半球諧振陀螺研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

潘 瑤,曲天良,楊開(kāi)勇,羅 暉

(國(guó)防科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410073)

半球諧振陀螺研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

潘 瑤,曲天良,楊開(kāi)勇,羅 暉

(國(guó)防科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410073)

半球諧振陀螺是基于哥氏效應(yīng)測(cè)量角速度的新型固態(tài)陀螺,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、功耗低、壽命長(zhǎng)、可靠性好、抗空間輻射等優(yōu)點(diǎn),是捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的理想陀螺儀,在宇航領(lǐng)域具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。半球諧振陀螺的理論精度不受量子尺寸效應(yīng)限制,是高精度、微型化陀螺的重要發(fā)展方向之一。首先介紹了半球諧振陀螺的基本工作原理,其次介紹了半球諧振陀螺的發(fā)展歷程,綜述了半球諧振陀螺的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,最后對(duì)半球諧振陀螺的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

半球諧振陀螺；哥氏效應(yīng)；慣性導(dǎo)航

0 引言

近年來(lái),隨著我國(guó)航空航天等領(lǐng)域的空前發(fā)展,對(duì)可用于高精度、高可靠性、長(zhǎng)壽命慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的高性能陀螺儀提出迫切需求。半球諧振陀螺(Hemispherical Resonator Gyroscope,HRG)是 20 世紀(jì) 60 年代出現(xiàn)的一種新型陀螺。與傳統(tǒng)機(jī)械陀螺相比,它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,沒(méi)有磨損部件(機(jī)械轉(zhuǎn)子、光源等),無(wú)需后期維護(hù)；不需預(yù)熱,啟動(dòng)時(shí)間短；具有很強(qiáng)的抗沖擊能力,能承受大的機(jī)動(dòng)過(guò)載(3000g)；諧振子物理特性穩(wěn)定,因而陀螺具有很高的可靠性和超長(zhǎng)的壽命；此外半球諧振陀螺還具有抗輻射能力,使其非常適合在空間飛行器、衛(wèi)星等輻射環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作的裝備中使用[1]。與當(dāng)下激光陀螺和光纖陀螺相比,半球諧振陀螺結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件數(shù)大大減少,理論上精度不依賴于尺寸,噪聲性能不受量子效應(yīng)限制,因此,半球諧振陀螺是最有潛力實(shí)現(xiàn)高精度、小型化、低成本的陀螺儀。例如,近20年,美國(guó)在其空間任務(wù)中,優(yōu)先采用Northrop Grumman公司的高精度半球諧振陀螺捷聯(lián)慣性系統(tǒng)方案,并創(chuàng)造了累計(jì)空間飛行3000萬(wàn)小時(shí)無(wú)一故障的記錄(2015年2月),充分表明其空間應(yīng)用的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[2]。法國(guó)Sagem公司的半球產(chǎn)品Regys 20在航海羅盤中成功應(yīng)用,并在尋北、導(dǎo)彈、陸用慣導(dǎo)及空間慣導(dǎo)系統(tǒng)中成功推廣[3-7]。以上成功應(yīng)用充分體現(xiàn)出半球諧振陀螺極其重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

我國(guó)的半球諧振陀螺在理論研究方面取得了一定成果,在關(guān)鍵技術(shù)方面有部分突破,但在衛(wèi)星和航天器上的應(yīng)用處于初步探索階段。加快高性能半球諧振陀螺的研制進(jìn)度,開(kāi)發(fā)基于半球諧振陀螺的慣性系統(tǒng),對(duì)于滿足我國(guó)空天領(lǐng)域關(guān)于高精度、長(zhǎng)壽命、高可靠性慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的迫切需求具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 半球諧振陀螺工作原理

早在1890年,英國(guó)物理學(xué)家G.H.Byran發(fā)現(xiàn)敲擊并旋轉(zhuǎn)酒杯,會(huì)聽(tīng)到“差拍”,表明酒杯中的駐波相對(duì)空間旋轉(zhuǎn)；由于駐波的慣性,其轉(zhuǎn)動(dòng)以一定比例滯后于酒杯的轉(zhuǎn)動(dòng)。半球諧振陀螺的基本工作原理即是利用彈性駐波的慣性效應(yīng)測(cè)量角速度[8]。

如圖1所示,半球諧振子振動(dòng)于最低階彎曲模態(tài)(又稱酒杯模態(tài),四波腹模態(tài))。理想情況下,模態(tài)的波腹和波節(jié)的位置相對(duì)于半球殼穩(wěn)定。在外界角速度作用下,駐波振型以約0.3的比例落后于半球殼轉(zhuǎn)動(dòng),即如果半球殼轉(zhuǎn)過(guò)90°,振型轉(zhuǎn)動(dòng)將落后約27°。比例因子0.3稱為半球殼的幾何比例因子[1]。

圖1 半球諧振陀螺測(cè)量原理Fig.1 The measurement principle of HRG

半球諧振陀螺可以工作于兩種模式：全角模式(Whole-angle mode)和力平衡模式(Force-to-rebalance mode)。全角模式下,檢測(cè)電極直接讀出駐波相對(duì)于殼體的位置,比例因子只與幾何進(jìn)動(dòng)因子有關(guān),因此十分穩(wěn)定(10-6量級(jí))；由于駐波可相對(duì)于殼體自由進(jìn)動(dòng),因而陀螺具有很大的動(dòng)態(tài)范圍。力平衡模式下,通過(guò)反饋控制使駐波相對(duì)殼體位置固定,控制所需電壓與角速度成比例。相對(duì)于全角模式,力平衡模式的測(cè)量精度高、噪聲性能和零偏穩(wěn)定性較好,但動(dòng)態(tài)范圍較小。兩種模式各有優(yōu)缺,應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合合理選擇：高速情況下首選全角模式,而低速高精度測(cè)量首選力平衡模式[1]。

2 半球諧振陀螺發(fā)展歷程

美國(guó)Northrop Grumman公司的半球諧振陀螺是當(dāng)前諧振陀螺領(lǐng)域的標(biāo)桿產(chǎn)品,其發(fā)展歷程如圖2所示。

1965年,Delco工程師論證了將Byran效應(yīng)應(yīng)用于角速度測(cè)量的可行性,第一個(gè)半球諧振陀螺由此誕生[1]。隨后半球諧振陀螺研究停滯,直到1975年,NAVAIR資助Delco工程師開(kāi)發(fā)直徑58mm半球諧振陀螺Block 10,并在80年代初采用熔融石英材料制作半球諧振子(Block 20),使品質(zhì)因數(shù)超過(guò)107。在此期間,封裝技術(shù)、調(diào)平技術(shù)、鍍膜技術(shù)的發(fā)展及誤差機(jī)理的分析為半球諧振陀螺的性能提高打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。80年代Delco公司開(kāi)發(fā)了HRG158系列,并基于HRG158Y開(kāi)發(fā)了六軸冗余慣導(dǎo)系統(tǒng)Carousel-404,首次展示了半球諧振陀螺的優(yōu)異性能。該系統(tǒng)在4000h的波音747飛行測(cè)試中導(dǎo)航精度達(dá)到0.8nmi/h,且沒(méi)有一次故障。但由于第一次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)的爆發(fā),該系統(tǒng)沒(méi)能投產(chǎn)。

圖2 美國(guó)Northrop Grumman公司半球諧振陀螺發(fā)展歷程[1,11]Fig.2 The development of HRG in Northrop Grumman of the USA

20世紀(jì)80年代末,在海軍資助下,第一個(gè)30mm半球諧振子問(wèn)世。這一階段,許多關(guān)鍵技術(shù)得到發(fā)展,例如諧振子加工工藝的提高、諧振子品質(zhì)因數(shù)的進(jìn)一步提高、諧振子修形系統(tǒng)的完成、陀螺電路性能的提高等。1982年,關(guān)于半球諧振陀螺的公開(kāi)報(bào)道,激發(fā)了包括蘇聯(lián)、中國(guó)等國(guó)家在內(nèi)的其他國(guó)家相繼展開(kāi)關(guān)于半球諧振陀螺的研究。1996年,基于HRG 130Y的第一個(gè)空間慣性參考單元(Space Inertial Reference Unit,SIRU)發(fā)射升空(NEAR),其主要性能指標(biāo)如表1所示。SIRU系統(tǒng)在商用通信衛(wèi)星及土星探索項(xiàng)目CASSNI中的應(yīng)用均取得成功。

表1 HRG 130P與mHRG對(duì)比[11, 14]

20世紀(jì)90年代末,經(jīng)過(guò)一系列結(jié)構(gòu)及工藝改進(jìn),Northrop Grumman半球諧振陀螺最終確定量產(chǎn)型號(hào) HRG 130P,并開(kāi)發(fā)了基于該型號(hào)的擴(kuò)展空間慣性參考單元(Scalable Space Inertial Reference Unit,SSIRU)。

3 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

目前,美國(guó)Northrop Grumman公司的主要型號(hào)為HRG130P型半球諧振陀螺,產(chǎn)品零偏穩(wěn)定性小于0.0015(°)/h,角度隨機(jī)游走小于0.00015(°)/h1/2,角度白噪聲小于0.003 arc s/Hz1/2,比例因子短時(shí)穩(wěn)定度小于5×10-6,可靠性極高。另外,該系統(tǒng)公開(kāi)報(bào)道的零偏穩(wěn)定性達(dá)到0.0001(°)/h,角度隨機(jī)游走達(dá)到0.00002(°)/h1/2,為目前基于半球諧振陀螺的慣性系統(tǒng)產(chǎn)品中公開(kāi)報(bào)道的最高指標(biāo)。當(dāng)前,該公司慣性系統(tǒng)部門正致力于研發(fā)微型半球諧振陀螺(milli-HRG)以及基于已有空間技術(shù)的陸基慣性導(dǎo)航系統(tǒng),擬應(yīng)用于高精度指向系統(tǒng)。基于HRG 130P,研發(fā)人員對(duì)微型半球諧振陀螺結(jié)構(gòu)進(jìn)行了極大簡(jiǎn)化,核心部件個(gè)數(shù)僅為5個(gè)(如圖2右下角所示)；采用了基于低功耗元件的電路設(shè)計(jì),從而大大降低功耗。為進(jìn)一步降低成本,并提高慣性系統(tǒng)導(dǎo)航精度,近年來(lái)Northrop Grumman公司大力發(fā)展連續(xù)自校正(Self-calibration,SC)算法。該算法的核心思想是通過(guò)交換激勵(lì)檢測(cè)模態(tài),進(jìn)行陀螺零偏的自補(bǔ)償；通過(guò)跟蹤進(jìn)動(dòng)因子,進(jìn)行力平衡模式比例因子的自補(bǔ)償。測(cè)試結(jié)果表明,對(duì)于同樣的mHRG,采用自補(bǔ)償算法后長(zhǎng)時(shí)零偏穩(wěn)定性有望提高1個(gè)數(shù)量級(jí)[9-14]。HRG 130P及mHRG主要參數(shù)對(duì)比如表1所示。基于mHRG和自補(bǔ)償算法,該公司正在研發(fā)小型陸基慣性傳感單元(Inertial Sensor Assembly,ISA),如圖3所示,并稱該單元將成為今后該公司慣性技術(shù)生產(chǎn)線的核心。

圖3 Northrop Grumman公司研發(fā)中的ISAFig.3 The ISA being developed by Northrop Grumman

法國(guó)Sagem公司從20世紀(jì)90年代開(kāi)始半球諧振陀螺儀技術(shù)的研究,得到法國(guó)國(guó)家空間研究中心(CNES)和法國(guó)武器裝備部(DGA)的大力支持。目前半球諧振陀螺產(chǎn)品型號(hào)為Regys 20,其零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.01(°)/h,比例因子誤差為5×10-6,角隨機(jī)游走達(dá)到0.0001(°)/h1/2[6]。其創(chuàng)新的平面電極結(jié)構(gòu)極大地簡(jiǎn)化了陀螺加工、裝配工藝,降低了成本,如圖4所示。目前,Sagem公司已有數(shù)千個(gè)半球諧振陀螺在陸基、航海、空間及導(dǎo)彈領(lǐng)域成功應(yīng)用。例如,自2007年以來(lái),Sagem公司有超過(guò)100個(gè)半球諧振陀螺在空間成功應(yīng)用,8個(gè)軌道通信衛(wèi)星采用Sagem半球諧振陀螺軌道姿態(tài)控制系統(tǒng)；自2011年以來(lái),船用陀螺羅經(jīng)Bluenaute AHRS已經(jīng)裝配數(shù)百艘船只,如圖5所示。基于上述成功應(yīng)用,Sagem公司認(rèn)為：未來(lái)半球諧振陀螺是最有可能與光學(xué)陀螺并駕齊驅(qū)的陀螺儀。

圖4 法國(guó)Sagem公司半球諧振陀螺結(jié)構(gòu)[7]Fig.4 The structure of Sagem HRG

(a) 空間速率陀螺單元 (b) BlueNaute慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[6]圖5 法國(guó)Sagem公司代表產(chǎn)品Fig.5 Typical products of Sagem: (a) Spatial rate gyro unit; (b) BlueNaute INS

俄羅斯在半球諧振陀螺研究方面也有較為深厚的積累。理論研究方面,蘇聯(lián)科學(xué)院應(yīng)用力學(xué)研究所茹拉夫廖夫和克里莫夫的專著《固體波動(dòng)陀螺》以及馬特維耶夫教授等的著作《固體波動(dòng)陀螺》成為半球諧振陀螺研究領(lǐng)域的重要理論參考。工程技術(shù)方面,俄羅斯拉明斯克儀器設(shè)計(jì)制造局是俄羅斯最早研究半球諧振陀螺,并研發(fā)出工程樣機(jī)的單位之一。該單位早期研制直徑為100mm的半球諧振陀螺,之后研發(fā)了直徑為50mm的半球諧振陀螺,其隨機(jī)漂移達(dá)到0.005～0.001(°)/h,隨機(jī)游走達(dá)到0.005～0.01(°)/h1/2,預(yù)測(cè)壽命可達(dá)20年。2002年底,拉明斯克儀器設(shè)計(jì)制造局研制的HRG經(jīng)過(guò)嚴(yán)格論證已經(jīng)滿足武器系統(tǒng)應(yīng)用要求,考慮投入使用。蘇霍伊飛機(jī)制造公司從2003年起考慮將其某型飛機(jī)慣組系統(tǒng)全部換裝為HRG慣組系統(tǒng)。以此為基礎(chǔ),拉明斯克儀器設(shè)計(jì)制造局當(dāng)前正在研發(fā)直徑為30mm的半球諧振陀螺,擬于2016年底完成工程樣機(jī)的性能測(cè)試。

國(guó)內(nèi)半球諧振陀螺始于20世紀(jì)80年代,部分學(xué)者自1983年第一篇HRG介紹文章后,開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)理論研究。90年代主要為理論研究和原理驗(yàn)證階段,關(guān)于半球諧振陀螺的研究主要集中于半球諧振子的殼體振動(dòng)特性理論研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。1997年,國(guó)家對(duì)HRG進(jìn)行立項(xiàng),由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所進(jìn)行樣機(jī)的研制。之后,國(guó)內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)了關(guān)于半球諧振陀螺的回路控制、誤差分析、誤差補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)研究,研究單位包括哈爾濱工程大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)等。中電二十六所于2002年研制出第一批樣機(jī),工作于力平衡模式,基本具備了對(duì)角速率進(jìn)行測(cè)量的功能。該所于2003年完成第二批樣機(jī),在諧振子的加工平衡、正交控制電路設(shè)計(jì)、微弱振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)等方面取得一定進(jìn)展,其隨機(jī)漂移精度小于0.2(°)/h,靈敏度比第一批樣機(jī)提高了2個(gè)數(shù)量級(jí),提高了HRG的測(cè)量精度。隨后,該所在諧振子加工及平衡、電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面不斷改進(jìn),使半球諧振陀螺初步達(dá)到導(dǎo)航級(jí)工作性能。2015年,由該所承擔(dān)的國(guó)家863項(xiàng)目長(zhǎng)壽命高可靠半球陀螺儀順利通過(guò)驗(yàn)收,其主要性能與國(guó)外半球諧振陀螺對(duì)比如表2所示[4, 14-15]。

2012年10月,該所半球諧振陀螺儀成功完成為期2年的空間衛(wèi)星飛行實(shí)驗(yàn),擬進(jìn)一步驗(yàn)證半球諧振陀螺在軌工作壽命、可靠性和空間環(huán)境適應(yīng)能力。與此同時(shí),國(guó)內(nèi)相關(guān)單位也開(kāi)展了半球諧振陀螺的抗振性能、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化、在軌標(biāo)定、壽命預(yù)測(cè)等方面的研究[15]。

表2 國(guó)內(nèi)外半球諧振陀螺主要參數(shù)對(duì)比

4 展望

從國(guó)際,特別是美國(guó)Northrop Grumman和法國(guó)Sagem兩大巨頭發(fā)展來(lái)看,半球諧振陀螺的未來(lái)發(fā)展方向有如下趨勢(shì)：

1)推廣半球諧振陀螺在航海和陸基領(lǐng)域的應(yīng)用。半球諧振陀螺在空間領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)已毋庸置疑,其應(yīng)用向航海和陸地的推廣是必然趨勢(shì)。目前,兩大公司爭(zhēng)相推出面向航海和陸地應(yīng)用的慣性傳感單元,并作為公司的研發(fā)核心和重點(diǎn)產(chǎn)品[7,12-13]。

2)不斷減小整個(gè)系統(tǒng)的成本、體積、質(zhì)量和功耗(Cost,size,weight and power, C+SWaP)。作為一種新型固態(tài)陀螺儀,半球諧振陀螺已經(jīng)證明其可以達(dá)到導(dǎo)航級(jí)工作性能,并且在可靠性、壽命及噪聲性能方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。與光纖陀螺、激光陀螺相比,能否推廣應(yīng)用取決于同等工作性能下其C+SWaP是否具有競(jìng)爭(zhēng)力。

3) 半球諧振陀螺精度不受尺寸限制,其直接測(cè)量角度和全角模式下動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)啟發(fā)了微型半球殼諧振陀螺的發(fā)展[16],有望應(yīng)用于無(wú)GPS輔助、高動(dòng)態(tài)范圍環(huán)境下精密導(dǎo)航與制導(dǎo)。

國(guó)內(nèi)半球諧振陀螺儀在理論研究、基礎(chǔ)工藝及工程樣機(jī)性能上有所突破,但陀螺性能穩(wěn)定性、成品率、可靠性及基于半球諧振陀螺的慣性系統(tǒng)研究及應(yīng)用研究方面與國(guó)外仍有較大差距。半球諧振陀螺相關(guān)技術(shù)仍需相關(guān)研究人員刻苦攻關(guān)。

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Hemispherical Resonator Gyroscope: Current Advances and Future Trends

PAN Yao, QU Tian-liang, YANG Kai-yong, LUO Hui

(College of Optoelectronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Hemispherical resonator gyroscope(HRG)is a novel kind of solid-state gyroscope that measures angular velocity through Coriolis effect. The advantages of simple structure, high precision, low power, long lifetime, high reliability and radiation robustness make HRG the most suitable sensor for strap-down inertial navigation system especially for space applications. Not-limited by quantum effect, HRG is regarded as an important path to high-precision miniaturized gyroscopes. This paper first introduces the basic principles of HRG, followed by its development history and current advances. In the end, the future trends of HRG technology are discussed.

Hemispherical resonator gyroscope; Coriolis effect; Inertial navigation

2016-12-22；

2017-02-03

國(guó)家自然科學(xué)基金(61575220)

潘瑤(1990-), 女,博士研究生,從事諧振陀螺技術(shù)研究。E-mail：yaomeredithpan@hotmail.com

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.02.002

V241.5

A

2095-8110(2017)02-0009-05