彭 慧，方 針，譚文躍, 方海斌, 嚴(yán)隆輝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

半球諧振陀螺是繼傳統(tǒng)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)陀螺和兩光(激光、光纖)陀螺之后發(fā)展起來(lái)的一種新型高精度陀螺，具有高精度、長(zhǎng)壽命、高可靠的特點(diǎn)，是高精度慣性器件主流之一。但由于具備一些獨(dú)有的進(jìn)動(dòng)機(jī)理、精密結(jié)構(gòu)、復(fù)雜工藝等技術(shù)特征，其制作工藝過(guò)程及工作模式等與傳統(tǒng)的陀螺儀有很大的不同，研制難度很大[1]。目前，僅有美國(guó)、法國(guó)和中國(guó)研制出正式產(chǎn)品并在工程型號(hào)中得到成功應(yīng)用，處于世界領(lǐng)先地位。俄羅斯雖然起步較早，但由于各種原因，目前尚未開(kāi)展大規(guī)模應(yīng)用[2]。由于高技術(shù)壁壘的封鎖，相互間交流有限，因而世界各國(guó)在研制過(guò)程中采用了不同的結(jié)構(gòu)形式和工藝路線，并根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，開(kāi)發(fā)了不同的控制工作模式。文章從各國(guó)半球諧振陀螺的發(fā)展情況出發(fā)，分析了其在結(jié)構(gòu)、控制電路、工作模式以及應(yīng)用領(lǐng)域上的差異，提出了我國(guó)半球諧振陀螺的發(fā)展方向，以推進(jìn)其技術(shù)的發(fā)展。

1 各國(guó)半球諧振陀螺的研制狀況

1.1 美國(guó)的半球諧振陀螺

1975年，在美國(guó)海軍的支持下，美國(guó)Delco公司采用低阻尼的熔融石英為諧振子材料，開(kāi)始了半球諧振陀螺的研制歷程[3]，先后研制了Φ58mm的Block 10、Block 20、Block 30、 HRG158等型號(hào)。通過(guò)激光去除質(zhì)量的諧振子平衡裝置、更新電路系統(tǒng)、改進(jìn)工藝等，成功研制出體積更小、精度更高的HRG130系列。在應(yīng)用方面，聯(lián)合波音商用運(yùn)輸機(jī)，對(duì)捷聯(lián)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，并獲得成功。1994年，Litton公司收購(gòu)了Delco公司的慣性事業(yè)部，并對(duì)半球諧振陀螺投入了大量的資源支持，陀螺儀性能得到全面提升，產(chǎn)品也開(kāi)始向更多應(yīng)用領(lǐng)域拓展。通過(guò)優(yōu)化電極配置、采用新材料、減小尺寸等措施研制的HRG130R，可滿足石油鉆井行業(yè)對(duì)極端工作溫度(-40℃～155℃)、承受惡劣環(huán)境(500g沖擊，30g-RMS隨機(jī)振動(dòng))的需求；通過(guò)金屬殼密封，消除氮滲漏問(wèn)題，HRG130P一度成為主推產(chǎn)品；Hubble HRG通過(guò)改進(jìn)封裝工藝，最大限度地減少了輸出噪聲及熱干擾，最終滿足了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的需求。

圖1 Northrop Grumman公司三件套結(jié)構(gòu)Fig.1 A three-piece structure of Northrop Grumman HRG

圖2 Northrop Grumman公司 mHRG結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of Northrop Grumman mHRG

1.2 法國(guó)的半球諧振陀螺

法國(guó)Sagem公司的半球諧振陀螺相比其他國(guó)家的陀螺儀，采用的是兩件套結(jié)構(gòu)，部件數(shù)量少，保證了其高可靠性。在慣導(dǎo)級(jí)陀螺儀中，半球諧振陀螺的體積、質(zhì)量、功耗最??；對(duì)振動(dòng)、溫度環(huán)境不敏感，抗沖擊(大于2000g)。在控制電路上，Sagem公司的半球諧振陀螺采用了全角控制方式，通過(guò)控制電路，實(shí)現(xiàn)陀螺工作寬范圍，以及陀螺誤差(漂移、標(biāo)度因素)在線自標(biāo)定。據(jù)國(guó)外報(bào)道，Sagem公司已交付數(shù)千顆半球諧振陀螺[7]，其開(kāi)發(fā)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)成功應(yīng)用于航天、陸地、海洋和太空，滿足民用和國(guó)防應(yīng)用要求。

法國(guó)Sagem公司已有多個(gè)半球諧振陀螺用于姿軌控系統(tǒng)，并且還未有故障及性能下降的記錄。在航海領(lǐng)域，BlueNaute半球諧振陀螺姿態(tài)導(dǎo)航系統(tǒng)以其高可靠、免維護(hù)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)5a的運(yùn)行反饋和百萬(wàn)小時(shí)的運(yùn)行時(shí)間驗(yàn)證，平均故障間隔時(shí)間(Mean Time Between Failure, MTBF)超過(guò)250000h。在陸用戰(zhàn)術(shù)級(jí)武器上，Sagem 20型半球諧振陀螺具有良好的機(jī)械抗震能力，構(gòu)建質(zhì)量為4.5kg的慣導(dǎo)系統(tǒng)，方位精度為1mil。目前量產(chǎn)的陸風(fēng)多角色戰(zhàn)斗機(jī)空對(duì)地武器Hammer中也使用了半球諧振陀螺[8]，其任務(wù)成功率高達(dá)99%。一款Primus型半球諧振陀螺構(gòu)建的慣導(dǎo)系統(tǒng)質(zhì)量?jī)H為420g，是目前為止最輕的導(dǎo)航級(jí)慣導(dǎo)系統(tǒng)。小體積低功耗特性的精密方位角和垂直角度模塊(PAVAM)，質(zhì)量?jī)H為420g，功耗低于5W，用于手持長(zhǎng)距離多功能紅外望遠(yuǎn)鏡。在商用的客機(jī)中，Sagem公司也開(kāi)發(fā)了基于半球諧振陀螺的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，質(zhì)量為3kg，在飛行中已經(jīng)體現(xiàn)良好的慣性性能。根據(jù)報(bào)道，歐洲新的太空發(fā)射器Ariance6 選擇了半球諧振陀螺的太空定位系統(tǒng)，選擇的原因也是因?yàn)榘肭蛑C振陀螺天生的抗空間輻射特性，以及優(yōu)越的尺寸、質(zhì)量和功耗(Size Weight and Power consumption , SWaP)特性[9]。

圖3 Sagem公司兩件套結(jié)構(gòu)Fig.3 A two-piece structure of Sagem HRG

法國(guó)Sagem公司的半球諧振陀螺已廣泛應(yīng)用于航天、陸地、海洋和太空[10]，其出色的性能及環(huán)境適應(yīng)性，使得國(guó)內(nèi)外對(duì)半球諧振陀螺的關(guān)注度越來(lái)越高。

1.3 俄羅斯的半球諧振陀螺

俄羅斯自20世紀(jì)80年代早期開(kāi)始半球諧振陀螺的探索與研制，具有很強(qiáng)的理論研究基礎(chǔ)。拉明斯基儀表制造設(shè)計(jì)局早期研制了直徑為100mm的半球諧振陀螺，進(jìn)入20世紀(jì)90年代，又開(kāi)發(fā)了直徑為50mm的半球諧振陀螺，其零偏穩(wěn)定性達(dá)到0.005～0.01(°)/h。

俄羅斯米亞斯梅吉科科研生產(chǎn)所開(kāi)發(fā)了直徑為30mm的半球諧振陀螺，應(yīng)用于衛(wèi)星天線穩(wěn)定系統(tǒng)和組合慣性單元。通過(guò)簡(jiǎn)化石英敏感元件的結(jié)構(gòu)和研制相應(yīng)的控制系統(tǒng)技術(shù)，成功控制了產(chǎn)品成本，拓展了半球諧振陀螺的應(yīng)用范圍。采用半球諧振陀螺研發(fā)出的石油鉆井勘探用斜儀具有較高的性能，能滿足其低成本、小尺寸、低功耗的要求，可承受極端溫度和沖擊，見(jiàn)圖4。

圖4 石油鉆井勘探用半球諧振陀螺斜儀Fig.4 HRG inclinometer for oil drilling exploration

米亞斯梅吉科科研生產(chǎn)所在半球諧振陀螺的制作工藝技術(shù)領(lǐng)域具有獨(dú)特的技術(shù)專長(zhǎng)[11]。從1995年開(kāi)始，專注于開(kāi)展工藝技術(shù)研究，解決半球諧振陀螺研制中的工藝技術(shù)問(wèn)題，其獨(dú)有的離子束調(diào)平技術(shù)，為提高半球諧振陀螺精度、減小陀螺噪聲、抑制漂移干擾發(fā)揮了重要作用。近年來(lái)，米亞斯梅吉科科研生產(chǎn)所還研制了兩件套結(jié)構(gòu)的半球諧振陀螺，如圖5和圖6所示，并在此基礎(chǔ)上研制了三軸角速度傳感器，如圖7所示。

圖5 兩件套結(jié)構(gòu)件Fig.5 A two-piece structure of Medicon HRG

圖6 兩件套半球諧振陀螺Fig.6 A two-piece structure of Medicon HRG

圖7 三軸角速度傳感器Fig.7 Triaxial angular velocity sensor

1.4 中國(guó)的半球諧振陀螺

我國(guó)的半球諧振陀螺研究開(kāi)始于20世紀(jì)80年代末期，先后有北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所(以下簡(jiǎn)稱中電二十六所)等單位開(kāi)展了半球諧振陀螺的研究工作，對(duì)基礎(chǔ)理論、加工工藝、信號(hào)處理等方面進(jìn)行了不同側(cè)重的研究，取得了一定的成效，有了良好的開(kāi)端。后續(xù)，天津航海儀器研究所、上海航天控制技術(shù)研究所、北京控制工程研究所、國(guó)防科技大學(xué)等單位也開(kāi)展了加工工藝、振動(dòng)模型、誤差補(bǔ)償、控制電路的相關(guān)研究。

我國(guó)的半球諧振陀螺應(yīng)用背景起于衛(wèi)星，最初采用的全角控制方式，開(kāi)發(fā)的第一個(gè)樣機(jī)也是全角方式。后來(lái)針對(duì)航天用戶的實(shí)際工作模式，需要在較小的速率范圍內(nèi)滿足高精度敏感要求，因此，目前國(guó)內(nèi)的半球諧振陀螺采用的是力平衡控制方式。

力平衡模式下的半球諧振陀螺的控制電路包括3個(gè)基本的控制回路[12]：幅度控制回路確定了半球諧振陀螺中儲(chǔ)存的動(dòng)量和速率刻度因子；正交控制回路用于抑制兩軸之間微小的頻率失配引起的正交振動(dòng)；速率控制回路利用速率激勵(lì)使陀螺振子振形穩(wěn)定在固定位置。

半球諧振陀螺控制電路目前采用的是數(shù)?；旌想娐?，由于陀螺前級(jí)讀出放大電路很難用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，所以采用模擬電路實(shí)現(xiàn)第一級(jí)的緩沖電路。后續(xù)電路采用數(shù)字信號(hào)處理的方式對(duì)波腹點(diǎn)和波節(jié)點(diǎn)的信號(hào)做傅立葉變換[13]，得到二者的相位差，從而解調(diào)出陀螺旋轉(zhuǎn)的角度和正交振動(dòng)的大小。這種方式可以進(jìn)一步降低陀螺敏感到的角速率輸出信號(hào)中的白噪聲，有效去除失調(diào)電壓對(duì)零偏穩(wěn)定性指標(biāo)的影響。表1為各報(bào)告中的陀螺指標(biāo)。

表1 國(guó)內(nèi)外半球諧振陀螺指標(biāo)比較

我國(guó)半球諧振陀螺的衛(wèi)星應(yīng)用型號(hào)產(chǎn)品的研制從2009年開(kāi)始，經(jīng)過(guò)潛心3年的研制，2012年10月[14]，我國(guó)在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功將實(shí)踐-9號(hào)衛(wèi)星發(fā)射升空并送入預(yù)定轉(zhuǎn)移軌道，半球諧振陀螺姿態(tài)敏感器(圖8)也隨之開(kāi)始了在軌運(yùn)行試驗(yàn)，并成功完成衛(wèi)星閉環(huán)控制試驗(yàn)。截至目前，半球諧振陀螺姿態(tài)敏感器已隨實(shí)踐-9號(hào)衛(wèi)星安全在軌運(yùn)行接近7年。

圖8 實(shí)踐-9號(hào)衛(wèi)星半球諧振陀螺姿態(tài)敏感器實(shí)物圖Fig.8 SJ-9 satellite HRG IMU

近年來(lái)，中電二十六所為衛(wèi)星用戶提交了大量半球諧振陀螺產(chǎn)品。2017年1月5日，半球諧振陀螺首次在型號(hào)任務(wù)衛(wèi)星——通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星二號(hào)上得到成功應(yīng)用[15]，開(kāi)機(jī)以來(lái)在軌運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求。此次成功應(yīng)用是我國(guó)半球諧振陀螺技術(shù)首次進(jìn)入衛(wèi)星平臺(tái)核心控制領(lǐng)域。2018年5月，半球諧振陀螺再次隨高分五號(hào)衛(wèi)星發(fā)射升空[16]，開(kāi)啟新的應(yīng)用。

目前，半球諧振陀螺也在開(kāi)展以其為關(guān)鍵部件的某衛(wèi)星平臺(tái)的研制工作，不久的將來(lái)，半球諧振陀螺將批量應(yīng)用在衛(wèi)星平臺(tái)，有利于提高我國(guó)衛(wèi)星的壽命和可靠性。

2 國(guó)內(nèi)外半球諧振陀螺的差異

目前，國(guó)外半球諧振陀螺主要生產(chǎn)廠家為美國(guó)的Northrop Grumman以及法國(guó)賽峰集團(tuán)旗下的Sagem公司，國(guó)內(nèi)目前有成熟產(chǎn)品的是中電二十六所，產(chǎn)品從結(jié)構(gòu)、控制電路方式、應(yīng)用等各有差異。

2.1 基本結(jié)構(gòu)

美國(guó)Northrop Grumman的早期產(chǎn)品HRG130P采用了典型的三件套結(jié)構(gòu)，分為激勵(lì)罩、半球形振子和敏感讀出基座，陀螺的控制和信號(hào)檢測(cè)讀出采取對(duì)不同的部位分別進(jìn)行處理。其特征是信號(hào)處理流程單純，機(jī)理清晰，但同時(shí)帶來(lái)加工工藝的繁瑣，零件精密裝配難度增大。

為減少加工難度，法國(guó)Sagem公司采用平板電極方式[17]，將部件個(gè)數(shù)減少到2個(gè)，提高了加工工藝效率，降低了生產(chǎn)成本，提高了可靠性。采用信號(hào)復(fù)用方式進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)與控制，但同時(shí)也帶來(lái)了控制機(jī)理的變異、電子信號(hào)處理難度增大的問(wèn)題，還存在較強(qiáng)的信號(hào)干擾等問(wèn)題。

俄羅斯研究的半球諧振陀螺也同樣采取了2個(gè)部件的結(jié)構(gòu)方式，但結(jié)構(gòu)上仍運(yùn)用球面電極處理方式，在電極結(jié)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)處理等方面又有較大的不同。俄羅斯產(chǎn)品在低功耗方面有著較大的優(yōu)勢(shì)。

國(guó)內(nèi)的半球諧振陀螺也采用了三件套結(jié)構(gòu)方式，但在部件結(jié)構(gòu)、電極的分布、信號(hào)的檢測(cè)等方面有著不同的設(shè)計(jì)思路。

法國(guó)Sagem公司采用的兩件套結(jié)構(gòu)使得其產(chǎn)品在SWAP特性上有較大的優(yōu)勢(shì)，小型化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也是半球諧振陀螺發(fā)展的方向之一。

2.2 電路控制方式

美國(guó)Northrop Grumman公司的產(chǎn)品采用角速率力反饋平衡控制方式，也是大量已應(yīng)用產(chǎn)品的主要工作模式。

法國(guó)Sagem公司采用了全角控制方式，實(shí)現(xiàn)了陀螺誤差(漂移、標(biāo)度因數(shù))的在線自標(biāo)定技術(shù)。

俄羅斯產(chǎn)品也采用了力反饋平衡控制方式，但在信號(hào)控制流程上有著較大的不同。

國(guó)內(nèi)的半球諧振陀螺最初采用全角控制方式，并開(kāi)發(fā)出完整的功能產(chǎn)品，后期為了滿足衛(wèi)星工程的小速率、高精度需求，改為力平衡控制方式，在實(shí)現(xiàn)高精度的同時(shí)，也兼顧了信號(hào)接口、系統(tǒng)控制模型一致性等衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的要求。

結(jié)合國(guó)內(nèi)除宇航外其他裝備的需求，為了擴(kuò)大半球諧振陀螺的應(yīng)用范圍，提高陀螺的工作性能和動(dòng)態(tài)范圍，又開(kāi)展了全新的全角模式控制方式研究工作。

2.3 應(yīng)用領(lǐng)域

半球諧振陀螺的空間應(yīng)用在美國(guó)已經(jīng)相當(dāng)成熟，從1996年至今，半球諧振陀螺已參與許多太空項(xiàng)目，包括：小行星登陸(NEAR，1996—2000年)、土星環(huán)繞(CASSINI，1997—2008年)、 哈勃太空望遠(yuǎn)鏡、NASA的NEAR等。在這些前沿的宇宙空間探測(cè)項(xiàng)目中，半球諧振陀螺無(wú)一不表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，證實(shí)了半球諧振陀螺是作為空間探測(cè)任務(wù)慣性器件的最佳選擇。同一時(shí)期，美國(guó)半球諧振陀螺也開(kāi)展了戰(zhàn)略導(dǎo)彈、商業(yè)航天器等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

由文章前面所述，法國(guó)Sagem公司的半球諧振陀螺已廣泛成功應(yīng)用于航天、陸地、海洋和太空，產(chǎn)品形式多樣。而國(guó)內(nèi)目前的成熟產(chǎn)品主要用于衛(wèi)星，包括航空、船舶、車輛等其他領(lǐng)域的應(yīng)用工作也正在大力開(kāi)展。

2.4 技術(shù)發(fā)展

隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，微型化成為半球諧振陀螺發(fā)展的熱門話題。微型半球諧振陀螺是利用半導(dǎo)體工藝，在硅或石英玻璃材料基底上，采用半導(dǎo)體工藝，加工出微型的3D半球形球殼，其工作機(jī)理基于傳統(tǒng)的半球諧振陀螺原理，可以同時(shí)兼顧陀螺產(chǎn)品的小型化、高性能。

國(guó)外多個(gè)研究單位，如密西根大學(xué)、加州大學(xué)、Honeywell公司、耶魯大學(xué)、DARPA實(shí)驗(yàn)室、佐治亞理工學(xué)院等[18]，開(kāi)展了微型半球諧振陀螺的相關(guān)研究工作，開(kāi)發(fā)出了多種半球殼體及激勵(lì)檢測(cè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵制作工藝。微型半球諧振陀螺的微加工工藝可分為微吹制法[19]、犧牲層法[20]、精加工法[21]。微吹制法、犧牲層法為MEMS工藝，相比精加工法，更適合批量生產(chǎn)，降低成本。國(guó)外已成功制作出陀螺樣品，零偏穩(wěn)定性達(dá)到0.0391(°)/h[22]，諧振子直徑僅5mm左右，目前還處于實(shí)驗(yàn)室陀螺樣機(jī)階段，還未開(kāi)展試用。

國(guó)內(nèi)如國(guó)防科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、清華大學(xué)、兵器214所、南京理工、東南大學(xué)、中電二十六所等多家單位已組建專門研究團(tuán)隊(duì)實(shí)施微半球諧振陀螺研究。國(guó)防科技大學(xué)采用旋轉(zhuǎn)基片火焰吹制工藝方法及平面外電極結(jié)構(gòu)[23]，并創(chuàng)新設(shè)計(jì)出了半球諧振子T形質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，用于諧振子質(zhì)量不對(duì)稱的修調(diào)及增加激勵(lì)檢測(cè)電容，這些技術(shù)有效降低了吹制過(guò)程中溫度場(chǎng)不對(duì)稱性對(duì)球殼唇緣圓的影響，減小了振動(dòng)模態(tài)的頻差，有效提高了諧振子的品質(zhì)因數(shù)。目前，國(guó)內(nèi)少部分單位已制作出諧振子樣品及陀螺樣品，但性能還待提高。

3 結(jié)束語(yǔ)

半球諧振陀螺的研究工作在國(guó)外已經(jīng)發(fā)展了近40年，國(guó)內(nèi)也已有20年。隨著其不斷擴(kuò)展的成功應(yīng)用，國(guó)內(nèi)的半球諧振陀螺將從結(jié)構(gòu)、電路控制方式等方面進(jìn)行研發(fā)，縮小與國(guó)外技術(shù)的差距，同時(shí)也正致力于戰(zhàn)略平臺(tái)、船舶等更廣闊領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)發(fā)工作。半球諧振陀螺的技術(shù)發(fā)展正向小型化、高性能、高可靠發(fā)展，微型半球諧振陀螺的研究也正在國(guó)內(nèi)外如火如荼的開(kāi)展，技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，只有快速攻克諧振子工藝、控制環(huán)路、信號(hào)提取及補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，才能與時(shí)俱進(jìn)，早日實(shí)現(xiàn)半球諧振陀螺的廣闊應(yīng)用。