高性能陀螺儀

文章出處：新聞資訊責任編輯：开云体育网页登录發表時間：2024-10-11 09:57:30

在製導、導航和控製 (GNC) 係統中，有時需要高性能或高端陀螺儀(yi) 。此類陀螺儀(yi) 在無輔助導航性能和通過陀螺羅盤確定航向方麵提供了獨特的功能，而這是當今 MEMS 陀螺儀(yi) 技術所不可能實現的。此類高端陀螺儀(yi) 中最普遍的是光學陀螺儀(yi) ，用於(yu) 具有最嚴(yan) 格性能要求的應用。

光學陀螺儀

光學陀螺儀(yi) 依靠薩尼亞(ya) 克效應來測量角速率。由於(yu) 沒有機械運動部件，因此它們(men) 通常對振動缺乏敏感性。光學陀螺儀(yi) 主要有兩(liang) 種類型：環形激光陀螺儀(yi) （RLG）和光纖陀螺儀(yi) （FOG）。

薩尼亞克效應

光學陀螺儀(yi) 使用圍繞閉環環以相反方向傳(chuan) 播的光束來測量係統的角速率。顯然，這兩(liang) 個(ge) 光束在非旋轉係統中傳(chuan) 播的距離完全相同，如圖 1.9a 所示。但由於(yu) 光相對於(yu) 慣性參考係以恒定速度傳(chuan) 播，如果係統受到角速率的影響，一束光束會(hui) 比另一束傳(chuan) 播更長的距離，如圖 1.9b 所示。當兩(liang) 束光束再次聚集在一起時，會(hui) 產(chan) 生取決(jue) 於(yu) 旋轉量的幹涉，這種現象稱為(wei) 薩尼亞(ya) 克效應。

薩格納克效應陀螺儀(yi) 測量之固定式薩格納克效應陀螺儀(yi) 測量之輪換

(a) 固定式 (b) 輪換

圖：1.9 薩格納克效應陀螺儀(yi) 測量

環形激光陀螺儀

環形激光陀螺儀(yi) （RLG）是一種高性能光學陀螺儀(yi) ，利用薩尼亞(ya) 克效應來檢測旋轉。如圖 1.10a 所示，RLG 利用閉環激光腔（通常充滿氦氖氣）來執行測量。激光器本身集成在腔室內(nei) ，使得外部觀察到的幹涉圖案與(yu) 旋轉角度成正比。這些陀螺儀(yi) 是目前性能最高的陀螺儀(yi) ，加上其複雜性，也使其成為(wei) 最昂貴的陀螺儀(yi) 。

環形激光陀螺儀(yi) (RLG) 光纖陀螺儀(yi) (FOG)

(a) 環形激光陀螺儀(yi) (RLG) (b) 光纖陀螺儀(yi) (FOG)

圖：1.10 光學陀螺儀(yi)

光纖陀螺儀

光纖陀螺儀(yi) (FOG) 是一種高性能光學陀螺儀(yi) ，它還在計算中實現了薩尼亞(ya) 克效應來檢測旋轉。 FOG 使用激光源、分束器、探測器和光纖線圈，如圖 1.10b 所示。它利用的光源分成兩(liang) 個(ge) 波長，以相反的方向穿過光纖。一旦光束到達探測器，它就可以通過薩尼亞(ya) 克效應確定旋轉速率。 FOG 的靈敏度和性能會(hui) 根據線圈直徑和匝數而變化，性能與(yu) 光纖長度直接相關(guan) （有些線圈中使用 >1 km 的光纖）。光纖陀螺儀(yi) 是比 RLG 更新的技術，並且利用現有的低成本技術，產(chan) 生更好的定價(jia) ，盡管相對於(yu) RLG 來說性能有所下降。

陀螺羅經

陀螺羅盤是高性能陀螺儀(yi) 無需外部輔助即可確定航向的能力。陀螺羅盤通過直接測量地球自轉時的角速率來檢測真北，如圖 1.11 所示。使用加速度計測量重力方向、地球角速率（哦乙) 可以分解為(wei) 水平的 (哦氮）和垂直（哦D) 分量，水平分量指向正北。該水平分量相對於(yu) 傳(chuan) 感器軸的方向提供了航向（p）。

通過陀螺羅盤實現精確航向需要具有卓越偏置穩定性的低噪聲傳(chuan) 感器。地球以大約 15°/h 的速度自轉，水平分量等於(yu) 緯度餘(yu) 弦的乘積（F）。在 45° 緯度，角速率測量中小至 0.1°/h 的誤差會(hui) 導致 0.5° 的航向誤差。具有陀螺羅經功能的陀螺儀(yi) 的尺寸、重量、功率和成本 (SWAP-C) 通常令人望而卻步，但它仍然是唯一最可靠的航向確定方法，完全獨立於(yu) 慣性傳(chuan) 感器。

陀螺羅經示意圖

圖：1.11 陀螺羅經

無輔助慣性導航

除了陀螺羅盤之外，高端陀螺儀(yi) 的主要優(you) 勢在於(yu) 其在無輔助慣性導航（也稱為(wei) 航位推算）方麵的性能。如第3.3節所述，在執行慣性傳(chuan) 感器的純集成時，陀螺儀(yi) 的性能通常主導位置誤差。雖然它們(men) 顯然在輔助情況下（例如 GNSS 輔助）提供了改進的導航性能，但相對於(yu) 價(jia) 格而言，性能的改進通常沒有保證。