惯性导航技术浅析

张学红

摘要：本文介绍了惯性导航技术的发展过程并分析了主流的光纤陀螺技术和新兴发展中的磁悬浮转子陀螺技术的原理和特点。并对他们的发展前景做了简要阐述。

关键词：惯性导航技术；光纤陀螺；原理；特点；

Abstract: This paper describes the development of inertial navigation technology and analyzes the principles and characteristics of the maglev rotor gyro technology in the mainstream fiber optic gyro technology and emerging development. And do a brief description for the development of their prospects.Key words: inertial navigation technology; fiber optic gyroscope; principle; characteristics

中图分类号：TN965.7+2文献标识码：A文章编号：

1引言

惯性测量系统是一种导航定位技术，具有全天候、快速多能和机动灵活等优点。为大地测量、工程测量作业等提供了新的技术手段。惯性测量系统利用惯性导航的原理同时获取多种大地测量数据，包括经纬度、高程、方位角、重力异常和垂线偏差等。使得测量作业向自动化和全能型逐步发展。

2、 光纤陀螺

2.1原理

光纤陀螺是基于萨格奈克效应的新型光学陀螺，其工作原理类似于环形激光陀螺。萨格奈克效应是一种与媒质无关的纯空间延时，从同一光源发出的光分束成两束相同特征的光在同一闭合光路中以相反的方向传播，最后汇聚到原来的分束点，但如果闭合光路所在平面相对于惯性空间存在转动动作，则正反两束光所传播的光程将不同，于是产生光程差，这就是萨格奈克相移。采用多匝（N匝）的光纤光路可以增强萨格奈克效应，加大萨格奈克相移，并使光纤陀螺的光路尺寸大大减小。萨格奈克相移的数学表述如下式：

式中，A是光路平面的面积，是工作波长，c为光速，Ω为垂直于光路所在平面的转动角速度。可见，当波导几何参数和工作波长确定后，相位差的大小便只与系统旋转的速度有关，这就是用光纤陀螺检测转动角速度的工作原理。

光纤陀螺的分类按其结构和原理可分为干涉式光纤陀螺（I-FOG）、谐振式光纤陀螺（R-FOG）、光纤型环形激光陀螺（FRLG）、布里渊光纤陀螺（B-FOG）。而I-FOG按结构分类又可分为开环和闭环两种，还按其相位解调方式分类等。

表征光纤陀螺的性能优劣主要是输入动态范围、精度、标度因数、偏置漂移等参数。根据不同的实际应用性能需求，如今己发展出以下4种主要的干涉式光纤陀螺结构。

（l）开环全保偏光纤陀螺：精度低、成本低，早期采用模拟电路，现己基本采用数字信号处理，漂移率也提高到1°/h左右。

（2）开环单模消偏光纤陀螺：精度低、低成本，采用消偏器，采用处理电路基本和上一种相似，性能稍好于前一种。

（3）闭环全保偏光纤陀螺：精度高（可达到10-a。/h） ,高成本，采用数字电路，卞要应用于空间技术、军事应用和科学研究。

（4）闭环单模光纤陀螺：成本相对前一种光纤陀螺低，精度高（可达到0. 0035 /h），采用特殊消偏技术，数字电路，制作难度大。

2.2 特点

光纤陀螺与以往陀螺仪（如传统的机械陀螺）相比，具有无机械转动部件，灵敏度高等特点；与环形激光陀螺仪相比，它不需要光学腔的精密加工，不需要机械偏置和高压，容易制造，易于集成，寿命更长；而与微机电式的陀螺仪相比，在技术指标和环境适应性上具备优势。因此，作为一种旋转角速度测量仪器，光纤陀螺最大的优点就是耐用和高性价比。

光纤陀螺是众多种陀螺中唯一的没有活动部件，以固定状态工作并在恶劣的环境中长寿命正常工作（上百万小时）的陀螺，机械式陀螺和激光陀螺不可能

达到这些要求。

3、磁悬浮转子陀螺

3.1 超导陀螺

在磁场中一个超导体只要处于超导态，则它内部产生的磁化强度与外磁场完全抵消，从而内部的磁感应强度为零。也就是说，超导体具有完全抗磁性，这一现象被称为Meissner（梅西纳)效应。此时，靠近超导体表面，磁场的磁力线与超导体表面严格平行。对超导体表面的任一点，磁场产生的对超导体的作用力将与该点处的超导体表面垂直。利用超导Meissner效应可以实现超导磁悬浮。超导陀螺磁悬浮系统如图3所示，超导转子、球形腔、外部磁场和形成磁通路的超导体形成了超导陀螺的支承系统。陀螺仪置于超低温（材料的超导转变温度以下)环境中，将线圈通电，产生的磁场激起超导体中的电流，产生强大磁场。由于超导转子的完全抗磁性，该磁场会对转子产生斥力，这些斥力构成的合力，将转子支承于其中心。处于悬浮状态的转子在壳体内高速旋转，产生陀螺效应。

由于超导性，超导体中的电流一经激起，便会永不消失，因此超导陀螺具有能耗少的优点；且超导线圈的磁场比较稳定，因此超导悬浮的可靠性很高；转子悬浮，克服了摩擦力对转子转动的影响，转子可以达到更高的转速和更少的磨损，因此超导陀螺具有精度高、损耗少的优点。但是，就目前来说，存在很多问题限制了它的发展和应用。首先由于超导效应的产生需要超低温，超导陀螺必须工作在超低温环境中，这是超导陀螺面临的最大困难。高温超导材料的研究成为超导陀螺发展和应用的关键所在。目前超导陀螺的应用仅仅局限在宇航等高科技领域。其次加工精度要求高，超导陀螺对转子和球形腔的非球性有严格要求，应将其控制在0.5以内。最后，虽然超导陀螺的支承系统有自动定中功能，但外作用力会使转子产生无阻尼振荡.应使用转子偏移控制系统来减轻外力的影响，并采用减少转子问隙、增大超导线圈的磁通等力一式增加其悬浮刚度。

图3超导陀螺的支撑系统

3.2 磁悬浮转子微陀螺

微机械陀螺是随着MEMS技术的发展而产生的一种新型陀螺。它具有体积小、重量轻、功耗低、抗过载能力和可靠性高、能适用于较为恶劣的环境条件等优点，可广泛应用于汽车安全、电子玩具运动设备、振动监控、GPS系统、机器人控制等民用领域，同时也是航空、航天等领域运载器控制系统或惯性导航、制导系统必不可少的重要敏感器件。日前的研究主要集中在微机械振动陀螺，它是利用振动质量被基座带动旋转时产生的哥氏加速度来对角速度进行测量的。由于木身固有的正交耦合误差以及微加工技术中存在的一些困难，振动式微陀螺的精度很低，漂移精度停留在10 ~100/h的水平，尚无法达到普通陀螺的精度。

如果将电磁悬浮技术和MEMS技术结合起来，利用电磁悬浮技术使陀螺微转子和衬底分开，同时利用MEMS技术使陀螺微型化和平面化，可望制成一种高性能的微陀螺。同振动式微陀螺相比具有以下优点：

（1）精度高。可以获得很高的转速，具有很高的精度。

（2）帶宽和灵敏度调整方便。悬浮系统的有效弹性常数只与施加的电磁力有关，只需调整电磁力的人小，便可能动地调整带宽和灵敏度

（3）可以实现多轴测量。悬浮的转子具有较高的自由度，可以同时测量两轴角速度和二轴线加速度。使用两个位置正交的陀螺仪便可构成一个完整的惯性测量系统，大大降低器件的尺寸和研制成本。

6参考文献

[1]周世勤.新型惯性技术的发展[ J ].飞航导弹，2002，22 (3)：94～101.

[2]李新刚，袁建平.微机械陀螺的发展现状[ J ].力学进展，2003，33 (3)：289～300.

[3]陈树林.数字化测图的应用与发展[ J ].西部探矿工程，2009，B03：1～4.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。