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不到一个世纪，早期的陀螺和现代机电陀螺的造型大相径庭，但机械式陀螺仪发展至今始终没摆脱机械转子的束缚
谈到导航与导航工具，如今大众首先会想到的就是GPS导航。但在偏僻山区、隧道等环境下你可额能会因为“GPS信号弱”而找不到北。
这时，基于陀螺仪的惯性导航系统，则可以不受信号变化时刻工作。而且，陀螺仪的型制多样，其中光纤陀螺具有自主纠偏、灵敏度高、寿命长、耐低温、不受电磁干扰等诸多优点，是我国惯导陀螺的主要发展方向。
只听过GPS导航，什么是惯性导航？
完成一次导航需要一些基本信息：首先，我们需要知道自己在哪、目标在哪；其次，需要知道行进中自己相对目标位置；然后，将自己的初始位置、初始朝向、行进速度与时间、何时改变了朝向等信息不断累加，得出的结果即是现在的朝向和位置。
我们常说的GPS其实是由美国创建的一个卫星导航系统，除此之外，世界上还有中国的中国北斗卫星导航系统（BDS）等。卫星导航系统具有全球、全天候、高精度的优点，但也会受到气象、地形等外界因素干扰。
而惯性导航是通过陀螺仪等惯性敏感器件测算角速度变化，得到在导航坐标系中的速度、偏航角等信息，再根据运动学积分方程把它结算变换到导航坐标系中，得出行进方向、行进速度、行进时间，进而推出所处位置的。
惯导航位推算法示意图
由于惯性导航系统不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量使它自然地不受外界的干扰，无论是地面、海上、空中甚至是深海、地下的平台，搭载上它都可以随时随地知道自己身处何处。
光纤陀螺仪：国产惯导系统弯道超车的机会
陀螺仪是惯导系统的核心 ，按原理可分为以经典力学为基础的机电式陀螺，和以近代物理学效应为基础的光电类陀螺。
早在1852年法国物理学家就发现刚体在高速转动下其方向具有稳定性，并借用这一现象研究出了世界上第一台陀螺仪来验证地球自转现象。而结合机械转子陀螺仪特性、地球不同经纬度下重力特性及自转角速度不同的特点，即可求得所在方位。但传统陀螺离不开的机械转子，易产生质量不平衡和机械损耗等问题，且启动需要耗时预热，使用面临诸多不便。
而物理学家乔治·萨格纳克于1913年提出的一种闭环光路效应理论——萨格纳克效应用于计算角速度变化。该原理成为光学陀螺仪的理论基础，为研制高精度、高抗冲击和
抗加速运动的陀螺提供新的可能。
（sagnac原理图）
所谓萨格纳克效应——以上图为例，当该闭环光路不转动，那么同一光源的a、b方向的光走过的光程是一样的。因光速是个定值，若让其转起来，便会发现顺时针和逆时针光路长度会改变，两个光程就产生差值。在光速在介质内恒定的前提下，光程差又与光路转动速度（角速度）成正比。而如前文所述，当把角速度带入到空间坐标系，即可得知其所处位置。
在20世纪60年代激光技术出现后，利用萨格纳克效应测量运载体旋转运动的光学陀螺仪得到迅速发展。与机电陀螺相比，光学具有无转动部件、动态范围大、能耗低、抗冲击能力强、体积小、无启动过程、寿命长等突出优点。
因欧美国家在惯性导航产品方面捷足先登，因此近年来我国科研机构把研发重点放在光学陀螺特别是效费比高的光纤陀螺上以期“弯道超车”
近届珠海航展上展出了多种国产光纤陀螺惯导，已在航天航空、武器导航、机械控制、石油钻井等领域发挥着重要作用
2011年9月，中国航天科技集团在世界上首次将光纤陀螺观测组合应用在空间站的姿态测量，并成功完成了神州八号和天宫一号交会对接任务。
2017年4月，北京航空航天大学光电技术研究所研制的高精度光子晶体光纤陀螺实现了在“天舟一号”货运飞船上首次搭载飞行，获圆满成功，这也是国际上光子晶体光纤陀螺的首次空间应用。
图为天舟一号所搭载北航研制的高精度光子晶体光纤陀螺
减少热影响？给光纤陀螺穿上“金钟罩”
光纤陀螺所使用的光源属于宽带光源，即要求陀螺在工作时整个光谱具有很高的稳定性。由于光纤陀螺该系统检测的 Sagnac 相移是在信号传导过程中微小有用信息量，很容易被噪声干扰。而在这之中，光纤惯性陀螺仪的输出随机噪声水平是影响导航系统精度的因素之一。
光纤陀螺工作中一般受温度噪声、散粒噪声和光源噪声影响，而对高精度光纤陀螺检测灵敏度影响最大的就是温度噪声。当光纤受外界温度影响使热胀系数发生变化时，光纤折射率随之改变、光纤中传输光的相位也发生变化，进而影响检测精度。
国外光纤陀螺厂商为降低温度噪声对光纤陀螺的影响，一般选择温度敏感性弱、质量好的器件和对温度敏感性较弱的新型光纤来降低光纤陀螺的热致误差漂移。而国内出于工艺实现难度以及成本考量，则设计了多种主动温度控制手段以减少温度对光纤的影响，如：
集恒流源驱动和依靠半导体制冷器实现温控的一体化光源组件，通过以热敏电阻对管芯实时温度进行监控，并对光源管芯的温度控制来实现光源输出的稳定；
搭配双层铝合金——空气夹层隔热腔，以减缓光纤环的温变速率和热应力变化速率，并为在腔体内部的光纤环提供一个对称的温度环境；
为减少光纤外部涂覆层的热胀冷缩形成的挤压也会造成光纤几何尺寸和折射率的变化而在光纤覆层粘胶剂中掺入石墨粉的方法来加快光纤环的温度均化效果，从而达到抑制温度扰动。
国产光纤陀螺如何做到又小又“省”
光纤陀螺是微电子工艺和微光学工艺的集大成者，而光纤陀螺的信号处理电路结构则影响着光纤陀螺的体积与性能。随着整机系统小型化集成的需要，采用传统的分离器件布置元件的光纤陀螺小型化已到极限，且一定程度制约了元器性能。
近年来随着我国高密度集成技术取得了突飞猛进的发展，依靠更高集成度的器件和电路来实现光纤陀螺小型化成为可能。
图为国内研发人员正在总装光纤陀螺电子元器件
目前市面上成熟的产品，大多利用器件级微系统集成电路技术组装信号处理电路器件。这种技术的特点采用基板多层布线、芯片粘接键合等工艺技术，实现多个芯片及无源器件在同一基板上集成，但这种方式对总电路体积的压缩仍有很大空间。而更为紧凑的晶圆封装电路体积虽可更小，但成本则高出许多。
近年来，我国科研人员则结合传统的成熟套路以及新的堆叠技术，采用三维堆叠的ＳＩＰ形式，把所有器件的裸芯片以及无源器件组装在陶瓷基板上，然后将基板封装在一个陶瓷无引线外壳，以两层芯片堆叠、多层次打线的方式，实现电路集成的立体结构，使得总体尺寸控制在１４ｍｍ×１４ｍｍ×２．５ｍｍ，为光纤陀螺系统的小型化打下了基础。在成本低于晶圆封装电路的同时，获得了比器件级微系统集成电路更小的空间体积。
与传统电路组装方式相比，采用三维堆叠技术（图右）的惯导电路更为紧凑
结语
随着国产光纤陀螺仪成本的降低和需求的增长，以光纤陀螺为核心的惯性导航技术已扩展到大地测量、资源勘测、地球物理测量、海洋科考、铁路、隧道等民用领域，并逐渐实现对国外同类型产品的替代。当然在取得长足进步的同时，我国高精度光纤陀螺惯导系统在整体稳定性、工程化应用方面还有一些技术难题有待突破，为此我国正不断推进光纤陀螺惯导系统领域技术发展，并加强对相关知识产权成果的保护和布局。
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