激光陀螺是一种基于Sagnac效应的高精度、高可靠性的角速度传感器。以激光陀螺为核心部件的激光陀螺惯性导航系统是目前市场占比最高的惯性导航系统，激光陀螺及其惯性导航系统的研究关乎社会生活及安全。首先，本文阐明了激光陀螺及其惯性导航系统的基本原理，回顾了激光陀螺惯性导航系统的发展进程，介绍了近年来国内外有代表性的激光陀螺惯性导航系统的型号。然后，归纳总结了长航时激光陀螺惯性导航系统的关键技术，梳理了误差标定技术、初始对准技术、旋转调制技术、高可靠性容错技术、地球物理场补偿技术的研究现状。最后，总结展望了长航时激光陀螺惯性导航系统关键技术的发展趋势。

激光陀螺合光系统的作用是将陀螺角速度变化的频差信息转化为可直接测量的干涉条纹信息，合光系统加工及装配误差将直接影响干涉条纹信号，影响最终陀螺频差解算精度。建立了激光陀螺合光系统误差模型，分析了合光光束夹角与合光后信号强度及相位差间的关系，结合探测器参数确定了最优的合光光束夹角，并分析了合光棱镜加工误差及装调误差与合光夹角间的关系。仿真分析结果对激光陀螺中合光棱镜的设计及装调具有理论指导意义。

为探究腔内各气体的压强比对激光陀螺特性的影响,从等离子色散函数出发,探究气压气比对环形腔内光强调谐曲线的影响,同时使用自制的环形激光陀螺进行工程试验。搭建了一套可操作性强、气压气比可调节且可实时监测的充气实验装置,得到该激光陀螺输出增益随气压气比的变化关系,从而得出最佳的工作气压气比。结果表明:激光输出增益首先随着气压的增大而增大,当气压增大到某一气压值时,输出增益达到最大值;之后输出增益随着气压的增大而减小,当气压增大到某一临界值时无激光输出。

本文提出了一种新的改进的姿态匹配方法用于激光陀螺组合体测量船体角变形, 该方法的Kalman滤波观测量直接包括待测的船体角形变和“相对姿态误差”项, “相对姿态误差”项对单个激光陀螺组合体的陀螺零偏不敏感, 主要源自于两套激光陀螺组合体的陀螺漂移差值和初始船体角形变。此外, 考虑到船体静态角形变的缓变特征, 船体静态变形角速度可建模为随机游走过程。仿真结果表明, 本文提出的简化的姿态匹配方法能跟踪日照引起的准静态缓变角变形和船体机动等因素引起的短周期大幅角变形。该方法也经过了多条舰船的实船试验验证, 船体角变形的测量精度优于20″。

无外界基准信息时, 针对舰艇单、双轴旋转调制激光陀螺航海惯导冗余配置情况下双轴旋转惯导间性能的在线评估问题, 提出了联合旋转调制激光陀螺航海惯导相对性能的在线评估方法。一套单轴旋转惯导分别与待评估的双轴旋转惯导构建联合误差状态卡尔曼滤波器, 状态为各系统位置误差、速度误差、姿态误差的差值及各自的陀螺漂移、加速度计零偏, 以系统间的位置、速度差值为观测量, 通过联合旋转调制策略编排改变系统间的相对姿态, 可观性分析表明, 包括单轴旋转惯导方位陀螺漂移在内的所有状态均完全可观; 以不同滤波器估计得到的单轴旋转惯导方位陀螺漂移估计值的标准差为评价指标, 对双轴旋转惯导随机误差进行在线评估。半实物仿真和实际实验结果表明：双轴旋转惯导激光陀螺随机误差差异的区分度可达10%; 144 h(6天)导航时间内, 以单轴旋转惯导方位陀螺漂移估计值的标准差为评价指标, 可以实现不同双轴旋转惯导相对性能的在线评估。该方法为旋转调制激光陀螺航海惯导冗余配置情况下的系统优选提供了理论依据。

激光陀螺通常采用高压直流来提供泵浦。放电管的负阻特性会引起稳流回路的不稳定或震荡。为了优化放电环路, 研究了放电管的阻抗特性。测量了不同放电电流下的管压降, 通过多项式拟合得到了放电管的伏安特性曲线。由于微变阻抗直接决定了环路的稳定性, 重点分析了微变阻抗随着电流的变化规律。研究可以为镇流电阻的选择和放电环路的优化设计提供参考, 可以降低功耗并提高电路的可靠性。多样本测试表明文中的结论具有普遍适用性。

在机抖激光陀螺(DRLG)捷联惯导系统(SINS)中，陀螺的抖动偏频会引起伪圆锥运动。分析了伪圆锥运动对捷联惯导系统旋转矢量计算的影响，并推导了其表达式。通过数值计算，分析了影响伪圆锥误差的因素，提出了机抖激光陀螺抖动频差的匹配原则，以实现伪圆锥误差最小化。基于该匹配原则，面向工程实际问题提出了一种机抖激光陀螺抖频调谐技术。仿真分析和实验结果表明，选用一种主体抖动轮并按需选配调节构件，该技术可满足系统对陀螺抖动频差的匹配要求，同时不会对陀螺整体外形尺寸和抗振性能造成任何影响。与传统方案相比，进一步提升了机抖激光陀螺，尤其是小型化机抖激光陀螺的工程化水平，降低了生产成本。

针对小型化激光陀螺捷联惯导系统(SINS), 建立了四种不同的温补模型, 分析和对比了包含高温、低温和变温三种不同温度模式下的温补效果。试验结果表明: 温度变化率是影响惯性器件误差的重要因素, 考虑温度和温变率模型的动态模型温补效果明显优于单纯考虑温度的静态模型。另外, 为了检验小型化SINS的稳定性以及温补模型与时间的关系, 5个月后再一次对其温度特性进行研究, 结果表明: SINS稳定性良好, 温补模型基本不受时间影响, 满足工程应用的需求。

介绍了一种激光陀螺任意二位置寻北仪，可在一定程度上节省整个寻北过程的时间，推导了全姿态下的寻北解算公式。为提高整个系统的寻北精度，从理论上分析了陀螺漂移误差、系统圆周误差和转位误差对任意二位置寻北的影响，建立了误差数学模型，并提出了减小寻北误差的方法。仿真结果表明，水平状态下的转位误差引起的寻北误差是一个常量，大小为转位误差的一半；为保证足够高的寻北精度，要求寻北仪在使用过程中转角μ≥40°，纬度φ≤70°。寻北实验结果进一步验证了仿真结果的正确性，与理论分析结果相吻合。