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電子發燒友網報道（文/李寧遠）現代陀螺儀是一種能夠精確地確定運動物體的方位的儀器，是現代航空，航海，航天和國防工業中廣泛使用的一種慣性導航儀器。光纖陀螺儀FOG一度是環形激光陀螺儀RLG的低成本替代，隨著MEMS陀螺儀的興起，在車輛導航、機械控制等領域，精確導航的競爭一直在對峙。


導航核心——陀螺慣性測量單元


在高精度的捷聯慣導系統中，陀螺慣性測量單元是絕對的核心。很長一段時間以來，激光陀螺儀都是中高精度慣導系統中的核心慣性基準系統的選擇。尤其是高精度應用中，其主導地位是不可替代的。


環形激光陀螺儀RLG采用環式激光儀，在同一光路中反向傳播同一光源輸出的激光，通過薩格納克效應來檢測外界環形的旋轉角速度。


由于激光陀螺系統具有較高的精度和優良的特性，所以除了把激光陀螺系統作為標準導航儀器或者方向羅盤去使用，還能去標定或者分析其它導航系統的精度情況。標定其它系統的精度和效果，是高精度的激光陀螺儀導航系統區別于其它導航系統的一個突出應用。


但為人詬病的是，其成本較高。隨著光纖陀螺儀FOG的出現和發展，FOG一度成為環形激光陀螺儀RLG低成本的替代方案。光纖陀螺FOG和環形激光陀螺RLG一樣，沒有機械活動部件，成本更低。


光纖陀螺FOG基于薩格納克效應，通過改變光纖的長度或光在線圈中的循環傳播次數，可以實現不同的精度，并具有較寬的動態范圍。


隨著MEMS陀螺儀的興起，光纖陀螺FOG也面臨著新的競爭。MEMS陀螺儀的快速發展不斷搶奪傳統FOG的應用市場份額。由分立的慣性測量單元組合成的三軸、六軸、九軸IMU，將加速度傳感器、陀螺儀、磁傳感器等MEMS器件集成在一起實現“芯片級導航”。


MEMS陀螺儀其原理與加速度計工作原理相似，陀螺儀的上層活動金屬與下層金屬形成電容，通過電容變化來識別角速率。


MEMS系統與FOG系統的精確導航競爭


MEMS系統在導航領域受到的青睞越來越多，因為它提供了更高的誤差特性、更高的環境穩定性、更高的帶寬以及出色的靈敏度。


特性上的優勢是一方面，隨著嵌入式運算應用得日益廣泛，可以運行更高級融合和傳感誤差算法的“芯片級導航”也的確展現出了其更為靈活的優勢。


機器控制領域，現在已經有很多MEMS的應用。此前，這種應用不是選擇RLG就是選擇FOG系統，在精確度和可靠性上的確非常高。但低成本MEMS的不斷改良，性能上其實已經不會有明顯差別，同時成本能降低數倍。


在成本的考量上，FOG系統的成本通常比MEMS系統高出近十倍。除非是在偏高端的應用市場，這種成本差距不用考慮。在絕大多數現在的車輛導航、機械控制等領域，FOG的性能優勢已經并不明顯了。


在獨立的精密慣導系統系統INS環境中，FOG系統還有性能上的優勢。但在很多GNSS環境中，MEMS系統已經完全可以取代低端FOG系統。


小結


隨著MEMS技術的持續進步，加之其他傳感器的輔助，MEMS系統在精確導航領域越走越遠，在常見的精確導航應用中完全取代FOG系統的進程也會加快。