潘 瑤,曲天良,楊開勇,羅 暉

(國防科技大學光電科學與工程學院,長沙 410073)

半球諧振陀螺研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

潘 瑤,曲天良,楊開勇,羅 暉

(國防科技大學光電科學與工程學院,長沙 410073)

半球諧振陀螺是基于哥氏效應(yīng)測量角速度的新型固態(tài)陀螺,具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、功耗低、壽命長、可靠性好、抗空間輻射等優(yōu)點,是捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的理想陀螺儀,在宇航領(lǐng)域具有獨特的應(yīng)用優(yōu)勢。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內(nèi)外研究現(xiàn)狀,最后對半球諧振陀螺的發(fā)展趨勢進行了展望。

半球諧振陀螺；哥氏效應(yīng)；慣性導航

0 引言

近年來,隨著我國航空航天等領(lǐng)域的空前發(fā)展,對可用于高精度、高可靠性、長壽命慣性導航系統(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 60 年代出現(xiàn)的一種新型陀螺。與傳統(tǒng)機械陀螺相比,它結(jié)構(gòu)簡單,沒有磨損部件(機械轉(zhuǎn)子、光源等),無需后期維護；不需預熱,啟動時間短；具有很強的抗沖擊能力,能承受大的機動過載(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)境下長時間工作的裝備中使用[1]。與當下激光陀螺和光纖陀螺相比,半球諧振陀螺結(jié)構(gòu)簡單、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現(xiàn)高精度、小型化、低成本的陀螺儀。例如,近20年,美國在其空間任務(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)造了累計空間飛行3000萬小時無一故障的記錄(2015年2月),充分表明其空間應(yīng)用的獨特優(yōu)勢[2]。法國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、導彈、陸用慣導及空間慣導系統(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)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。

我國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度,開發(fā)基于半球諧振陀螺的慣性系統(tǒng),對于滿足我國空天領(lǐng)域關(guān)于高精度、長壽命、高可靠性慣性導航系統(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,英國物理學家G.H.Byran發(fā)現(xiàn)敲擊并旋轉(zhuǎn)酒杯,會聽到“差拍”,表明酒杯中的駐波相對空間旋轉(zhuǎn)；由于駐波的慣性,其轉(zhuǎn)動以一定比例滯后于酒杯的轉(zhuǎn)動。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)測量角速度[8]。

如圖1所示,半球諧振子振動于最低階彎曲模態(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,即如果半球殼轉(zhuǎn)過90°,振型轉(zhuǎn)動將落后約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,檢測電極直接讀出駐波相對于殼體的位置,比例因子只與幾何進動因子有關(guān),因此十分穩(wěn)定(10-6量級)；由于駐波可相對于殼體自由進動,因而陀螺具有很大的動態(tài)范圍。力平衡模式下,通過反饋控制使駐波相對殼體位置固定,控制所需電壓與角速度成比例。相對于全角模式,力平衡模式的測量精度高、噪聲性能和零偏穩(wěn)定性較好,但動態(tài)范圍較小。兩種模式各有優(yōu)缺,應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場合合理選擇：高速情況下首選全角模式,而低速高精度測量首選力平衡模式[1]。

2 半球諧振陀螺發(fā)展歷程

美國Northrop Grumman公司的半球諧振陀螺是當前諧振陀螺領(lǐng)域的標桿產(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)用于角速度測量的可行性,第一個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)展及誤差機理的分析為半球諧振陀螺的性能提高打下堅實基礎(chǔ)。80年代Delco公司開發(fā)了HRG158系列,并基于HRG158Y開發(fā)了六軸冗余慣導系統(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飛行測試中導航精度達到0.8nmi/h,且沒有一次故障。但由于第一次海灣戰(zhàn)爭的爆發(fā),該系統(tǒng)沒能投產(chǎn)。

圖2 美國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80年代末,在海軍資助下,第一個30mm半球諧振子問世。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報道,激發(fā)了包括蘇聯(lián)、中國等國家在內(nèi)的其他國家相繼展開關(guān)于半球諧振陀螺的研究。1996年,基于HRG 130Y的第一個空間慣性參考單元(Space Inertial Reference Unit,SIRU)發(fā)射升空(NEAR),其主要性能指標如表1所示。SIRU系統(tǒng)在商用通信衛(wèi)星及土星探索項目CASSNI中的應(yīng)用均取得成功。

表1 HRG 130P與mHRG對比[11, 14]

20世紀90年代末,經(jīng)過一系列結(jié)構(gòu)及工藝改進,Northrop Grumman半球諧振陀螺最終確定量產(chǎn)型號 HRG 130P,并開發(fā)了基于該型號的擴展空間慣性參考單元(Scalable Space Inertial Reference Unit,SSIRU)。

3 國內(nèi)外研究進展

目前,美國Northrop Grumman公司的主要型號為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,比例因子短時穩(wěn)定度小于5×10-6,可靠性極高。另外,該系統(tǒng)公開報道的零偏穩(wěn)定性達到0.0001(°)/h,角度隨機游走達到0.00002(°)/h1/2,為目前基于半球諧振陀螺的慣性系統(tǒng)產(chǎn)品中公開報道的最高指標。當前,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)的陸基慣性導航系統(tǒng),擬應(yīng)用于高精度指向系統(tǒng)?；贖RG 130P,研發(fā)人員對微型半球諧振陀螺結(jié)構(gòu)進行了極大簡化,核心部件個數(shù)僅為5個(如圖2右下角所示)；采用了基于低功耗元件的電路設(shè)計,從而大大降低功耗。為進一步降低成本,并提高慣性系統(tǒng)導航精度,近年來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交換激勵檢測模態(tài),進行陀螺零偏的自補償；通過跟蹤進動因子,進行力平衡模式比例因子的自補償。測試結(jié)果表明,對于同樣的mHRG,采用自補償算法后長時零偏穩(wěn)定性有望提高1個數(shù)量級[9-14]。HRG 130P及mHRG主要參數(shù)對比如表1所示?；趍HRG和自補償算法,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Sagem公司從20世紀90年代開始半球諧振陀螺儀技術(shù)的研究,得到法國國家空間研究中心(CNES)和法國武器裝備部(DGA)的大力支持。目前半球諧振陀螺產(chǎn)品型號為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,角隨機游走達到0.0001(°)/h1/2[6]。其創(chuàng)新的平面電極結(jié)構(gòu)極大地簡化了陀螺加工、裝配工藝,降低了成本,如圖4所示。目前,Sagem公司已有數(shù)千個半球諧振陀螺在陸基、航海、空間及導彈領(lǐng)域成功應(yīng)用。例如,自2007年以來,Sagem公司有超過100個半球諧振陀螺在空間成功應(yīng)用,8個軌道通信衛(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,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?；谏鲜龀晒?yīng)用,Sagem公司認為：未來半球諧振陀螺是最有可能與光學陀螺并駕齊驅(qū)的陀螺儀。

圖4 法國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慣性導航系統(tǒng)[6]圖5 法國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)科學院應(yīng)用力學研究所茹拉夫廖夫和克里莫夫的專著《固體波動陀螺》以及馬特維耶夫教授等的著作《固體波動陀螺》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,其隨機漂移達到0.005～0.001(°)/h,隨機游走達到0.005～0.01(°)/h1/2,預測壽命可達20年。2002年底,拉明斯克儀器設(shè)計制造局研制的HRG經(jīng)過嚴格論證已經(jīng)滿足武器系統(tǒng)應(yīng)用要求,考慮投入使用。蘇霍伊飛機制造公司從2003年起考慮將其某型飛機慣組系統(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)計制造局當前正在研發(fā)直徑為30mm的半球諧振陀螺,擬于2016年底完成工程樣機的性能測試。

國內(nèi)半球諧振陀螺始于20世紀80年代,部分學者自1983年第一篇HRG介紹文章后,開始進行相關(guān)理論研究。90年代主要為理論研究和原理驗證階段,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特性理論研究及實驗驗證。1997年,國家對HRG進行立項,由中國電子科技集團公司第二十六研究所進行樣機的研制。之后,國內(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、誤差補償?shù)南嚓P(guān)研究,研究單位包括哈爾濱工程大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京航空航天大學、國防科學技術(shù)大學等。中電二十六所于2002年研制出第一批樣機,工作于力平衡模式,基本具備了對角速率進行測量的功能。該所于2003年完成第二批樣機,在諧振子的加工平衡、正交控制電路設(shè)計、微弱振動信號檢測等方面取得一定進展,其隨機漂移精度小于0.2(°)/h,靈敏度比第一批樣機提高了2個數(shù)量級,提高了HRG的測量精度。隨后,該所在諧振子加工及平衡、電路的優(yōu)化設(shè)計方面不斷改進,使半球諧振陀螺初步達到導航級工作性能。2015年,由該所承擔的國家863項目長壽命高可靠半球陀螺儀順利通過驗收,其主要性能與國外半球諧振陀螺對比如表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)星飛行實驗,擬進一步驗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,國內(nèi)相關(guān)單位也開展了半球諧振陀螺的抗振性能、動態(tài)性能優(yōu)化、在軌標定、壽命預測等方面的研究[15]。

表2 國內(nèi)外半球諧振陀螺主要參數(shù)對比

4 展望

從國際,特別是美國Northrop Grumman和法國Sagem兩大巨頭發(fā)展來看,半球諧振陀螺的未來發(fā)展方向有如下趨勢：

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)勢已毋庸置疑,其應(yīng)用向航海和陸地的推廣是必然趨勢。目前,兩大公司爭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)核心和重點產(chǎn)品[7,12-13]。

2)不斷減小整個系統(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)證明其可以達到導航級工作性能,并且在可靠性、壽命及噪聲性能方面具有獨特優(yōu)勢。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是否具有競爭力。

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

國內(nèi)半球諧振陀螺儀在理論研究、基礎(chǔ)工藝及工程樣機性能上有所突破,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

國家自然科學基金(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