光學(xué)慣性測量與導(dǎo)航系統(tǒng)第一章-緒論(20120913)課件

光學(xué)慣性測量與導(dǎo)航系統(tǒng)楊功流教授主講：OpticInertialMeasurement&NavigationSystem9664，6542-823電話：晁代宏講師張小躍講師課程安排學(xué)時:32學(xué)時上課時間:1-16周考試方式:平時+筆試參考書目（推薦但不局限）:《光纖陀螺慣性系統(tǒng)》，王巍主編，中國宇航出版社，2010《光纖陀螺及其應(yīng)用》，張維敘主編，國防工業(yè)出版社，2008《光纖陀螺儀》，H.C.Lefevre，國防工業(yè)出版社，2002《捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)原理》，陳哲，中國宇航出版社，1986課程的主要內(nèi)容簡介第一章緒論第二章光學(xué)慣導(dǎo)系統(tǒng)核心器件第三章光學(xué)慣性測量裝置第四章光學(xué)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)第五章光學(xué)捷聯(lián)慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)第六章光學(xué)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準第七章典型光學(xué)慣性測量與導(dǎo)航系統(tǒng)實驗一光學(xué)慣性器件試驗

實驗二光學(xué)慣性測量裝置標定試驗

實驗三光學(xué)慣導(dǎo)系統(tǒng)對準/導(dǎo)航試驗

1.1課程目的及意義

隨著慣性器件技術(shù)的發(fā)展，兩光陀螺的應(yīng)用日趨廣泛，是慣性領(lǐng)域的“新寵”。北航是光纖陀螺的發(fā)源地，經(jīng)過多年的技術(shù)研發(fā)和工程化實踐，光纖陀螺在多個領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用。目前，北航?jīng)]有針對兩光陀螺及由其構(gòu)成的光學(xué)慣性系統(tǒng)設(shè)置課程。因此，為培養(yǎng)未來的工程師，有必要設(shè)置本課程，從原理、系統(tǒng)設(shè)計到實驗全面、系統(tǒng)地教授工學(xué)研究生光學(xué)慣性測量及導(dǎo)航系統(tǒng)的相關(guān)知識，為將來更好從事慣性技術(shù)研究打下基礎(chǔ)。1.1課程目的及意義

慣性器件及系統(tǒng)是北航精密儀器及機械學(xué)科的特色方向之一，依托“慣性儀表”國防重點實驗室，擁有良好的研究和試驗條件。北航是國內(nèi)光纖陀螺的發(fā)源地和最高水平的代表，擁有一流的技術(shù)水平和試驗條件。本課程重點講授光學(xué)慣性器件及導(dǎo)航系統(tǒng)。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握光學(xué)慣性器件的基本工作原理、誤差模型、慣性測量單元測試及標定技術(shù)、光學(xué)慣性測量及導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)筑方法、典型光學(xué)慣導(dǎo)系統(tǒng)方案等，為將來更好從事慣性技術(shù)研究打下基礎(chǔ)。幾個基本概念導(dǎo)航：導(dǎo)引航行器從一個地方到達另一個地方的過程；跟蹤方向、指令航行;慣性導(dǎo)航：基于牛頓經(jīng)典力學(xué)定律，依靠載體自身的傳感器，為載體提供運動狀態(tài)信息，是一個開環(huán)系統(tǒng)；慣性制導(dǎo)：常用于無人航行器，將運動狀態(tài)信息與預(yù)定目標信息比較，用于修正載體的航行狀態(tài)，含有控制回路，是閉環(huán)系統(tǒng)；組合導(dǎo)航系統(tǒng)：以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為主系統(tǒng)，采用其它外部信息，對其進行輔助，形成的系統(tǒng)；1.2慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本概念及重要地位慣性儀器：是指在慣性技術(shù)中，以旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性為其特征的陀螺儀以平移或旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性為其特征的加速度計陀螺儀：用來檢測運載器在慣性空間中的角運動；加速度計：用來檢測運載器運動時的比力，并進而解算出運動信息。慣性測量裝置（IMU）：由加速度計和陀螺組成，輸出導(dǎo)航解算所需的角增量和速度增量。幾個基本概念1.2慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本概念及重要地位慣導(dǎo)系統(tǒng)的組成加速度計：用于測量載體的運動加速度。通常應(yīng)有兩個至三個，并安裝在三個坐標軸方向上。陀螺穩(wěn)定平臺：為加速度計提供一個準確的坐標基準，以保持加速度計始終沿上個軸向上測定加速度，同時也使慣性測量元件與載體的運動相隔離。該平臺可以是物理平臺，也可以是數(shù)學(xué)平臺，取決于是平臺式導(dǎo)航系統(tǒng)還是捷聯(lián)式導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航計算機：用來完成諸如積分等導(dǎo)航計算工作，若有必要則同時提供陀螺施距的指令信號。電源及必要的附件等。1.2慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本概念及重要地位慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本原理

初始位置、速度、姿態(tài)加速度計--比力積分速度積分位置陀螺儀—角速度積分角度1.2慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本概念及重要地位慣性導(dǎo)航的基本原理是

基于牛頓運動學(xué)定律的航跡推算.慣性導(dǎo)航本質(zhì)是一個三維空間的剛體運動學(xué)問題.1.2慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本概念及重要地位太陽慣性坐標系（i系）

地心慣性坐標系（i系）幾種常用坐標系地心地球固聯(lián)坐標系（e系）當(dāng)?shù)氐乩碜鴺讼担╰系）幾種常用坐標系系統(tǒng)本體坐標系（b系）游動方位坐標系（w系）幾種常用坐標系傅科陀螺儀傅科：法國地球物理學(xué)家(1819-1868)驗證地球自轉(zhuǎn)

傅科擺(1851)L=67mM=28kgA=6m傅科陀螺儀

(1852)精度較低，無法驗證地球自轉(zhuǎn)

之后軸承工藝得到改進1.2慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本概念及重要地位航空應(yīng)用——地平儀、航向儀1920s后陀螺儀開始應(yīng)用在航空，用來測量飛機的姿態(tài)角

飛行器的姿態(tài)角：航向、俯仰、橫滾

地平儀：建立水平基準，實現(xiàn)對俯仰、橫滾的測量航向儀：建立方位基準，實現(xiàn)對航向角的測量

1.2慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本概念及重要地位陀螺儀在導(dǎo)彈中的最早應(yīng)用

30年代被Goddard

用于火箭試驗二戰(zhàn)中用于導(dǎo)彈：V1、V2

1942年12月，德國首次試射V1V1巡航導(dǎo)彈V2彈道導(dǎo)彈

V1被大量投入到二戰(zhàn)1944年6月，德國從法國北部向英國發(fā)射V110500落到英國3200枚倫敦2500枚德國戰(zhàn)敗后，導(dǎo)彈技術(shù)人員大量流向蘇美

馮·布勞楊格爾1.2慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本概念及重要地位1852年傅科陀螺，驗證了地球自轉(zhuǎn)1906年安休茲制成陀螺方向儀——慣性導(dǎo)航的先導(dǎo)1923年

舒拉擺理論，陀螺儀的設(shè)計開始完善1942年德國V2火箭，兩個陀螺和一個加速度計1954年

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在飛機上試飛成功1958年美國潛艇依靠液浮陀螺平臺慣導(dǎo)穿越北極,21天慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展歷史1.2慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本概念及重要地位～～蓬勃發(fā)展1.2慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本概念及重要地位飛機

空間站導(dǎo)彈

艦船

衛(wèi)星月球車慣性技術(shù)是航空航天的共性關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)！

載人航天探月工程慣性技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)重大需求牽引慣性技術(shù)與時俱進載人航天與探月工程北航第五研究室

國內(nèi)第一個陀螺慣導(dǎo)研究室“林士鄂法”-求解高次方程的劈因子法(數(shù)學(xué)手冊)中國慣性技術(shù)奠基人1939年于美國麻省理工學(xué)院（MIT）

Draper實驗室獲博士學(xué)位，師從Dr.Draper1956年蘇聯(lián)首批援建的122個項目之一林士鄂創(chuàng)建由于當(dāng)時“兩彈一星”工程慣性制導(dǎo)技術(shù)的急需著名科學(xué)家錢學(xué)森提議北航慣性技術(shù)、慣性器件概況1956年國內(nèi)第一個航空陀螺慣導(dǎo)專業(yè)1981年“航空陀螺及慣性導(dǎo)航”國內(nèi)首批博士點1988年“航空陀螺及慣性導(dǎo)航”獲批首批國家重點學(xué)科2003年成立儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院1952年國內(nèi)第一個航空儀表與傳感器專業(yè)2002年“精密儀器與機械”再次獲批國家重點學(xué)科2007年儀器科學(xué)與技術(shù)一級國家重點學(xué)科新型慣性儀表與導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室

2010年慣性技術(shù)國防科技重點實驗室1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史薩格納克(Sagnac)效應(yīng)1913年Sagnac提出的，是光學(xué)陀螺的理論基礎(chǔ)，使光學(xué)轉(zhuǎn)動傳感器成為可能。薩納克效應(yīng)是相對慣性空間轉(zhuǎn)動的閉環(huán)光路中所傳播光的一種普遍的相關(guān)效應(yīng)，即在同一閉合光路中從同一光源發(fā)出的兩束特征相等的光，以相反的方向進行傳播，最后匯合到同一探測點。若繞垂直于閉合光路所在平面的軸線，相對慣性空間存在著轉(zhuǎn)動角速度，則正、反方向傳播的光束走過的光程不同，就產(chǎn)生光程差，其光程差與旋轉(zhuǎn)的角速度成正比。因而只要知道了光程差及與之相應(yīng)的相位（或頻率）差的信息，即可得到旋轉(zhuǎn)角速度。

1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史薩格納克(Sagnac)效應(yīng)激光陀螺光纖陀螺MOEMS陀螺

1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史激光陀螺60年代初開始研制，70年代進入實用

例：三角諧振腔邊長=111.76mm激光波長λ=0.6328μm用來測地球轉(zhuǎn)動角速度

1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史激光陀螺：針對捷聯(lián)慣導(dǎo)需求基本原理：Sagnac效應(yīng)，工作物質(zhì)是激光束，全固態(tài)陀螺優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、動態(tài)范圍寬、啟動快、反應(yīng)快、過載大、可靠性高、數(shù)字輸出發(fā)展1960激光器出現(xiàn)1963Sperry制成首臺樣機1970s中精度突破，達慣性級1980s初開始應(yīng)用于各個領(lǐng)域

早期研制的機構(gòu)Honeywell：三角諧振腔，機械抖動偏頻Litton：四邊形諧振腔，機械抖動偏頻Sperry：三角諧振腔，磁鏡偏頻面臨問題成本較高、體積偏大、不能完全適應(yīng)捷聯(lián)系統(tǒng)的要求

1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史國內(nèi)激光陀螺研制單位:國防科技大學(xué):國內(nèi)激光陀螺技術(shù)兩大分支之一，占據(jù)國內(nèi)技術(shù)制高點,研制出國內(nèi)最高精度器件,典型產(chǎn)品為90型和50型激光陀螺西安618所：國內(nèi)激光陀螺技術(shù)另一個分支，工程化做的很好，國內(nèi)的激光航空慣導(dǎo)系統(tǒng)大多出自618所。33所：引進國防科大技術(shù)。1.3慣性器件發(fā)展史激光陀螺光纖陀螺光纖陀螺的研發(fā)也需要有啟動其發(fā)展的必要條件，在1970年代中期出現(xiàn)了低損耗單模光纖，這項技術(shù)導(dǎo)致了光纖陀螺概念的出現(xiàn)。1975年，Vali和Shorthill首次提出光纖陀螺的構(gòu)想1976年Vali和Shorthill在猶它大學(xué)完成演示樣機制作，從此開始了奇妙的發(fā)展之旅！！1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史按工作原理：干涉型光纖陀螺儀(I-FOG)，即第一代光纖陀螺儀，目前應(yīng)用最廣泛。它采用多匝光纖圈來增強SAGNAC效應(yīng)，一個由多匝單模光纖線圈構(gòu)成的雙光束環(huán)形干涉儀可提供較高的精度，也勢必會使整體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜；諧振式光纖陀螺儀(R-FOG)，是第二代光纖陀螺儀，采用環(huán)形諧振腔增強SAGNAC效應(yīng)，利用循環(huán)傳播提高精度，因此它可以采用較短光纖。R—FOG需要采用強相干光源來增強諧振腔的諧振效應(yīng)，但強相干光源也帶來許多寄生效應(yīng)，如何消除這些寄生效應(yīng)是目前的主要技術(shù)障礙。；受激布里淵散射光纖陀螺儀(B-FOG)，第三代光纖陀螺儀比前兩代又有改進，目前還處于理論研究階段。目前實用的光纖陀螺均為干涉型光纖陀螺！干涉型光纖陀螺開環(huán)光纖陀螺：開環(huán)光纖陀螺不帶反饋，直接檢測光輸出，省去許多復(fù)雜的光學(xué)和電路結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、可靠性高、消耗功率低等優(yōu)點，缺點是靠增加單模光纖的長度來提高陀螺的靈敏度，輸入一輸出線性度差、動態(tài)范圍小，主要用作角度傳感器。開環(huán)的干涉型光纖陀螺(IOFG)的基本結(jié)構(gòu)是一個環(huán)形雙光束干涉儀。閉環(huán)光纖陀螺：和開環(huán)IOFG相比，閉環(huán)IOFG多了一個反饋回路，它引入了反饋相移。閉環(huán)環(huán)節(jié)大大降低光源漂移的影響，擴大了光纖陀螺的動態(tài)范圍，對光源強度變化和元件增益變化不敏感，陀螺漂移非常小，輸出線性度和穩(wěn)定性只與相位變換器有關(guān)，主要應(yīng)用于中等精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)，對光纖陀螺的小型化和穩(wěn)定性有重要作用，是高精度光纖陀螺研究的主要趨勢。1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史IFOG光纖陀螺方案開環(huán)方案（精度低、低成本）閉環(huán)方案（精度高）1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史光纖陀螺優(yōu)點與機電陀螺或激光陀螺相比，光纖陀螺具有如下特點：(1)零部件少，儀器牢固穩(wěn)定，具有較強的抗沖擊和抗加速運動的能力；(2)繞制的光纖較長，使檢測靈敏度和分辨率比激光陀螺儀提高了好幾個數(shù)量級；(3)無機械傳動部件，不存在磨損問題，因而具有較長的使用壽命；(4)易于采用集成光路技術(shù)，信號穩(wěn)定，且可直接用數(shù)字輸出，并與計算機接口聯(lián)接；(5)通過改變光纖的長度或光在線圈中的循環(huán)傳播次數(shù)，可以實現(xiàn)不同的精度，并具有較寬的動態(tài)范圍；(6)相干光束的傳播時間短，因而原理上可瞬間啟動，無需預(yù)熱；(7)可與環(huán)形激光陀螺一起使用，構(gòu)成各種慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器，尤其是級聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器；(8)結(jié)構(gòu)簡單、價格低，體積小、重量輕．光纖陀螺的發(fā)展是日新月異的。不僅是科學(xué)家熱心于此，許多大公司出于對其市場前景的看好，也紛紛加入到研究開發(fā)的行列中來。由于光纖陀螺在機動載體和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用甚為理想，因此各國的軍方都投入了巨大的財力和精力。目前一些發(fā)達國家如美、日、德、法、意、俄等在光纖陀螺的研究方面取得了較大進步，一些中低高精度的陀螺基本都實現(xiàn)了產(chǎn)品化。美國在光纖陀螺的研究方面一直保持領(lǐng)先地位。目前美國國內(nèi)已經(jīng)有多種型號的光纖陀螺投入使用。以斯坦福大學(xué)和麻省理工大學(xué)為代表的科研機構(gòu)在研究領(lǐng)域中不斷取得突破，而幾家研制光纖陀螺的大公司在陀螺研制和產(chǎn)品化方面也做得十分出色。最著名的Litton公司（被NorthropGrumman公司收購）和Honeywell公司代表了國際上光纖陀螺的最高水平。下面以N.G公司為例，說明光纖陀螺應(yīng)用情況。1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史光纖陀螺概況1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史光纖陀螺——慣性測量組合典型代表為：Litton公司生產(chǎn)的LN200型IMU。LN200應(yīng)用廣泛，已應(yīng)用于魚雷、彈道導(dǎo)彈、固定翼、旋轉(zhuǎn)翼飛行器、雷達、尋的吊艙、航天飛行器、觀測系統(tǒng)、攝像機穩(wěn)定等多種場合。每臺火星探測器都裝有LN200，而且其著陸系統(tǒng)也都裝有LN200。這是光纖陀螺在“最遠離世界”的場合的應(yīng)用。LN200的其它應(yīng)用平臺還有克萊門式人造衛(wèi)星、捕食者無人機、全球鷹無人機、“黃貂魚”魚雷、MK-48魚雷、BQM-74靶機、AeromacchiMB339、先進中距空空導(dǎo)彈（AMRAAM導(dǎo)彈）、AGM－142彈、CH－46直升機、LANTIRN（低空導(dǎo)航與夜視尋的紅外）吊艙等。LN200產(chǎn)品的典型零偏和標度1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史光纖陀螺——慣性測量組合LN200已成為其他慣性系統(tǒng)的設(shè)計模板如在歐洲制造的LISA200AHRS（航姿系統(tǒng)）仿照LN200設(shè)計，售出了數(shù)百套

1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史光纖陀螺——慣性測量組合歐洲Litton公司生產(chǎn)了LCR92和LCR93AHRS，即LCR-9X系列產(chǎn)品，LCR92：3個FOG+一個氣泡水準儀；LCR93：3個FOG+3個微硅加速計，均能提供數(shù)字和同步輸出，已有5,500余套LCR系列產(chǎn)品售出。LCR-9x應(yīng)用于S-76和S-92型直升機、Eurocopter直升機和EurocopterBK-117型直升機、奧古斯塔A-109和AB-139型直升機、“云雀”III型直升機、MDD探索者直升機、比奇（Beechjet）400商用噴氣飛機、利爾噴氣飛機31/35/36/45、塞斯納EXCEL商用噴氣式飛機、華陽史威靈（SinoSwearingen）公司的商用噴氣式飛機、塞斯納T-37噴氣式教練機、NASAT-38飛機、M-28空中卡車飛行器、道格拉斯A-4N攻擊式飛機、EXTRA400型飛機、P-3獵戶座（Orion）飛機、齊柏林飛艇、遠東水翼船等。

1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史光纖陀螺——慣性測量組合IMU600是一種高性能的單元，應(yīng)用于ATFLIR目標跟蹤吊艙系統(tǒng)由3個光纖陀螺和3個Honeywell制作的石英加速計組成為減小系統(tǒng)尺寸，采用了非垂直安裝方式尺寸為5.4×7.5×2.7立方英寸，重約3.25磅。

1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史光纖陀螺——慣性測量組合系統(tǒng)采用RS485串口，輸出為無補償?shù)慕窃隽亢退俣仍隽?，溫度補償由應(yīng)用平臺計算機完成下圖為140套IMU600s進行標定時的數(shù)據(jù)曲線，其標度誤差均優(yōu)于產(chǎn)品指標要求1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史光纖陀螺——慣性測量組合IMU200由3個光纖陀螺和3個Honeywell制造的石英加速計構(gòu)成重約3磅RS485串口主要應(yīng)用于高可靠的導(dǎo)彈1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史光纖陀螺——慣性導(dǎo)航系統(tǒng)LN251LN251包含一個12通道SAASMGPS接收器，以緊耦合方式工作3種工作模式：純慣性導(dǎo)航，純GPS定位和慣性/GPS組合導(dǎo)航其數(shù)字接口為：RS422/485和雙Mil-Std1553數(shù)據(jù)總線1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史光纖陀螺——慣性導(dǎo)航系統(tǒng)LN251超過400臺的LN251系統(tǒng)已經(jīng)生產(chǎn)并銷售下圖為工廠給出的純慣性工作方式下系統(tǒng)性能的分布，其平均值為0.7nmph，標準偏差為0.3nmphLN251純慣性工作方式下的分布

1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史光纖陀螺——航空導(dǎo)航系統(tǒng)LN260它是LN251的另一版本，專為F16設(shè)計其接口與SNU-84完全兼容，具備F16所需的所有模擬電氣接口和機械接口。在與基于RLG系統(tǒng)激烈競爭后，它最終被USAF選中并用于F16。1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史光纖陀螺——航空導(dǎo)航系統(tǒng)LN260下圖是從F16上獲得的飛行測試數(shù)據(jù)。這種飛機在急轉(zhuǎn)彎時，拉力為9G，在這種情況下，其徑向誤差率是0.44nmph，低于規(guī)范要求中的0.8nmph。除了被F16選用外，選用LN251或LN260的應(yīng)用平臺包括"聯(lián)合無人航空作戰(zhàn)系統(tǒng)"（JUCAS）X-45，E-2D鷹眼（Hawkeye）預(yù)警機，F(xiàn)16戰(zhàn)斗機，E-10多任務(wù)飛機以及獵人UAV。在F16上的飛行測試軌跡（左）和徑向位置誤差（右）

1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史LTN101e用于商業(yè)運輸機，采用的光纖陀螺與LN251/260/270中所用的相同，只是將它們重新安裝于一個4MCU組合中LTN101e中同樣裝有慣性級MEMS加速計并預(yù)一個外部GPS接收器組合，具有導(dǎo)航和提供大氣數(shù)據(jù)的功能光纖陀螺——航空導(dǎo)航系統(tǒng)1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史LTN101e下圖中左圖所示為在15小時實驗室靜態(tài)導(dǎo)航測試中純慣性位置誤差。綠線表示的是要求技術(shù)指標：2nmph/h，紅線是在第一個1小時中的徑向位置誤差率（1.69nmph）右圖表示超過10小時的飛行實驗中的純慣性位置誤差LN101e已滿足了純慣性導(dǎo)航指標要求光纖陀螺——航空導(dǎo)航系統(tǒng)左圖為靜態(tài)試驗曲線、右圖為在Airbus340上的飛行測試曲線

1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史LTR-97另一種用于商務(wù)運輸機的光纖陀螺系統(tǒng)是LTR-97它將替代早期運輸機使用的老式機械方位陀螺/垂直陀螺（DG/VG）系統(tǒng)能提供傾斜、橫滾、航向的同步輸出、傾斜和橫滾的離散輸出以及方位該系統(tǒng)售出300多臺光纖陀螺——航空導(dǎo)航系統(tǒng)LTR-97DG/VG替代系統(tǒng)及其主要參數(shù)

1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史LN270是LN251的陸用版本，US軍方確定的代號為AN/VSN-12這種產(chǎn)品專為以輪/軌運行的機動車設(shè)計，集成了里程計和GPS，它滿足MIL-PRF-71185規(guī)定的所有要求，包括槍炮發(fā)射沖擊等影響該系統(tǒng)安裝在大炮的炮耳上，還可用于監(jiān)測發(fā)射過程中的反座情況光纖陀螺——陸用導(dǎo)航系統(tǒng)LN270陸用導(dǎo)航系統(tǒng)及其主要參數(shù)

1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史LN270下圖為LN270在洛杉磯的圣費爾南多峽谷區(qū)進行的機車測試。左圖所示為路徑和海拔，右圖是不同行徑距離對應(yīng)的位置和海拔誤差。圖表上的誤差上限為MIL-PRF-71185規(guī)定值LN-270的應(yīng)用平臺包括MLRS（多管火箭系統(tǒng)）火箭發(fā)射器、FIRTINA自推進榴彈炮、ADSTIM偵察機車以及土耳其陸軍用的“潘特”（PANTER）牽引榴彈炮光纖陀螺——陸用導(dǎo)航系統(tǒng)1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史其它陸用導(dǎo)航系統(tǒng)下圖顯示了NorthropGrumman在歐洲生產(chǎn)的LLN-GX，LLN-G1和LLN-GY陸用導(dǎo)航系統(tǒng)。GX和G1類似，都裝有3個光纖陀螺，為了降低成本，GX應(yīng)用了兩個水平傳感器，而G1用了3個加速計以獲得高精度LLN-GY在3者中成本最低，它采用一個單軸光纖陀螺測量沿垂直軸的轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)還裝有2個加速度計光纖陀螺——陸用導(dǎo)航系統(tǒng)1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史LFK-95NorthropGrumman為商用船只設(shè)計生產(chǎn)了LFK-95型羅盤及參考系統(tǒng)。這是全球首家基于光纖陀螺的航海羅盤，專為高速輪船，比如水翼艇設(shè)計它能提供與各種各樣水面艦艇兼容的多種數(shù)字和同步接口該系統(tǒng)已有約650銷售到世界各地下圖為該系統(tǒng)及其重要參數(shù)，應(yīng)用此系統(tǒng)的船只主要有輪船、水翼艇、UUV（無人潛航器）等。

光纖陀螺——船用系統(tǒng)1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史法國IXSEA公司生產(chǎn)了船用系列產(chǎn)品：OCTANS、PHINS和MARINS

光纖陀螺——船用系統(tǒng)OCTANSPHINSMARINS1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史光纖陀螺——船用系統(tǒng)OCTANS羅經(jīng)系統(tǒng)，由三個0.05o/h的光纖陀螺和三個石英加速度計組成提供航向、橫搖、縱搖參數(shù)，精度分別為0.2oSecΦ，0.01o、0.01o于1998年推向市場，主要用于海洋開發(fā)如石油探測和勘探，目前有在海面上工作和深海工作(水下1000一6O00米)兩種類型1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史光纖陀螺——船用系統(tǒng)PHINS導(dǎo)航系統(tǒng)，由三個0.01o/h的光纖陀螺和三個石英加速度計組成定位精度：0.6nm/h，提供航向、橫搖、縱搖參數(shù)，精度分別為0.05oSecΦ，0.01o、0.01o于2000年左右推向市場，主要用于各種大型艦船導(dǎo)航1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史光纖陀螺——船用系統(tǒng)MARINS2005年，Ixsea公司研制研發(fā)出的第一套潛用光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)，核心由三個0.0005o/h的光纖陀螺組成系統(tǒng)的尺寸為420x310x31omm，純慣導(dǎo)定位精度Inmile/24h于2006年左右推向市場，主要用于潛艇3類產(chǎn)品都可通過一定渠道購買1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史技術(shù)已經(jīng)進入成熟階段，精度由30o/h覆蓋到0.0001o/h純慣性導(dǎo)航精度達到0.8nm/h單陀螺系統(tǒng)光纖陀螺LN-200IMULN101EIRULN260INS/GPSLN251INSLN270INS/GPSLisa200AHRSVG941-3AM10o/hVG941-3AS30o/hVG9511o/hmFors1o/hFOG2000.5o/hFOG6000.1o/hFOG10000.01o/hFOG25000.001o/h開環(huán)陀螺：30o/h~1o/h閉環(huán)陀螺：1o/h~0.0001o/h光纖陀螺應(yīng)用導(dǎo)航和姿態(tài)控制羅經(jīng)及火控系統(tǒng)中制導(dǎo)及末制導(dǎo)系統(tǒng)

光纖陀螺已在海、陸、空、天、工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用。1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史已進入戰(zhàn)術(shù)武器市場預(yù)計“十二五”末進入機載慣導(dǎo)領(lǐng)域，與激光陀螺形成競爭。已進入戰(zhàn)術(shù)武器市場將占據(jù)戰(zhàn)術(shù)武器市場主導(dǎo)地位細分市場光纖陀螺備受歡迎已進入戰(zhàn)術(shù)武器市場中遠程戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、航姿等開始應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)基本突破，走向成熟精度0.5-10o/h級0.1o/h級0.01o/h級國內(nèi)光纖陀螺正處于高速發(fā)展期，整體落后國外10～15年。1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史國內(nèi)情況低精度三軸組合單軸低精度單軸中精度單軸高精度高精度三軸組合典型產(chǎn)品F3X122穩(wěn)定性：0.5°/h重復(fù)性：0.5°/h典型產(chǎn)品F70M穩(wěn)定性：0.2°/h重復(fù)性：0.5°/h典型產(chǎn)品F98H/M穩(wěn)定性：0.1°/h重復(fù)性：0.2°/h典型產(chǎn)品F120H穩(wěn)定性：0.01°/h重復(fù)性：0.02°/h全溫零偏：0.1°/h典型產(chǎn)品S10穩(wěn)定性：0.02°/h重復(fù)性：0.02°/h應(yīng)用領(lǐng)域姿態(tài)穩(wěn)定中制導(dǎo)應(yīng)用領(lǐng)域姿態(tài)穩(wěn)定中制導(dǎo)應(yīng)用領(lǐng)域航姿系統(tǒng)中制導(dǎo)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)け眱x慣導(dǎo)系統(tǒng)樣機應(yīng)用領(lǐng)域慣導(dǎo)系統(tǒng)1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史北航情況高精度F120H-M全國產(chǎn)量最大中高精度XB185成熟產(chǎn)品產(chǎn)能穩(wěn)定F3*122MI低成本制導(dǎo)系統(tǒng)完善光纖陀螺生產(chǎn)譜系，形成系列化規(guī)模生產(chǎn)2011年典型產(chǎn)品中精度XB150環(huán)境適應(yīng)性最好XB150高可靠制導(dǎo)系統(tǒng)

XB3150高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)北航情況小型/微小型光纖陀螺微小型三軸光纖陀螺國內(nèi)最小、最輕的三軸組合重量:800g

已用于武器型號小型中精度光纖陀螺零偏穩(wěn)定性0.2o/h(1）重量:200g

已用于武器型號實現(xiàn)我國導(dǎo)彈武器慣性制導(dǎo)的跨越式發(fā)展小型三軸低精度光纖陀螺零偏穩(wěn)定性0.5o/h(1）重量:2700g

已用于武器型號北航情況高精度光纖陀螺

采用大功率摻鉺光纖激光器（ASE）作光源，性能穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)上采用光路、電路一體封裝，結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便?？蓱?yīng)用于自行火炮、導(dǎo)彈、飛機、艦船的定位定向、導(dǎo)航制導(dǎo)、姿態(tài)測量等系統(tǒng)中。

零偏穩(wěn)定性0.01°/h（1σ）重量<900g

已批量應(yīng)用于陸用定位定向系統(tǒng)，年產(chǎn)500只

高精度高穩(wěn)定性新一代航天器核心部件北航情況“十一五”末已成功研制單軸高精度光纖陀螺：零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.001/h；標度因數(shù)優(yōu)于10ppm。高精度光纖陀螺樣機關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與驗證工作：光源強度噪聲抑制技術(shù)：已完成仿真和第一輪樣機試驗；成環(huán)技術(shù)：已開展改進繞環(huán)機、改進繞環(huán)方法的工作；波導(dǎo)技術(shù)：已完成直接對軸耦合技術(shù)。高精度光纖陀螺北航情況模塊化設(shè)計的光纖陀螺組成

光源模塊控制電路模塊敏感環(huán)模塊光纖陀螺下一步發(fā)展：模塊集成技術(shù)1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史MOEMS陀螺微光機電（MOEMS）陀螺波導(dǎo)型集成光學(xué)陀螺微鏡型MOEMS陀螺光學(xué)效應(yīng)1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史MOEMS陀螺以光學(xué)效應(yīng)為基礎(chǔ)；利用微/納米加工技術(shù)以及集成光學(xué)、集成光電子技術(shù)；將微光學(xué)器件及檢測、控制電路集成在芯片上，形成一個“微小型光-機-電系統(tǒng)”。環(huán)境適應(yīng)性強（光學(xué)原理）+（MEMS/NEMS制造技術(shù)）微小型化1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史MOEMS陀螺(a)干涉式光纖陀螺（b）單片式集成光學(xué)陀螺圖美國DARPER實驗室給出的集成光學(xué)陀螺與干涉式光纖陀螺比較示意圖低功耗、輕小型1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史MOEMS陀螺定位：

針對制導(dǎo)炮彈、制導(dǎo)炸彈、便攜式火箭等常規(guī)武器制導(dǎo)化對慣性儀表技術(shù)及系統(tǒng)微小型、低成本、大批量的需求，開展MOEMS慣性儀表技術(shù)的創(chuàng)新性應(yīng)用基礎(chǔ)和重大關(guān)鍵技術(shù)研究。1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史MOEMS陀螺——國外美國Northrop公司1991年提出集成光學(xué)陀螺方案并實現(xiàn)原理驗證，諧振腔品質(zhì)因數(shù)16,樣機分辨率400°/s。美國Honeywell公司、法國CEA-LETI,日本東京大學(xué)等致力于環(huán)形諧振腔的工藝改進與性能提高技術(shù)研究。通過降低波導(dǎo)損耗和利用波導(dǎo)增益提高諧振腔的品質(zhì)因數(shù)；波導(dǎo)中各種誤差效應(yīng)的抑制與消除等。美國Northrop公司（1991）日本東京大學(xué)（2000）意大利（2005）1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史MOEMS陀螺——國外2000年美國IntelliSense公司在硅基片上研制的抗振動集成光學(xué)陀螺工程樣機。組裝式，集成化程度不高。動態(tài)范圍200°/s，檢測精度0.5°/s。美國美國IntelliSense公司（2000）1.3光學(xué)慣性器件及系統(tǒng)發(fā)展史MOEMS陀螺——國外2009年美國Darper實驗室提出單片式集成光學(xué)陀螺方案。美國Darper實驗室（2009）目標：

在單片波導(dǎo)上將集成光學(xué)陀螺的21個器件集成在一起;在大幅度降低成本的同時使陀螺體積減小到0.2立方英寸（是光纖陀螺的1/50），功耗降至0.25W（是光纖陀螺