激光陀螺：惯性导航系统上的“明珠”

作者：唐嘉 张乃千 徐攀

2016年08月22日 来源：学习时报　　

    用于开展引力波研究的“天琴计划”，第一阶段将于日前完成大型激光陀螺仪等地面辅助设施建设。近期，美国国防后勤局划拨3890万美元，授权霍尼韦尔国际公司为美国海军AN/ WSN-7(V)海上导航系统研制环形激光陀螺系统。激光陀螺，又叫环形激光器，在加速度计配合下可以感知物体在任意时刻的空间位置，被誉为惯性导航系统这顶皇冠上的“明珠”。目前，我国已经成为世界上第四个具备独立研制激光陀螺能力的国家，产品应用范围覆盖陆海空天等多个领域。激光陀螺虽小，却集成了光、机、电等诸多领域高精尖技术，是一个国家科技实力和军事实力的综合体现。

    麻雀虽小，方寸之中尽知世间动态

    在古希腊语里，“陀螺”一词的含义是“旋转指示器”，随着现代科学技术的飞速发展，只要能对物体的旋转状态进行感知测量的装置，都可被称为陀螺仪。惯性测量装置好比现代高精度设备的“眼睛”，而激光陀螺的出现，已成为惯性制导系统的“火眼金睛”。

    早在18世纪，人类就开始了对陀螺运动的研究，第一次世界大战中，美国海军首先成功研制了机械陀螺仪。1960年，美国人在成功研制出世界上第一台激光器后，迅速开始激光陀螺的研究。到1980年代，美国空军实施了“综合惯性基准组件”研制计划，将激光陀螺应用在双盒组件式传感器系统中，美国海军也研制了“CA1NS1”系统，将激光陀螺应用到舰载飞机中。1985年美国提出了战略防御计划（SDI）后，激光技术得到了更大规模的研究与应用，其中1985财年SDI预算在激光领域的投资高达10.4亿美元，大部分用于开展激光实验，其中就包括激光陀螺的研究。

    随着技术的发展，激光陀螺的性能越来越好，应用也更加广泛。今后激光陀螺技术将主要向更高精度和可靠性、更小体积和更便宜价格发展。美国霍尼韦尔公司的GG1308型激光陀螺，通过采用一次成型工艺，总体积小于2立方英寸，重量仅为60克，却可以达到1°/h的精度，价格仅为1000美元。激光陀螺“麻雀虽小”，却集成了光、机、电等诸多领域高精尖技术，考量着一个国家的综合国力，是一个国家科技实力和军事实力的综合体现。

    千里点穴：精确打击的导航“心脏”

    早在1998年美国对伊“沙漠之狐”行动中，“战斧”式巡航导弹就大放异彩，成功发射导弹325枚，主要用来攻击伊军指挥控制机构、核生化武器设施、防空阵地和地下指挥中心，其命中精度令世人惊叹。而让“战斧”式巡航导弹实现“千里点穴”功能的核心器件，就是激光陀螺。

    驰骋在现代战场上的飞机、导弹等，无不需要准确测量方位、速度、姿态等信息参量才能圆满完成预定的导航或作战任务。放置在“身体”中作为精确导航“心脏”的就是惯性导航系统。传统的惯性导航仪器主要是机械式陀螺，其制作工艺要求高，结构复杂，体积庞大，精度也受到极大限制。

    激光陀螺的出现极大地改变了这种状况，它具有重量轻、尺寸小、精度高、可靠性好、动态范围大、响应时间短、耐冲击和振动、工作寿命和存放时间长、可直接与计算机相连实现自动化控制等优点。尤其是它极高的精度值，每小时漂移角速率在0.0001°至1°范围内。

    其实，这枚精确导航“心脏”看似神秘，其原理并不复杂，激光陀螺主要依据Sagnac效应制作而来。通俗讲，当光束在设定好的通道中传播时，由于通道本身具有转动速度，从而引起光沿通道转动方向时间的改变。使用光电手段测量这个相位差的改变，就可以测出闭合光路的旋转角速度。利用这种光程变化的原理，就可以制作出激光陀螺仪。由于光电设备具有较高的可靠性和较长的工作寿命，它才能像一颗永不停息的“心脏”，时刻为设备导航。

    陆海空天：在军民用多领域大放异彩

    自行火炮、步战车、飞机、飞船、导弹、人造卫星、潜艇、舰船……这些装置都需要陀螺仪测定东西南北和判断上下。近年来，随着光电技术的迅猛发展，集光、机、电“三位一体”的新型激光陀螺得到迅速发展，并在陆海空天等领域得到广泛应用。激光陀螺也被誉为茫茫海天的“定位神器”。

    对应于不同的用途，激光陀螺的种类也有很多，一般可分为指示陀螺仪和传感陀螺仪。指示陀螺仪在行进状态中作为领航和驾驶仪表使用，传感陀螺仪可用于运动物体的自动控制系统中。为保证罗盘和自动驾驶仪器的正常工作，一般的飞机要使用10多个陀螺仪。哈勃太空望远镜和国际空间站系统也大量使用激光陀螺来判断自身方位。此外，根据框架数目和工作形式，激光陀螺又可分为：三自由度陀螺仪、二自由度陀螺仪、速率陀螺仪、积分陀螺仪、无约束陀螺仪等。这些陀螺仪与机械式陀螺仪、光纤陀螺仪、自由转子陀螺仪、振动式陀螺仪等一起构成了“陀螺大家族”，从而在各个模块、各种应用领域发挥巨大作用。

    首先，激光陀螺可以用于为各类飞行器和精确制导武器提供实时航向、速度、高度、姿态等空间位置信息，提高飞机的可靠飞行时间，并使精确制导武器的命中精度得到极大提高。美国将激光陀螺系统成功应用于新一代远程反潜机“P-7A”，极大地提高了该型飞机的飞行稳定性和探测位置精确度。激光陀螺还为机动发射的弹道导弹、巡航导弹提供方位基准，使它们能实现快速定向定位，准确地命中目标。

    其次，激光陀螺还可以为舰船、潜艇和鱼雷提供航向、航速和位置等基准数据，它们不依赖于任何外部信息，就能独立地进行实时导航。加拿大海军就将配置有“MK49”型环形激光陀螺导航仪的新一代惯性导航系统（INS）安装在“哈利法克斯”级护卫舰、“易洛魁”级驱逐舰和“维多利亚”级潜艇上。将激光陀螺与全球定位系统（GPS）相结合作为精确导航系统的核心组件，也正被广泛应用于核潜艇、飞机、巡航导弹、洲际导弹及卫星制导中，这一系统目前已多次经过实战检验。

    此外，激光陀螺还可以作为坦克、步兵战车的稳定调节系统，实现车体状态的自我感知；还可以作为航天器姿态和轨道控制系统的重要组成部分，还可以用于运载火箭的惯性制导系统。在其他民用领域，可以将激光陀螺安装在望远镜上提供实时角坐标信息，可以用超大型激光陀螺观测地震波信息、固体地面潮汐效应和测量引力波等。可以预见，随着激光陀螺技术的日渐完善，它的应用范围还会更加广阔，势必会对未来战争和日常生活产生巨大影响。