半球諧振陀螺技術發展趨勢

賈智學，付麗萍，任佳婧

（1.陜西航天時代導航設備有限公司，寶雞721006；2.中國航天科技集團有限公司，北京100048）

0 引言

半球諧振陀螺（Hemispherical Resonator Gyroscope，HRG）是基于哥氏振動原理具有慣導級性能的高精度新型固體振動陀螺，利用半球唇殼的徑向振動駐波進動效應感測基座旋轉。具有結構簡單、高精度、長壽命、高可靠、抗輻射的特點，有良好的振動沖擊性能、溫度特性，具有獨特關機運行和抗輻射能力，漂移精度達到0.0001（°）／h，壽命可達15年。半球陀螺獨特的優勢在空間領域有廣闊的應用前景，如衛星或空間飛行器慣性測量單元、姿態穩定控制。

哥氏振動陀螺不僅具有所有慣性儀表的品質，而且與 “兩光”陀螺比較，有小型化的優勢。國際電子電氣工程協會 （IEEE）編制了哥氏振動陀螺規范指南與試驗程序，哥氏振動陀螺被列入具有極大發展潛力的新型固態陀螺，受到國際慣性技術界的重視。

1 半球諧振陀螺優勢

1.1 結構簡單

半球諧振陀螺主要包括石英諧振子、激勵罩和敏感基座3個部分，圖1為美國Northrop Grumman HRG130P半球諧振陀螺結構圖。

1.2 高可靠性

半球諧振陀螺是振動陀螺的一種，相比較其他類型的慣性器件，如液浮式陀螺、動調式陀螺、激光光纖陀螺等，零件數目減少很多，提高了可靠性。各類陀螺零件對比如圖2所示。

圖2 各類陀螺零件數比較圖Fig.2 Comparison of parts of all kinds of gyroscopes

截至2012年，有135顆衛星應用半球諧振陀螺系統，累計在空間無故障工作2×107h，無一失效。

1.3 高精度

半球諧振陀螺在其結構簡單、體積小的情況下，仍能做到0.0001（°）／h的高精度，較石英陀螺、硅基微陀螺精度高很多。針對航天衛星任務需求，以及新一代戰略武器的長距離、高精度的技術要求，半球諧振陀螺具有獨特的優勢。

從圖3可以看出，半球諧振陀螺覆蓋宇航、戰略、戰術等應用領域，具有長壽命、高可靠的特點，是21世紀最具前景的陀螺技術之一。

圖3 HRG零偏穩定性Fig.3 Bias stability of HRG

2 工作原理

半球諧振陀螺機理是基于哥氏力，通過半球諧振子唇緣駐波進動效應測量基座旋轉的新型振動陀螺。半球諧振子在靜電力驅動下產生二節駐波，振動是四波幅振動，駐波由4個波腹和4個波節組成。如圖4所示，當基座靜止時，波腹和波節位置保持不變；當基座轉動時，駐波發生進動，進動角度為基座旋轉角度的30%。通過檢測波節出駐波振動分量幅值和相位，就可得出旋轉角度或角速率。

圖4 工作原理圖Fig.4 Working principle of HRG

3 關鍵技術

3.1 諧振子精密加工

半球陀螺的基座、諧振子和外罩均為熔融石英，材料具有極低的熱膨脹系數、極好的化學穩定性、極高的品質因數，但材料硬度高而脆，對于諧振子異型薄殼內外球面同心度、圓度等形位公差要求在3μm以內，對加工設備、工藝方法要求很高。精密加工后的石英諧振子如圖5所示。

圖5 精密加工的諧振子圖Fig.5 Precision machined harmonic oscillator

3.2 球面鍍膜技術

在球殼的雙面均勻鍍膜，激勵罩、讀出基座相應電極位置進行金屬化處理，形成激勵電容施加靜電控制以及讀出電容檢測諧振子波形。鍍膜效果如圖6所示，球面鍍膜技術的關鍵在于鍍膜的均勻性和相應電極位置的準確性，稍有偏差就會對陀螺的精度產生影響。

圖6 鍍膜效果圖Fig.6 Diagram of coating effect

3.3 諧振子調平技術

加工出的石英諧振子與理想的對稱形狀總是存在一些偏差，實際加工出來的諧振子具有圓柱度和同軸度超差的現象，普遍存在著諧振子質量分布不平衡等，這樣導致諧振子頻率裂解增大。而高精度的陀螺要求頻率差小于0.01Hz，質量的差異小于0.1mg，也就是說差異越小越好，對稱的程度影響著陀螺的精度。

圖7 陀螺穩定性與裂解頻率的關系圖Fig.7 Relationship between the frequency mismatch and the stability of gyroscope

從圖7可以看出，當阻尼ε一定時，縱坐標漂移隨橫坐標裂解頻率減小而成線性減小。裂解頻率提高一個量級，漂移也會隨著提高一個量級。而高精度陀螺的裂解頻率要在0.001Hz這個值附近，這就具有一定的難度。

3.4 驅動與信號檢測技術

HRG采用靜電驅動、電容檢測，敏感模態信號微弱對驅動控制和敏感系統要求很高，陀螺驅動信號的中心頻率和幅值的穩定控制也非常重要。

4 國內外半球陀螺發展現狀

4.1 國外研究情況

20世紀60年代，美國開始研究半球陀螺。20世紀90年代，開始采用基于HRG130P半球陀螺系統執行NEAR著陸小行星任務。2001年，完成觸地著陸，實現人類首次小行星軟著陸。之后，又執行了CASSINI環土星任務、水星探測任務、DEEPIMPACT撞擊彗星任務等。2009年，哈勃望遠鏡上的氣體軸承的液浮陀螺全部被半球諧振陀螺替換，哈勃望遠鏡測試陀螺性能零偏穩定性為0.00008（°）／h。 圖8為美國半球諧振陀螺的研制進程，表1為某半球諧振陀螺的技術參數。

圖8 美國HRG研制進程圖Fig.8 Development process of American HRG

表1 半球諧振陀螺的技術參數Table 1 Technical parameters of HRG

莫斯科鮑曼國立技術大學在半球諧振陀螺理論基礎方面進行了深入研究，出版關于半球諧振陀螺的專著，并在諧振子調平方法、漂移模型和信號采集系統實現提出獨特的見解。拉明斯克設計局在20世紀90年代研制了直徑為Φ50mm和Φ100mm的半球諧振陀螺，隨機漂移精度達到0.005（°）／h～0.01（°）／h。 梅吉科科研所研制了直徑為Φ30mm的HRG，開發獨特調平技術，產品用于石油探測，如圖9所示。

圖9 石油測斜儀Fig.9 Oil logging tool

法國的SAGEM公司研發了REGYS20半球諧振陀螺，優化諧振子結構進一步小型化，適應批生產要求，年生產5000只半球諧振陀螺。目前，形成了陸地導航系統、船用羅經、機載慣性系統、空間導航等系列產品。2014年，8顆衛星在軌運行，超過100只半球諧振陀螺應用在空間領域。截止2016年，超過4000只半球諧振陀螺應用在Hamner戰術導彈上。圖10為某半球諧振陀螺結構圖。

圖10 半球諧振陀螺結構圖Fig.10 Structure of HRG

4.2 國內研究情況

國內對半球諧振陀螺的研制起步比較晚，中電26所從20世紀90年代初開始研制，經過20多年的研究，已能夠生產出滿足衛星應用的半球諧振陀螺，精度可達 0.02（°）／h。2012年，國產半球諧振陀螺已應用在在軌運行的空間衛星上，如圖11所示。

圖11 國內HRG陀螺的應用Fig.11 Domestic HRG application

5 半球諧振陀螺技術發展趨勢

從國外半球諧振陀螺的技術應用來看，未來陀螺將以HRG和MEMS為主，并作為空間應用和戰略領域等高價值任務的首選產品。未來半球諧振陀螺的發展趨勢為：

1）高精度。國外半球諧振陀螺精度達到萬分之一度以內，國內差距尚遠，還有很大提升空間。法國Sagem公司Φ30mm的半球諧振陀螺精度達到 0.005（°）／h， 美國 Northrop Grumman 公司2012年研制Φ35mm半球陀螺 （mHRG）精度達到0.00035（°）／h。

2）小型化。美國半球諧振陀螺的直徑尺寸從Φ90mm逐漸減小至Φ45mm、Φ30mm、Φ25.4mm等，現有資料顯示，美國已經開始著手研制超微型半球諧振陀螺（μHRG）。

3）產品化、系列化。Sagem公司年產半球諧振陀螺5000只，廣泛用于船用羅經、陸地導航、機載設備、空間導航領域，而國內對于半球諧振陀螺的研究比較單一，沒有形成產品化。

6 結論

半球諧振陀螺以其結構簡單、高可靠、長壽命、高精度等顯著特點，是繼光學陀螺之后的重點研究方向之一，具有廣闊的應用前景。國外應用證明在空間領域具有絕對的技術優勢，是高價值導航領域優選產品，并且國外在產品化、系列化應用中處于領先水平。國內在半球諧振陀螺研究上取得階段性成果，但仍不能適應型號產品需求，仍要加強制造工藝研究，提高精度，提升產品化水平，力爭實現國產化應用。

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