光纤陀螺的应用与发展

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国外光纤陀螺技术发展与应用技术

国外光纤陀螺技术发展与应用技术

光纤 陀螺 属于激光陀螺 中的一种

而对男 条光束讲是缩短 了。结果导 致输 原理 与环 型激 光 陀螺 相 同 。不 司 的 是 :光 目前国际上研 究开 发豹光纤陀螺结构 出端上两部 分光 之间发生柜磅 .由此 引起 纤陀螺是 将 2 0 3 0 长的光纤绕 制成直 0— 0m 主要有三 科 即干涉型光纤 陀螺 c 简称 I 输 出的干涉信号移位 。 — 径为 1 — 0 m的圆形光纤环 从而增长 了 0 6c 使其灵敏 度 精度和 有 F G) 谐振腔型光纤陀螺 c O ) O R F G 和光纤 在谐振腔型 光纤陀螺 中.是利 月光纤 激光真 的磕测光路
( lt n R c wel Ho e we I F x x L tO o k l n y l 和 e a
L t 在一项 美陆军三年 以上合同中 负责 io tn
军研制 工程 中心进行 了 项鉴定 .一个光 Ltn io公 在美国是最具有代 表性 的生 t
到了 1引 年 . A P 9 D R A与两个专 业小 量 生产低精度 的火炮发射制导 组件 。并在陆
国海军研究 所又研制 了 种全光纤 陀螺 其漂移率达到0 0 。/ 惯导装置水平角 5 . 0 验 室模型演示及结构研究等等 。
实 件 心脏 其性能优 于] h 。/ 该公司已交 付 了这种直径为 1 6 m( 英寸 ) 01c 4 光纤长 心进行测试和 鉴定 。
早在 18 9 9年 1 月就 由美国空军主持 度为 1 2 公里的装置 .以供海军航 空研靓率
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m e t d ap l a i t t s a r d n an p i t c on s a u b oa
环旋转时 由于萨格纳克 can ̄ 效应 . S ga ) 通 征频率就不再简并 差数正 比于旋转速率.

浅谈光纤陀螺技术及其工程应用

浅谈光纤陀螺技术及其工程应用

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光纤陀螺的分类和性能参数
分类 (! ) 按光路工作方式分, 光纤陀螺可分为干涉
型光纤陀螺 (2345 ) 、 谐振型光纤陀螺 (6345) 和布 里渊型光纤陀螺 (7345 ) 。 2345 是第一代光纤陀螺, 技术上已经成熟, 正在实用化; 6345 是第二代光纤
收稿日期: ’""%+"’+’,
’" 世纪 ," 年代,光纤传感技术伴随着光纤通
信技术的发展而迅速发展起来。该技术是以光波为 载体, 光纤为媒质, 感知和传输外界被测量信号的 新型传感技术,以独特的优良性能赢得极大的重 视, 并在各个领域中得到研究和应用。光纤陀螺技 术是光纤传感技术的一个特例, 是利用光学传输特 性而非转动部件来敏感角速率和角偏差的惯性传 感技术。
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性能参数
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民用技术现状 作为角速率传感器的光纤陀螺,用做定位、 导
!标 度 因 数 是 指 光 纤 陀 螺 的 输 出 与 输 入 速 率
的比值, 提供测量数值依据。标度因数的稳定性反 映该依据的可靠度。标度因数稳定性综合反映 "#$ 是衡量 "#$ 精度的 1 光纤陀螺 2 的测试和拟合精度, 重要指标。其影响因素有温度、 激励信号的稳定性 等。
假设光 纤 陀 螺 从 上 往 下 走 , 到 达 ! 点 为 "# 时 刻, 到达 # 点为 "#%!" 时刻, 由于从 ! 到 # 是曲线, 光纤陀螺由 ! 向 # 运动中在 !" 时间内有一微小转 动角 !"!#, ("#) ##&#! %!"!#,!"!#&$!# ’!" 式中, ( ) 为 在 点的转动角速度。 $!# "# ()* !

光纤陀螺的应用原理

光纤陀螺的应用原理

光纤陀螺的应用原理什么是光纤陀螺光纤陀螺是一种基于光学原理的惯性测量装置,利用光信号在光纤中传输的特性,通过测量光信号在光纤中的相位变化来判断光纤陀螺的转动情况。

光纤陀螺的工作原理1.发光器发出一束定向的光束,并通过偏振器产生一个偏振方向。

2.光束经过一个光分束器,被分成两束光线,分别沿着光纤的正反方向传播。

3.光束沿着光纤传播时,会受到光纤陀螺的转动所引起的Sagnac效应的影响,导致光束的相位差发生变化。

4.光束再次通过光分束器,会按照原来的比例合并成一束光线。

5.光束进入光探测器,光探测器会感知光束的强度变化和相位差变化,通过转化为电信号进行处理。

6.电信号经过放大器放大后,通过处理电路和计算器进行信号分析和计算,可以得到光纤陀螺的转动角速度。

光纤陀螺的应用光纤陀螺由于其高精度、高稳定性和不受外界干扰的特点,在许多领域都有广泛的应用。

惯导系统光纤陀螺可以用于惯导系统,用来测量和记录飞行器的角速度、角度和位置信息,从而实现导航和定位功能。

在航空航天领域,光纤陀螺广泛应用于飞行器的导航、制导和控制系统。

船舶姿态控制光纤陀螺可以用于船舶姿态控制系统,测量船舶的倾斜和航向角度,从而实现船舶的稳定性控制和导航功能。

光纤陀螺在海洋工程和海上作业中也有重要应用,提供精确的定位和导航数据。

医疗诊断光纤陀螺可以用于医疗诊断设备中,测量和监测人体运动、平衡和姿势等生理参数。

例如,在康复治疗中,光纤陀螺可以用来评估和监测患者的运动能力和平衡功能,从而指导康复训练和治疗方案。

地震监测光纤陀螺可以用于地震监测和地壳运动研究,测量和记录地壳的微小变形和震动。

光纤陀螺在地震预警系统和地质勘探中有重要应用,帮助科研人员更好地了解地球的结构和地震活动规律。

总结光纤陀螺基于光学原理,通过测量光信号在光纤中的相位变化来判断光纤陀螺的转动情况。

光纤陀螺具有高精度、高稳定性和不受外界干扰的特点,在惯导系统、船舶姿态控制、医疗诊断和地震监测等领域都有广泛的应用。

光纤陀螺技术及其应用

光纤陀螺技术及其应用

光纤陀螺技术及其应用张伟伟(河南大学物理与电子学院,开封 475001)光纤陀螺是建立在Sagnac 效应基础上的光学干涉仪,主要用来检测外部载体的运动角位移和角速度。

光纤陀螺与机械陀螺和激光陀螺相比具有结构简单,体积小,质量轻,成本低,灵敏度和分辨率高等一系列优点,引起了国内外人们极大的重视和强烈的兴趣。

光纤陀螺现已在航空航天、武器导航、机器人控制、石油钻井及雷达等领域获得了较为广泛的应用。

但是由于光纤陀螺其传感元件光纤线圈对各种物理量极为敏感会产生陀螺噪声,而且本身固有物理结构,光源质量,光学器件,光探测器等一起也会形成复杂噪声源影响光纤陀螺的灵敏度使精度下降。

目前,国内光纤陀螺仪研制水平与国外相比已接近惯性导航系统的中、低精度要求,但大多数未到工程实用阶段,也没有可靠性数据。

因此,对于光纤陀螺我们还需要不断地进行研究,以求研制出满足各行各业需要的实用的光纤陀螺。

1 光纤陀螺基本原理各种类型的光纤陀螺,其基本原理都是利用Sagnac 效应,只是各自所采用的位相或频率解调方式不同,或者对光纤陀螺的噪声补偿方法不同而已。

Sagnac 效应是指当一环形光路在惯性空间绕垂直于光路平面的轴转动时,光路内相向传播的两列光波之间,将因光波的惯性运动而产生光程差,从而导致两束相干光波的干涉。

该光程差对应的位相差与旋转角速率之间有一定的内在联系,通过对干涉光强信号的检测和解调,即可确定旋转角速率。

如图1所示为光纤陀螺原理示意图,从A 点入射的光被分束器分成等强的两束光,反射光a 进入光纤线圈沿逆时针方向传播,透射光b 被反射镜反射回后又被分束器反射,进入光纤线圈沿顺时针方向传播。

两束光绕行一周后,又在分束器汇合。

当干涉仪无旋转时,沿相反方向传播的两束光绕行一周的光程相同,即两束光波的光程差为0。

当干涉仪绕着其垂直轴以角速度Ω(设逆时针方向为正方向)旋转时,沿相反方向传播的两束光绕行一周的光程和时间就不再相等,其时间差和光程差分别为:2224()a b R t T T c R π∆=-=Ω-Ω Ω≈∆=∆cR t c L 24π(()22Ω>>R c ) 所以光纤环中两束光之间的相移为:Ω=∆=∆λπλπϕc RL 4L 2(R L π2=为光纤环的周长)图1 圆形萨格奈克干涉仪一般情况下,光纤陀螺采用的是多匝光纤线圈(N 匝)的光纤环,两束光绕行N 周再次汇合时的相移应为: Ω=Ω=∆K c RLN λπϕ4(λπc RLN K 4=为光纤陀螺的标度因数)这表明两束光的光程差与输出相移与旋转角速度Ω成正比,所以只要测得光程差或相移就可以求出转动角速度Ω。

光纤陀螺和光纤水听器技术产品的应用前景

光纤陀螺和光纤水听器技术产品的应用前景

顺 时针 和逆 时针 方 向传 输 ,在旋 转 时
产生相移差。
通信 光 纤被 应用 到这 样 的线 圈上 ,有 两种情况会出现。一,由于弯曲损耗 , 在 线 圈一端 输入 的 光在 线圈 的另一 端
消 失 了 ; 二 , 光 纤 由 于 静 态 疲 劳 比 较
在2 世 纪7 年 代 ,低损耗 光纤 的 0 0 迅速发展是光纤陀螺能够发展起来。然
筛选时拉伸光纤,清除超过筛选水 平的裂纹。较小尺寸的本征裂纹保 留在
筛 选 后 的 光纤 内 ,从而 降 低 了光 纤 光 线 静 态 疲 劳 断 裂 的 可 能 。 通 讯 工 业 标 准 的
水下微弱的信号 。有两种基本类型 的水 听 系统 ,一种是直接 “ 听” 系统 ,它直 接探测经过水听器附近的船体 和海 低生 物发 出的声 音。第二种类型使 用声源引 起 回声 ,称为积极探 测系统 。其 中声纳 就 是最著 名的例子 。
5 0.
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FB R P ISc M Nc To l 蛋 囝 IE O TC o Mu lA l N E
断裂 。光线通过增加筛选水平和 ( ) 或
减 少光 纤 直径 的方 法 增 加 抗 静 态 疲 劳 的 能力。 . 0
静 态疲劳是光纤在受到弯曲应力或 不变的张力负载时 ,自发发生断裂。应
力 引 起 本 征裂 纹 和 微 裂 纹 的生 长 ,当 裂 纹 生 长 超过 材 料 临 界尺 寸时 ,引 起 光 纤
于需要弄明白传 感的究竟是什么 。
光 纤 传 感 器 的 重 要 的 优 点 是 光 纤
可以在弯 曲和长距 离传导光 ,这 使很长
被测量物体产生的信息 。温度 、压力 、 电磁效应 、旋转、振动 、应力 、应变等 等各种和光纤之 间的相互作用将产生传 输特性的相应的微 小变化 。这些特性让

光纤陀螺原理及应用课件

光纤陀螺原理及应用课件
光纤陀螺原理及应用课件
欢迎参加本课程!本课程将介绍光纤陀螺的定义、原理和应用领域,以及其 在惯性导航、航空航天和地震监测中的重要性。让我们开始吧!
光纤陀螺的定义和原理
光纤陀螺利用光纤中的轴向光束干涉现象实现精密测量。光纤陀螺原理基于 光的传播速度与光路长度的微小变化。
光纤陀螺的结构和工作方式
光纤陀螺由光源、光路、光探测器和信号处理器组成。通过检测光纤中的干 涉信号,确定旋转角速度。
光纤陀螺的发展前景及挑战
光纤陀螺具有广阔的应用前景,但也面临着技术创新、信号处理和成本降低等挑战。持续研究和发展将推动其应用 领域的拓展。
Hale Waihona Puke 光纤陀螺的应用领域惯性导航
光纤陀螺用于导航系统,提供高精度的姿态和位置测量,应用于航空、航海和地面交通领域。
航空航天
光纤陀螺在航空航天中用于飞行器姿态控制、飞行参数测量和导航系统,提高飞行安全性。
地震监测
光纤陀螺可用于监测地壳运动和地震活动,提供准确的地震测量数据,助力地震预警系统的 建设。
光纤陀螺在惯性导航中的应用
光纤陀螺在惯性导航系统中扮演关键角色,提供精确的旋转角速度测量,用于定位、姿态控制和目标追踪。
光纤陀螺在航空航天中的应用
光纤陀螺在飞行器控制、导航和引导系统中广泛应用。高精度的姿态测量和 导航数据提高了航空航天系统的性能和安全性。
光纤陀螺在地震监测中的应用
光纤陀螺通过监测地壳运动和地震活动,为地震学家提供准确的地震测量数 据,帮助预测和研究地震现象。

光纤陀螺仪原理及其工程应用

光纤陀螺仪原理及其工程应用
• 总体而言 ,我国在光纤陀螺关键技术及实用化上与国外先进水平相比ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
仍有较大差距。光纤陀螺技术将成为 21世纪惯性技术重点发展方向 , 必将在我国获得更大发展 ,在军民两用领域得到更广泛应用。
光纤陀螺仪的工程应用
战术导弹制导 航天器姿态调整 卫星定位 精密航天器应用
1.战略导弹系统和潜艇导航应用;2.卫星定向和跟踪;3.战术武器制导与控制系统;4.各种运载火箭应用;5.姿态/航向基 准系统; 6.舰船、导弹和军民用飞机的惯性导航;7.陆地导航系统(+GPS);8.天体观测望远镜的稳定和调向;9.汽车导航仪 、天线/摄像机的稳定、石油钻井定向、机器人控制、各种极限作业的控制置等工业和民用领域。
光纤陀螺仪具有的优点
仪器牢固稳定,耐冲击 结构简单,价格低廉 检测灵敏度和分辨率高 动态范围极宽 寿命长,信号稳定可靠 瞬时启动
光纤陀螺仪的工作原理
Sagnac效应
光纤陀螺的工作原理是基于萨格纳克(Sagnac)效应。萨纳克效 应是相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应, 即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光,以相反的 方向进行传播,最后汇合到同一探测点。
效应。再通过角速度的时间积分即可确定旋转体的角位置或方位角。
光纤陀螺仪的分类
01 干涉型光纤陀螺仪(I—FOG) 02 谐振式光纤陀螺仪(R-FOG) 03 受激布里渊散射光纤陀螺仪(B-FOG)
光纤陀螺仪的分类
• 干涉型光纤陀螺仪(I—FOG),即第一代光纤陀螺仪,目
前应用最广泛。它采用多匝光纤圈来增强SAGNAC效应,
01 一个由多匝单模光纤线圈构成的双光束环形干涉仪可提 供较高的精度。 按照检测相位的方法可分为 开环型(左图)和闭环型(右图)

陀螺仪技术进展及其在导航和航空领域中的应用

陀螺仪技术进展及其在导航和航空领域中的应用

陀螺仪技术进展及其在导航和航空领域中的应用引言:导航和航空领域中,陀螺仪技术扮演着重要角色。

陀螺仪以其高精度和高鲁棒性,成为现代航空器和导航系统中不可或缺的组成部分。

随着技术的进步,陀螺仪技术不断发展,其应用领域也在不断扩大。

本文将探讨陀螺仪技术的进展,并详细介绍它在导航和航空领域中的应用。

一、陀螺仪技术的进展陀螺仪技术是基于陀螺效应的原理而实现的一种测量仪器。

它可以检测和测量物体的旋转和角度变化,并将这些信息转化为电信号输出。

随着科技的不断进步,陀螺仪技术也在不断发展。

1. 光纤陀螺仪光纤陀螺仪是一种基于光纤干涉原理的陀螺仪。

它通过测量光束在光纤中传输时的干涉效应,来确定物体的旋转角度。

光纤陀螺仪具有高精度、快速响应和较长寿命等优势,被广泛应用于航空、导航以及地震监测等领域。

2. MEMS陀螺仪MEMS陀螺仪是一种微型化的陀螺仪,采用微电子机械系统(MEMS)技术制造。

它具有体积小、重量轻、功耗低的特点,适用于嵌入式设备和消费电子产品。

然而,由于其精度相对较低,主要用于一些对精度要求不高的应用场景。

3. 激光陀螺仪激光陀螺仪利用激光和干涉原理,测量物体旋转产生的角位移。

相比于传统的机械陀螺仪,激光陀螺仪具有更高的精度和更长的工作寿命。

它被广泛应用于航空导航、船舶定位和无人车辆等领域。

二、陀螺仪在导航中的应用导航系统中的陀螺仪主要用于测量车辆、船舶、飞机等运动物体的姿态和方位。

通过与其他传感器(如加速度计)组合使用,陀螺仪可以提供更准确的导航信息。

1. 惯导系统惯性导航系统是一种不依赖外部参考物的导航系统。

它通过陀螺仪和加速度计等传感器,测量和计算物体的位置、速度和姿态。

惯导系统广泛应用于航空、航海和导弹等领域,能够在无法接收卫星信号的环境下提供可靠的导航解决方案。

2. 电子稳定平台电子稳定平台是一种利用陀螺仪技术来稳定摄像机或传感器的装置。

它可以通过实时测量物体的角度变化,并根据这些数据来控制摄像机或传感器的姿态,使其始终保持水平或指定的角度。

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1 0 l一 O 1 0 OO .l o. 1 1 1o o lO OO
零 偏 稳 定 性(/) 。 h
出现凭借着全 固化 高寿命 的优点开始渐渐的 占领
了传 统 机 械 陀螺 的应 用 领 域 。 光纤 陀 螺 作 为 应 用 是 最 为 广 泛 的 ,是 基 于
应 用 情况 18 9 7年 为 美 国 陆 军 设 计 火 炮 制
度的光纤 陀螺用 于地形跟踪 匹配和导向 ,美 国陆
军装 甲车辆和 自行火炮的光纤陀螺 占有率 已经超
过 6 % ,在未来几 年 内陆用 领域有 望完 全取代 0
机 械 陀螺 。
3 .国 内光 纤 陀螺 的发展 现 状
导 航 分 界 线 地 球 转 速
位 ,并广泛地应用于航空航天飞行器 、飞机 、导 弹 、舰船与车辆的导航 、航姿航 向控制 、 自动寻 的制导 、稳瞄稳像系统等领域 。要实现 自主定位 导航 ,只要知道运载体 的原始位置 ,使用加速度 计和 陀螺仪分 别测量线 性加 速度和旋 转角速度 , 再对测量值进行积分运算就可 以知道运载体 的姿 态和轨迹 … 。而 光纤 陀螺作 为一 种 重要 的惯 性
< .o 0o1
精密航天器应用 ,精密瞄准与跟踪
航 天 时 代 n0 。b 1/ 电 子公 司
应用于航空

航 天 领 域
表 2 国外各公 司光 纤陀螺应 用水 平 一 ]
公 司 名称 主 要 性 能 零 偏稳 定 性
以及导弹系统 中 ,卫星和宇宙飞船也装 配了高精
纤 陀螺 的特 点介 绍 了在 各 个领域 的应 用 ,调 研 了光 纤 陀螺在 国 内外 的发 展 现 状 ,并指 出 了光 纤 陀螺
的发展 趋 势 。
关 键 词 :光 纤 陀 螺 惯 性 技 术
惯性 技 术 的应 用 可 以实 现运 载 体 的 自主测
量 ,因此 它 在 现 代 国 防科 技 中 占有 十 分 重 要 的地
图1 陀螺 零偏 稳 定性
陀 螺 的应 用 领 域 主 要 是 由陀 螺 零 偏 稳 定 性 决
Sga 效应 的原理工作 的。与机械陀螺相 比 ,光 anc 纤陀螺无运 动部件 、使用 寿命 长 ;全 固化结 构 、 抗 冲击能力 强 ;测量 动态 范 围大 、无 预热时 问 、
定的 ,由此可见光纤 陀螺的应用几 乎覆盖 了目前 所需要 的全部领域 ,见表 1 。正是 因为这些优 点
利顿 ( 美国)


0 8 。 o 1 /h
导系统 ,能 承受 20 的加 速 0% 度。2 0世纪 9 0年代初应用于海 军舰 载 机 导 航 和 火 控 系统
主要 研 究 高 精 度 光 纤 陀 螺 , 主
霍尼韦尔 ( 国) 美
E mF G u 0 ( 国) 法
F z p ia io tk


O o 8。 h o3 /
要用 于潜 艇 导 航 系 统 和 深 层 空 间 飞 行 。 民 用 方 面 包 括 波 音 7 7飞 机 和石 油 钻 井 导 向 7
国内从事光纤陀螺研 发生产 的单位 主要 有 :
传 感 器 ,用 于 测 量 运 载 体 的 角 速 度 ,是 构 成 惯 性 系统 的 核 心器 件 ,相 当程 度 上 决 定 了整 个 惯 性 系
统的性能 。
1 .光 纤 陀 螺 的研 究 与 应 用
在近几 十年 里 ,常用 的陀 螺仪 包 括 框 架 陀 螺 、液浮陀螺 和挠性 陀螺这些含有转 子的机械陀 螺 ,他们 的工作都是基 于转动部件在 高速旋转 时 产 生 的大 角度 惯 量 来 测 量 角运 动 的 。光 学 陀螺 的
公 司
名称
主要 性 能 零偏稳定性
o 5 /h o 。
应 用 情 况
>1 O
l一1 0 0 1~1O . .
陆地交通工具 导航,机器人 姿态控制 ,照相 机或 者 天线 稳 定 装 置
无 人 驾 驶 飞 机 ,战术 导 弹 制 导 导航 参 考 系 统 ( HR ) S S ,卫 星 姿 态 测 量
的存在 ,光纤 陀螺在今后 相当长的一段时间内会
成 为陀螺市场上 的主流产品。
启动时 问短 ;不受地球吸引力影 响 ;工艺相对 简
光 纤 陀 螺 的 应 用 与 发 展
表 1 光纤 陀螺 的应 用领域
零偏 稳 定 性 (/ ) 。h
应 用 领 域
表 3 国 内各公 司光 纤陀螺应 用水 平
O o l O 0 航 空航 天惯 导 系 统 ,航 海 导航 .o ~ . l
中 国 兵 器 工 业 系 统 00 。h . 1/ 总体部
大量应用 于陆用装 甲车 辆、 自行火 炮以及布撒器 等 弹载系 统。捷 联惯 导系统 已经 可 以 取 代 法 国 的 SG I-
MA 0 3
北 京 航 空 O

航 天 大学 浙 江 大 学 0

有完整的光纤 陀螺 生产线 ,光纤 陀 螺 的 实 验 室水 平 达 到 国际水 平
主 要 研 究 中 低 精 度 、低 成 本 的 消 偏 型 光 纤 陀螺
7 / 。h


0 ~0 1 位 1 .
火炮捷联惯导 ,航空器 导航 ,地球 测量 ,卫星定
20 月 0 年3 1
国 防 技 术 基 础
第3 期
光 纤 陀 螵 的 应 用 与 发 展
周 泓 ( 华 北 光 学 仪 器 有 限 公 司军 代 室 ) 驻

要 :光 纤 陀螺作 为 惯性技 术 的核 心 器件 , 已经逐 渐 成 为 陀螺 市场 的 主 流产 品 。本 文根 据 光
单 ,价格便 宜 ;对捷联应用有先天优势 。与激光
陀螺相 比 ,光纤 陀螺 的成本低 、性价 比高 ;体积
小 、功耗低 、应用灵活 ;克服 了激光陀螺闭锁带 来 的负效应 ;随着工 艺和信 号处 理方案 的发 展 , 精度也可 以和激光 陀螺相 当。 目前实 际应用 的陀 螺零偏稳定性如 图 1 所示 。
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