Page 304 - 测绘新技术的理论与实践研究

测绘新技术的理论与实践研究

陀螺仪最早由古代航海活动中用以指北的罗经发展而来，主要用途是获取运

动方向与北方向夹角（航向角）。根据内置陀螺不同的运行原理，陀螺仪分为机
械式和光电式两大类。机械式陀螺主要依靠内部陀螺房高速运转的陀螺转子的两
个特性，结合地球自转来进行定向。从 20 世纪 20 年代以来大致发展了四代产品，
第一代即完全凭借滚珠轴承陀螺仪，其环架承受力弱使整个系统非常不稳定；20

世纪 50 年代后大量出现了浮动式陀螺仪，即第二代产品，陀螺转子由内部气体
或液体的浮子组件支撑，大大减小了摩擦力矩，提高了测量精度。第一、二代陀

螺仪主要用于地面环境中寻北，并逐渐成为陀螺仪发展的一个分支。第三代陀螺
仪为动力调谐陀螺仪，使用挠性接头驱动陀螺转子，进一步提高了系统的稳定性
和精度，被大量用于当时的精确制导武器和飞行器的惯性平台中。激光和微电子
技术迅速发展后，诞生了以光、电、磁为主要驱动手段的新型陀螺仪，其中具有

代表性的是光纤陀螺仪和微电子机械陀螺仪（MEMSG）。光纤陀螺是基于萨纳
克（Sagnac）干涉效应原理，在环形光路中检测两路激光束的相位差，通过相位
差实时计算角度值：MEMSG 则是近年来备受关注和迅速发展的新型陀螺仪，其

制造原理结合了电子技术和微机械加工技术，具有体积小、成本低廉的特点，目
前已经在民用和低精度领域得到了大量应用。陀螺仪的精度指标主要体现在角度
测量漂移幅度，当前最高精度是美国 Honeywel 公司和斯坦福大学科研团队研制
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的静电陀螺仪，其误差达到 10 /h，主要应用于宇宙深空探测器航行姿态测量。
另外，国内清华大学、东南大学等团队也于 1980 年代展开了相关高精度陀螺仪
的研究，并在微电机研制、集成光电子技术等领域取得了进展，并研制出了光电
陀螺仪。

惯性传感器姿态测量的优点：是一种自主的姿态测量方法，在给定初始信息
后，对环境的依赖性小，抗干扰能力强。不足之处主要为初始收敛速度慢，存在
误差累积现象，且高精度惯性传感器成本较高。

2. 电子水平仪
电子水平仪的前身是光学水准器，液体在密闭管中受自然重力作用，当发生
微小倾斜即出现下移，而小段气泡向上移动，根据分度值刻划线即可得到与水平

面的倾斜角度值。光学水准器准确度低，应用范围小，受环境影响大，一般用于
水准仪、全站仪等测量仪器的初步整平。随着微电子技术的不断发展，电子水平
仪逐渐出现，其原理是通过利用液体重力使液位保持水平，或通过内部重锤受地

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