zhàn)爭中取得主導(dǎo)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(shù)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(shè)計等方面，這些構(gòu)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，一大批采用新技術(shù)的陀螺儀涌現(xiàn)了出來，其共同點是摒棄了傳統(tǒng)陀螺儀上的陀螺結(jié)構(gòu)，使用了更先進的技術(shù)實現(xiàn)定向。對陀螺儀的發(fā)展而言，這是一次顛覆性的革命。根據(jù)目前新技術(shù)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(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，也不需要方向環(huán)框架、框架伺服機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)軸承、導(dǎo)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(shù)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(shù)主要是諧振光路中折射系數(shù)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(yīng)的一種新型陀螺經(jīng)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(lǐng)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(shù)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(xiàn)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(jì)初才發(fā)展起來的一種交叉學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)。它能夠?qū)C械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動部件、電控系統(tǒng)集成為一個整體，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)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(jù)外部的指令采取行動。圖5為MEMS陀螺儀?；谄潴w積小、質(zhì)量輕的特點，通常將它用在對安裝空間和質(zhì)量要求比較苛刻的場合，如智能手機和數(shù)碼相機的內(nèi)部，未來將被廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域。

圖5 意法半導(dǎo)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(zhì)量小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單和能級不連續(xù)等特點，干涉現(xiàn)象能夠呈現(xiàn)比光子更加豐富的內(nèi)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(xué)干涉儀高得多。在慣性導(dǎo)航領(lǐng)域，理論上原子陀螺儀的靈敏度比光學(xué)陀螺儀至少高1101倍，而在冷原子干涉陀螺儀的慣性導(dǎo)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)等對冷原子存在較大影響，進而導(dǎo)致與陀螺儀相關(guān)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(shù)在未取得長足發(fā)展之前，難以實現(xiàn)量產(chǎn)。

圖6 斯坦福大學(xué)冷原子陀螺儀

4結(jié)束語

無論在民用領(lǐng)域，還是軍事領(lǐng)域，陀螺經(jīng)緯儀占據(jù)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(yīng)用方面，符合現(xiàn)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(lǐng)域的需求不同，陀螺儀也會相應(yīng)開發(fā)出不同的精度和成本系列。不過隨著新技術(shù)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。