用新型陀螺仪，干掉GPS？

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来源：内容编译自IEEE，谢谢。

今年，两家公司——位于加利福尼亚州圣克拉拉的Anello Photonics和位于蒙特利尔的One Silicon Chip Photonics (OSCP) ——推出了新的片上陀螺仪导航系统，无需卫星信号即可实现精确的航向和距离跟踪。

如今，这种惯性导航越来越重要，因为GPS容易受到干扰和欺骗，从而扰乱导航或提供误导性的位置数据。这些问题在乌克兰和中东等冲突地区已得到充分证实，这些地区的军事行动面临严重的GPS干扰。对于依赖 GPS 定位的无人机来说，信号丢失可能是灾难性的，导致它们无法导航，有时甚至导致坠机。

光学陀螺仪长期以来一直被视为卫星全球导航系统的替代导航技术。自 20 世纪 70 年代以来，环形激光陀螺仪等大型装置就已经出现。然而，将这些设备缩小到芯片大小说起来容易做起来难。

从 20 世纪 70 年代中期开始生产的光学陀螺仪难以维持精确旋转传感所需的光信号强度。缩小它们只会使信噪比变得更差。因此，当大多数微电子设备遵循摩尔定律所描述的小型化路径时，基于光的陀螺仪仍然很大、很笨重、耗电。

这种情况一直持续到加州理工学院电气工程和医学工程教授阿里·哈吉米里和他的团队取得突破，克服了之前的尺寸和精度限制。在2018 年的一篇论文中，他们描述了如何制造出小到可以装在米粒上的固态陀螺仪。与之前出现的光学陀螺仪一样，这款陀螺仪利用了萨格纳克效应，该原理由法国物理学家乔治·萨格纳克于 1913 年首次证明。

当光束被分成两束并沿着圆形路径以相反方向发射时，就会发生萨格纳克效应。如果设备旋转，一束光束会先于另一束到达探测器，从而可以精确测量旋转角度。由于这种方法不依赖外部信号，因此它不受电磁干扰、振动和通过开放通信通道进行的网络攻击的影响——使其成为 GPS 不可靠或完全拒绝的应用的理想解决方案。

通过引入一种消除噪音的技术，哈吉米里和他的同事们能够制造出一种光学陀螺仪，其尺寸是市售光纤陀螺仪的五百分之一，但灵敏度相当。

Anello 和 OSCP 进入市场

在 Hajimiri 取得突破后不到十年，Anello Photonics 和 OSCP 正试图利用其基于陀螺仪的系统重塑导航市场。他们引入了进一步的改进，使陀螺仪更加小型化，同时又不影响其有效性。Anello 的低损耗氮化硅波导使光在陀螺仪内循环更长时间，从而提高信号强度并减少误差累积。Anello 的技术进一步抑制了其他噪声源，因此较小的波导可以容纳较少的光（因此信号较弱），但仍然足以获得准确的旋转读数。

Anello 首席执行官Mario Paniccia表示，该成果已于 2024 年和今年早些时候在CES上展出。Paniccia 解释说，其公司的惯性测量单元(IMU) 由三个基于芯片的陀螺仪和其他组件组成，可以握在手掌中。它们为多种应用提供高精度，包括农业，其中自动拖拉机必须保持长达 800 米的完美笔直的犁沟。他表示，更长的距离对导航系统来说也不成问题。“如果你行驶 100 公里，”Paniccia 说，“该系统的距离测量将精确到 100 米以内，或行驶距离的 0.1%。”

OSCP 也在微型导航技术方面取得了长足进步。在CES 2025上，OSCP 创始人兼首席执行官Kazem Zandi推出了一款升级版多陀螺仪IMU，其尺寸只有上一代产品的一半。Zandi 在拉斯维加斯的科技博览会上表示：“它不仅更小，而且更节能、更便宜。这些陀螺仪可以提供航位推算，定位精度达到厘米级。”

Anello 和 OCSP 的 IMU 旨在与 GPS 配合使用，持续监控位置输入。如果检测到 GPS 干扰，两家公司系统内的人工智能(AI) 都会自动将导航控制权转移给陀螺仪。“例如，如果你在纽约，”Paniccia 解释说，“陀螺仪显示你已经向前行驶了 100 米，但 GPS 显示你现在在德克萨斯州，那么算法就会知道将控制权转移到 陀螺仪。”

据帕尼西亚介绍，Anello 的最新系统专为无人水下和水面航行器而设计，这些航行器在广阔的公海上航行，没有地标可以辅助导航。“在海洋中，一切看起来都一样，”他说。在海洋空间中，洋流使导航比在陆地或空中跟踪位置更加复杂，帕尼西亚说，Anello 设备的定位误差更像是行驶距离的 3% 或 4%。

帕尼西亚说，他设想未来微型陀螺仪可以嵌入消防员的手持设备中，帮助他们在烟雾弥漫的建筑物中导航，因为在烟雾弥漫的建筑物中，楼梯和出口已经看不见了。“它本质上就是一个电子罗盘，”他说。

https://spectrum.ieee.org/optical-gyroscopes-on-chip

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