陀螺惯性制导及其军事应用 (2008-11-24 23:52:00)

物理·自然·技术·社会　
陀螺惯性制导及其军事应用
陈心中,徐润君
(中国人民解放军汽车管理学院物理教研室,安徽蚌埠　233011)
摘要:简要介绍机械惯性陀螺、环形激光陀螺、光纤陀螺、半球谐振陀螺、石英音叉陀螺的基本工作原理及其军事应用,并预测了陀螺惯性制导的发展趋势.
关键词:陀螺;惯性制导;军事应用
中图分类号:O 318 　　　文献标识码:A 　　　文章编号:100020712 (2004) 0320046205
　　现代战场上的飞机、导弹、装甲、坦克以及军舰
等兵器,只有准确地测量方位、速度、姿态等参量才
能完成预定的导航或稳定任务, 因此常常需要利用
惯性测量装置. 惯性测量装置中,加速度计可用于测
量物体的平动加速度, 陀螺仪则可用于测量物体的
转动情况.
陀螺仪已成为现代兵器惯性制导系统中的核心
部件. 在希腊文中,“陀螺”一词的原意为“旋转指示
器”. 在现代科学技术中,不论基于何种原理,凡能感
测旋转状态的任何装置,一般都可称之为陀螺仪.
关于陀螺运动的基础理论研究大约是从18 世
纪开始的. 早期采用的是根据回转仪原理设计的机
械陀螺,后来出现了机电式惯性陀螺. 在第一次世界
大战中,美国海军首先研制成功陀螺导航仪,并相继
推广应用于航海和航空事业中. 20 世纪初出现了飞
机陀螺稳定器和自动驾驶仪. 近年来,随着光电技术
的迅猛发展,集光、机、电一体化的光电惯性陀螺及
利用光电技术加工的新型惯性陀螺(如激光陀螺、光
纤陀螺、半球谐振陀螺、石英音叉陀螺等) ,正不断地
发展并广泛应用于军事领域.
1 　机械惯性陀螺
坦克、装甲等战车上的铁制物和电磁系统较多,
通常指南针会受到影响因而难以发挥作用. 如果在
车辆开始行进时, 将陀螺仪的高速转轴放置在南北
方向,则由于陀螺仪的定轴性, 在车辆行进过程中,
无论车身如何转动, 陀螺仪的高速转轴都会稳定地
指向当地的南北方向. 车辆的纵轴与陀螺仪高速转
轴的夹角即为航向角,根据其大小即可确定方向,并
通过电子系统控制车辆的前进. 前苏联最早即在自
行高炮和萨姆导弹的发射车上装置了陀螺仪.
对于空中的飞行器(如飞机、火箭、导弹等) ,飞
行过程中的方向和姿态可以用三个角度来描述:飞
行器头部的上仰下俯(即飞行器绕垂直于飞行方向
的水平轴的旋转) , 可用俯仰角来表示;飞行器头部
左右的摆动(即绕铅直轴的转动) , 可用偏航角来表
示;飞行器绕其本身纵向轴线的转动,可用侧滚角来
表示. 测出这三个角度至少要用两个陀螺仪,即绕铅
直和水平轴转动的两个陀螺仪. 由于高速转子的定
轴性,无论飞行器如何运动,两轴线的方向都保持不
变,因此两轴线可分别作为铅直和水平基准线. 上述
三个角度可分别通过陀螺仪的内、外框架与相应轴
线、基座之间的夹角测得. 例如飞行器的侧滚角和俯
仰角可根据以铅直基准线为转轴的陀螺仪测出(图
1) ,偏航角可以根据以水平基准线为转轴的陀螺仪
测出(图2) ,将测出的信号传送给计算机系统,就能
发出指令,随时纠正飞行器飞行的方向和姿态.
图1 　滚动和俯仰陀螺
惯性制导系统分为捷联式惯性制导和平台式惯
性制导两种:把惯性仪表直接安装在飞行器内部的
某个位置,并且随着飞行器一起运动的称为捷联式
第23 卷第3 期大　学　物　理Vol. 23 No. 3
2004 年3 月COLL EGE 　PHYSICS Mar. 2004
图2 　偏航和俯仰陀螺
惯性系统;平台式惯性系统是在飞行器内将一个金
属平台固定在高质量的常平架上,当飞行器俯仰或
偏航时,陀螺和伺服控制系统使稳定平台总是保持
在原有的空间方位上. 由于捷联式惯性制导是将信
号直接输入计算机,因而能降低造价,提高可靠性,
故目前的惯性系统多采用捷联式惯性制导. 而对于
导航精度要求较高的武器系统(如运载火箭、发射弹
道导弹的核潜艇、洲际导弹、巡航导弹等) ,常应用陀
螺平台惯性系统.
利用陀螺的定轴性原理可以制成稳定系统,用
于探测并控制飞行器或舰船发生的侧向滚动, 使其
保持稳定. 我们从图3 所示的“铜斑蛇”炮弹激光寻
的器的结构示意图可以看出陀螺的稳定作用:来自
目标反射的激光能量经整流罩后, 穿过窄带光学滤
光片,由透镜会聚,并由陀螺稳定的平面反射镜反射
后落在透镜后主点附近的四象限探测器上. 来自目
标反射的激光相对于炮弹的方位不同, 落在四象限
探测器上的信号也不同. 这种结构的光轴是不稳定
的,但由于陀螺的稳定作用,垂直于反射镜并通过探
测器中心的测量轴线却是稳定的, 因而根据四象限
探测器上的光信号可以探测到炮弹的滚转情况, 通
过电路输出并形成控制信号,以使炮弹稳定飞行.
图3 　“铜斑蛇”炮弹激光寻的器结构图
由此可见,机械陀螺仪是以力学中的惯性原理
为依据制成的,其导航精度完全取决于元件本身,与
周围物理环境无关,不受外界干扰. 速率陀螺仪提供
的角速度信号能为防空火力控制瞄准器提供前置角
数据,能为飞机、车辆等导航制导系统提供稳定数
据,从而改善系统的动态品质.
但传统的机电陀螺仪离不开高速转动的转子,
高速转子容易产生质量不平衡问题并受加速度影
响,而且还需要一定的时间才能达到转速平衡,使用
起来不很方便.
2 　环形激光陀螺
1960 年人类研制了第一台激光发生器,1962 年
美、英、法及前苏联几乎同时开始研制激光陀螺. 激
光陀螺利用沿闭合光路运转的激光光束进行测量,
不使用机械转子,它完全是一个光学元件,但功能与
机械陀螺一样,可用来测定相对于惯性空间的转速
和方位.
图4 是环型干涉仪的示意图,为了方便于推导,
设它是一个正三角形,并假设一束激光在A 点被分
成频率相同、初相位相同的两束激光,分别沿着环路
的逆时针和顺时针方向传输. 当环路相对惯性空间
没有转动时,逆时针光和顺时针光环绕一圈的光程
均为L , 两者光程差为零. 当环路以角速度ω绕O
轴转动时,由于相对于惯性空间坐标系的光速c 不
变,两束光的光程就不等. 逆时针光在环路中绕一圈
的光程为
L + = L + r0ωτ+ (1)
式中r0 为转轴到三角形一边的距离,τ+ 为逆时针
光在环路中绕一圈所需的时间,而
τ+ =
L +
c
(2)
由(1) 、(2) 两式可解得
L + = L c
c - r0ω (3)
同理可得顺时针光在环路中绕一圈的光程是
L - =
L c
c + r0ω (4)
将(3) 、(4) 两式相减得
图4 　环形干涉仪示意图
第3 期　　　　陈心中等:陀螺惯性制导及其军事应用　47
L + - L - =
2 L cr0ω
c2 - r20
ω2
因为c2 m r20
ω2
所以L + - L - =
2 L r0ω
c
由几何学知识可得环路的面积为
S = 3 3 r20
环路一圈的周长
L = 6 3 r0
所以S = L
2
r0 (5)
则两束光的光程差为
L + - L - =
4 S
c
ω (6)
不难看出,只要测得两束光的光程差,即可求得转动
角速度ω.
在实用中,通常是在一块石英玻璃内加工一个
三角环形光路,在一段光路上放置氦氖激光器,氦氖
激光器发出的激光经三个顶点处的反射镜反射后成
为闭合光路,形成一个环形谐振腔(图5) . 由物理知
识可知,在低损耗情况下,当波长为λ的激光符合L
= nλ( n 为正整数) 时,满足谐振条件.
图5 　环形谐振腔结构示意图
由式(3) 得
nλ+ = nλc
c - r0ω
即λ+ =
λc
c - r0ω (7)
同理得λ- =
λc
c + r0ω (8)
因为频率ν=
cλ,
所
以
有
ν- - ν+ = c
λ-
- c
λ+
= c
λc
c + r0ω
- c
λc
c - r0ω
=
2 r0ω
λ
式中ν+ 、ν- 和λ+ 、λ- 分别表示逆时针光和顺时针
光的频率和波长.
根据式(5) 给出的r0 和S 之间的关系, 可得
顺、逆两光的差频(即拍频) 为
ν- - ν+ =
2ω
λ ·
2 S
L
即ν- - ν+ =
4 S
λL
ω (9)
所以ω=
λL (ν- - ν+ )
4 S
因此,只要测得顺、逆两光的拍频, 即可求得环型谐
振腔旋转的角速度.
如果对式(9) 的两边求积分,可求得在时间t 内
拍频振荡的周期数N 与环路转过的角度之间的关
系,即
N =∫t
0
(ν- - ν+ ) d t =
4 S
λL∫θ
0
dθ
d t
d t =
4 Sθ
λL
用仪器记下拍频振荡的次数,即可知道环路在
该时间内转过的角度. 若我们在一个飞行器上沿互
相垂直的三个方向各固定一个环形谐振腔, 就可以
随时测定飞行器沿三个方向各转了多少角度, 也就
测定了飞行器的方位. 这三个环形谐振腔实际上就
是三个激光陀螺.
简单地说,激光陀螺的基本原理是:当激光随载
体转动时,由于激光器输出的两束光在环形光路内
反向运行时产生光程差, 使两束激光的谐振频率不
同,其输出端的频率差随角度成正比例变化,测量频
率差即可得出转速.
激光陀螺的优点是: 精度高( 漂移角速率在
0. 000 1～1 (°) / h范围内) ,动态范围大,响应时间短
(由于接通电源就能产生激光,不存在怠速反应) ,可
靠性高,耐冲击和振动, 也不受温度影响, 无机械活
动部件,尺寸小,重量轻,工作寿命和存放期长,能直
接与计算机系统相连, 便于实现自动化和智能化控
制,因而是捷联式惯性导航系统的理想元件.
激光陀螺于20 世纪80 年代初开始成功地应用
于飞机及地面车辆的导航和舰炮等方面, 以后又应
用于导弹、运载火箭等领域. 目前世界上许多国家都
已批量生产并广泛应用. 例如,美国早期将其用于T
- 45A“苍鹰”飞机和其他舰载机的惯性导航系统
中,从1998 年开始, 美国“战斧”巡航导弹中的惯性
导航系统选用环形激光陀螺代替传统的机械陀螺,
B - 52 轰炸机也把陈旧的机械惯性导航系统改为环
形激光陀螺惯性系统. 英国的“勇士”机械化炮兵观
测车上的导航系统以及皇家海军的三艘新型“机敏
级”攻击核潜艇(2002 年底将开始交付使用) 、日本
的AS90 式自行榴弹炮等都应用了环形激光陀螺.
　48 大　学　物　理　　第23 卷
但是,环形激光陀螺的谐振腔必须严格密封,并
保证其中的氦氖混合气体组分浓度恒定, 反射镜镀
膜工艺要求高,制造成本高,而且会有“闭锁现象”等
问题产生,因此还有待于改进. 目前, 许多科研单位
正致力于固体环形激光陀螺仪的研究.
3 　发展中的其他陀螺
3. 1 　光纤陀螺
光纤陀螺的基本工作原理与环形激光陀螺相
似,但它是利用光纤线圈构成闭合回路(图6) . 将两
束相干光分别从光纤线圈的两端耦合进光纤传感线
圈,并进行反向回转, 当线圈以一定角速度旋转时,
从线圈两端输出的光产生相位差或频率差, 由此测
得旋转角速度并完成惯性测量工作.
图6 　光纤陀螺基本原理示意图
光纤陀螺除了具有激光陀螺所有的优点外,还
具有不需要精确加工、严格密封的光学谐振腔和高
质量的反射镜的特点,所以减少了复杂性,降低了成
本,具有更强的市场竞争力. 日本在TR1 和M5 火
箭上率先使用了光纤陀螺. 美国研制的光纤陀螺已
被用于飞机俯冲、横滚和航向基准的惯性测量系统
中. 但目前的光纤陀螺会出现角度随机游动、零偏不
稳定等缺陷,还有待于克服.
3. 2 　半球谐振陀螺
半球谐振陀螺由谐振子薄壳、组合式发力器传
感器组件和处理电容传感器信号的缓冲电路板组成
(图7) . 它是利用球壳结构的应力波来敏感基座旋
转的. 半球壳形的谐振子是陀螺的敏感元件,外形如
同边缘褶皱的半球形酒杯. 在由发力器组件产生的
低振幅应力波的作用下,谐振子以其谐振频率振荡,
当陀螺绕谐振子轴旋转时, 其应力波相对壳体以精
确正比于旋转角度的速率进动, 由位于谐振子内表
面的电容传感器可敏感应力波位置, 通过计算得到
旋转角速度.
半球谐振陀螺结构简单,具有较低的热灵敏度、
振动灵敏度及可忽略不计的磁灵敏度,环境适应性
图7 　半球谐振陀螺结构示意图
强, 反映时间短( 启动时间1 s , 系统对准时间
5 min) ,而且可靠性较高.
半球形谐振陀螺涉及到当今许多高新技术(如
谐振子精细加工技术、球面微膜电极生长技术等) ,
因此从理论到制作工艺要求都很高.
半球谐振陀螺与光纤陀螺、激光陀螺相比,技术
上更具有竞争力, 它是捷联导航系统和高精度测角
装置的理想元件,可用于飞机导航、洲际导弹等飞行
器的精确制导. 美国德尔科电子公司研制的半球谐
振陀螺已在747 飞机上成功地进行了飞行试验.
3. 3 　石英音叉陀螺
石英音叉陀螺属于振动陀螺类惯性测量器件,
它是利用傅科摆的原理, 采用微型石英音叉形振荡
元件来完成旋转速率测量的.
石英音叉陀螺的工作过程是:利用石英的压电
效应来驱动音叉的叉齿以彼此相差180°相位进行
振动. 当音叉绕其长轴旋转时产生科里奥利力,驱动
音叉振荡. 通过测量叉齿位移的幅度,解算出旋转速
率.
石英音叉陀螺是一种利用光电技术加工的惯性
器件,内部的石英部件基本都采用光刻法加工. 石英
音叉陀螺体积小、能耗低、工作寿命长, 但属于低精
度陀螺范畴,可用于坦克的稳定装置、自行火炮等压
制兵器的测角诸方面. 美国BEI 公司研制的石英音
叉陀螺已用于导弹自动驾驶仪、瞄准线稳定等方面,
洛克韦尔公司还准备用数字式石英惯性测量系统取
代某些武器中的环形激光陀螺.
4 　陀螺惯性制导的发展趋势
在惯性制导系统中,利用激光来作为方位测向
器的陀螺逐渐取代传统的机械陀螺已是大势所趋.
目前世界上许多国家都在研制激光陀螺,美国
的霍尼威尔、利顿、斯佩里等公司均已取得明显的成
第3 期　　　　陈心中等:陀螺惯性制导及其军事应用　49
绩. 法国的激光陀螺技术具有很强的实力. 俄罗斯在
激光陀螺研制方面也较为先进, 激光陀螺已被用于
苏- 30 MK、苏- 32FN、苏- 34 等战斗机和弹道导
弹的制导与控制系统中.
将激光陀螺与全球定位系统( GPS) 结合作为精
确导航系统的核心组件的方法, 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. 例如
1999 年美国轰炸我国驻南联盟大使馆的联合直接
攻击弹药(JDAM) , 就采用了这种结合式的制导方
法. 我国研制了一种新型宽带卫星通信系统,它是采
用GPS 定位、激光陀螺跟踪的数字卫星通信系统,
将激光陀螺用于车载自动跟踪系统, 可使系统定位
精度高、随机漂移小,并能快速进入作战状态.
对于不同的军事需求,可以应用不同精度的陀
螺. 例如,用于战略导弹、空间飞行器、自主式潜艇导
航、高能激光武器的瞄准、跟踪等, 则需要漂移角速
度小于0. 001 5 (°) / h 的高精度惯性陀螺;用于测定
空中、地面、海上平台的导航系统和姿态基准系统
等,则需要漂移角速率为0. 001 5～15 (°) / h 的中等
精度的惯性陀螺;而用于战术导弹、中段制导、灵巧
弹药及旋转弹药等,则可采用漂移角速率为15(°) / h
的惯性陀螺.
由于研制激光陀螺涉及到许多关键技术,如激
光射频技术、激光稳频和偏频技术、激光腔光学加工
技术、真空及密封技术、信号检测与处理技术、镀膜
技术等,因而随着不同关键理论和技术突破的先后
不同,会有多种类型的惯性陀螺在军事领域与时俱
争,发挥日益显著的作用.
参考文献:
[1 ] 　魏光辉,杨培根. 激光技术在兵器工业中的应用[M].
北京:兵器工业出版社,1995.
[2 ] 　(英) 杰弗里·李. 战场武器系统与技术丛书(第三卷)
[M]. 军事科学院外国军事研究部译. 北京:军事科学
出版社,1992.
[3 ] 　吴欣. 光电惯性技术浅谈[J ]. 现代兵器,2001(3) :35～36.
Inertia guidance of gyroscope and its mil itary appl ication
CHEN Xin2zhong , XU Run2jun
(Physics Teaching and Research Section of Automobile Management Institute of the PLA , Bengbu 233011 ,China)
Abstract : The working principle and applications of mechanical gyroscope , annular laser gyroscope , optical
fiber gyroscope , hemispherical resonant gyroscope , quartz tuning fork gyroscope are briefly int roduced in mili2
tary fields , and the development t rend of gyro2guidance system are forcasted.
Key words :gyroscope ;inertia cont rol and guide ;military application
(上接36 页)
致前述不凡现象的重要因素.
综上所述,能量损耗的因素是多方面的,在声场
的表现中每一因素都扮演着不同的角色,它们的共
同作用所产生的不凡现象,不仅不能用行波加驻波
的简单模式作出合理的解释,而且在与此相关的各
种测量中必须加以正视. 用干涉法测量超声声速时,
为了减小因吸收系数α的存在而导致ΔL 与λ/ 2 的
偏离,接收面与发射面之间的距离L 不应过小或过
大,接收端的移动范围应以ΔL 相对稳定为宜.
参考文献:
[1 ] 　胡建恺,张谦林. 超声检测原理和方法[M] . 北京:中国
科学技术出版社,1993. 53～61.
[2 ] 　任隆良等. 驻波法测量声速实验中的非完全驻波[J ] .
大学物理实验,2001 ,14 (2) :9～10.
The influence of energy attenuation on supersonic velocity measurement
ZHU Xian2song , WANG Hong2zhi , SONGJ un2qiang
(Departement of Basic Science , Tianjin University of Science and Technology , Tianjin 300222 ,China)
Abstract : The influence of energy attenuation on supersonic velocity measurement is analysed.
Key words : supersonic ; stationary wave ;attenuation
　50 大　学　物　理　　第23 卷