半球諧振陀螺發展的技術特征

彭 慧，方 針，譚文躍, 方海斌, 嚴隆輝

(中國電子科技集團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的機械旋轉陀螺和兩光(激光、光纖)陀螺之后發展起來的一種新型高精度陀螺，具有高精度、長壽命、高可靠的特點，是高精度慣性器件主流之一。但由于具備一些獨有的進動機理、精密結構、復雜工藝等技術特征，其制作工藝過程及工作模式等與傳統的陀螺儀有很大的不同，研制難度很大[1]。目前，僅有美國、法國和中國研制出正式產品并在工程型號中得到成功應用，處于世界領先地位。俄羅斯雖然起步較早，但由于各種原因，目前尚未開展大規模應用[2]。由于高技術壁壘的封鎖，相互間交流有限，因而世界各國在研制過程中采用了不同的結構形式和工藝路線，并根據應用場合的不同，開發了不同的控制工作模式。文章從各國半球諧振陀螺的發展情況出發，分析了其在結構、控制電路、工作模式以及應用領域上的差異，提出了我國半球諧振陀螺的發展方向，以推進其技術的發展。

1 各國半球諧振陀螺的研制狀況

1.1 美國的半球諧振陀螺

1975年，在美國海軍的支持下，美國Delco公司采用低阻尼的熔融石英為諧振子材料，開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。通過激光去除質量的諧振子平衡裝置、更新電路系統、改進工藝等，成功研制出體積更小、精度更高的HRG130系列。在應用方面，聯合波音商用運輸機，對捷聯導航系統進行試驗，并獲得成功。1994年，Litton公司收購了Delco公司的慣性事業部，并對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，產品也開始向更多應用領域拓展。通過優化電極配置、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對極端工作溫度(-40℃～155℃)、承受惡劣環境(500g沖擊，30g-RMS隨機振動)的需求；通過金屬殼密封，消除氮滲漏問題，HRG130P一度成為主推產品；Hubble HRG通過改進封裝工藝，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鏡的需求。

圖1 Northrop Grumman公司三件套結構Fig.1 A three-piece structure of Northrop Grumman HRG

圖2 Northrop Grumman公司 mHRG結構Fig.2 Structure of Northrop Grumman mHRG

1.2 法國的半球諧振陀螺

法國Sagem公司的半球諧振陀螺相比其他國家的陀螺儀，采用的是兩件套結構，部件數量少，保證了其高可靠性。在慣導級陀螺儀中，半球諧振陀螺的體積、質量、功耗最小；對振動、溫度環境不敏感，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，通過控制電路，實現陀螺工作寬范圍，以及陀螺誤差(漂移、標度因素)在線自標定。據國外報道，Sagem公司已交付數千顆半球諧振陀螺[7]，其開發的慣性導航系統成功應用于航天、陸地、海洋和太空，滿足民用和國防應用要求。

法國Sagem公司已有多個半球諧振陀螺用于姿軌控系統，并且還未有故障及性能下降的記錄。在航海領域，BlueNaute半球諧振陀螺姿態導航系統以其高可靠、免維護的優勢，通過5a的運行反饋和百萬小時的運行時間驗證，平均故障間隔時間(Mean Time Between Failure, MTBF)超過250000h。在陸用戰術級武器上，Sagem 20型半球諧振陀螺具有良好的機械抗震能力，構建質量為4.5kg的慣導系統，方位精度為1mil。目前量產的陸風多角色戰斗機空對地武器Hammer中也使用了半球諧振陀螺[8]，其任務成功率高達99%。一款Primus型半球諧振陀螺構建的慣導系統質量僅為420g，是目前為止最輕的導航級慣導系統。小體積低功耗特性的精密方位角和垂直角度模塊(PAVAM)，質量僅為420g，功耗低于5W，用于手持長距離多功能紅外望遠鏡。在商用的客機中，Sagem公司也開發了基于半球諧振陀螺的慣性導航系統，質量為3kg，在飛行中已經體現良好的慣性性能。根據報道，歐洲新的太空發射器Ariance6 選擇了半球諧振陀螺的太空定位系統，選擇的原因也是因為半球諧振陀螺天生的抗空間輻射特性，以及優越的尺寸、質量和功耗(Size Weight and Power consumption , SWaP)特性[9]。

圖3 Sagem公司兩件套結構Fig.3 A two-piece structure of Sagem HRG

法國Sagem公司的半球諧振陀螺已廣泛應用于航天、陸地、海洋和太空[10]，其出色的性能及環境適應性，使得國內外對半球諧振陀螺的關注度越來越高。

1.3 俄羅斯的半球諧振陀螺

俄羅斯自20世紀80年代早期開始半球諧振陀螺的探索與研制，具有很強的理論研究基礎。拉明斯基儀表制造設計局早期研制了直徑為100mm的半球諧振陀螺，進入20世紀90年代，又開發了直徑為50mm的半球諧振陀螺，其零偏穩定性達到0.005～0.01(°)/h。

俄羅斯米亞斯梅吉科科研生產所開發了直徑為30mm的半球諧振陀螺，應用于衛星天線穩定系統和組合慣性單元。通過簡化石英敏感元件的結構和研制相應的控制系統技術，成功控制了產品成本，拓展了半球諧振陀螺的應用范圍。采用半球諧振陀螺研發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所在半球諧振陀螺的制作工藝技術領域具有獨特的技術專長[11]。從1995年開始，專注于開展工藝技術研究，解決半球諧振陀螺研制中的工藝技術問題，其獨有的離子束調平技術，為提高半球諧振陀螺精度、減小陀螺噪聲、抑制漂移干擾發揮了重要作用。近年來，米亞斯梅吉科科研生產所還研制了兩件套結構的半球諧振陀螺，如圖5和圖6所示，并在此基礎上研制了三軸角速度傳感器，如圖7所示。

圖5 兩件套結構件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 中國的半球諧振陀螺

我國的半球諧振陀螺研究開始于20世紀80年代末期，先后有北京航空航天大學、北京理工大學、哈爾濱工業大學、中國電子科技集團公司第二十六研究所(以下簡稱中電二十六所)等單位開展了半球諧振陀螺的研究工作，對基礎理論、加工工藝、信號處理等方面進行了不同側重的研究，取得了一定的成效，有了良好的開端。后續，天津航海儀器研究所、上海航天控制技術研究所、北京控制工程研究所、國防科技大學等單位也開展了加工工藝、振動模型、誤差補償、控制電路的相關研究。

我國的半球諧振陀螺應用背景起于衛星，最初采用的全角控制方式，開發的第一個樣機也是全角方式。后來針對航天用戶的實際工作模式，需要在較小的速率范圍內滿足高精度敏感要求，因此，目前國內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存的動量和速率刻度因子；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；速率控制回路利用速率激勵使陀螺振子振形穩定在固定位置。

半球諧振陀螺控制電路目前采用的是數模混合電路，由于陀螺前級讀出放大電路很難用數字電路實現，所以采用模擬電路實現第一級的緩沖電路。后續電路采用數字信號處理的方式對波腹點和波節點的信號做傅立葉變換[13]，得到二者的相位差，從而解調出陀螺旋轉的角度和正交振動的大小。這種方式可以進一步降低陀螺敏感到的角速率輸出信號中的白噪聲，有效去除失調電壓對零偏穩定性指標的影響。表1為各報告中的陀螺指標。

表1 國內外半球諧振陀螺指標比較

我國半球諧振陀螺的衛星應用型號產品的研制從2009年開始，經過潛心3年的研制，2012年10月[14]，我國在太原衛星發射中心成功將實踐-9號衛星發射升空并送入預定轉移軌道，半球諧振陀螺姿態敏感器(圖8)也隨之開始了在軌運行試驗，并成功完成衛星閉環控制試驗。截至目前，半球諧振陀螺姿態敏感器已隨實踐-9號衛星安全在軌運行接近7年。

圖8 實踐-9號衛星半球諧振陀螺姿態敏感器實物圖Fig.8 SJ-9 satellite HRG IMU

近年來，中電二十六所為衛星用戶提交了大量半球諧振陀螺產品。2017年1月5日，半球諧振陀螺首次在型號任務衛星——通信技術試驗衛星二號上得到成功應用[15]，開機以來在軌運行穩定，各項指標滿足系統要求。此次成功應用是我國半球諧振陀螺技術首次進入衛星平臺核心控制領域。2018年5月，半球諧振陀螺再次隨高分五號衛星發射升空[16]，開啟新的應用。

目前，半球諧振陀螺也在開展以其為關鍵部件的某衛星平臺的研制工作，不久的將來，半球諧振陀螺將批量應用在衛星平臺，有利于提高我國衛星的壽命和可靠性。

2 國內外半球諧振陀螺的差異

目前，國外半球諧振陀螺主要生產廠家為美國的Northrop Grumman以及法國賽峰集團旗下的Sagem公司，國內目前有成熟產品的是中電二十六所，產品從結構、控制電路方式、應用等各有差異。

2.1 基本結構

美國Northrop Grumman的早期產品HRG130P采用了典型的三件套結構，分為激勵罩、半球形振子和敏感讀出基座，陀螺的控制和信號檢測讀出采取對不同的部位分別進行處理。其特征是信號處理流程單純，機理清晰，但同時帶來加工工藝的繁瑣，零件精密裝配難度增大。

為減少加工難度，法國Sagem公司采用平板電極方式[17]，將部件個數減少到2個，提高了加工工藝效率，降低了生產成本，提高了可靠性。采用信號復用方式進行信號檢測與控制，但同時也帶來了控制機理的變異、電子信號處理難度增大的問題，還存在較強的信號干擾等問題。

俄羅斯研究的半球諧振陀螺也同樣采取了2個部件的結構方式，但結構上仍運用球面電極處理方式，在電極結構、信號檢測處理等方面又有較大的不同。俄羅斯產品在低功耗方面有著較大的優勢。

國內的半球諧振陀螺也采用了三件套結構方式，但在部件結構、電極的分布、信號的檢測等方面有著不同的設計思路。

法國Sagem公司采用的兩件套結構使得其產品在SWAP特性上有較大的優勢，小型化的結構設計，也是半球諧振陀螺發展的方向之一。

2.2 電路控制方式

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

法國Sagem公司采用了全角控制方式，實現了陀螺誤差(漂移、標度因數)的在線自標定技術。

俄羅斯產品也采用了力反饋平衡控制方式，但在信號控制流程上有著較大的不同。

國內的半球諧振陀螺最初采用全角控制方式，并開發出完整的功能產品，后期為了滿足衛星工程的小速率、高精度需求，改為力平衡控制方式，在實現高精度的同時，也兼顧了信號接口、系統控制模型一致性等衛星姿控系統的要求。

結合國內除宇航外其他裝備的需求，為了擴大半球諧振陀螺的應用范圍，提高陀螺的工作性能和動態范圍，又開展了全新的全角模式控制方式研究工作。

2.3 應用領域

半球諧振陀螺的空間應用在美國已經相當成熟，從1996年至今，半球諧振陀螺已參與許多太空項目，包括：小行星登陸(NEAR，1996—2000年)、土星環繞(CASSINI，1997—2008年)、 哈勃太空望遠鏡、NASA的NEAR等。在這些前沿的宇宙空間探測項目中，半球諧振陀螺無一不表現出優良的性能，證實了半球諧振陀螺是作為空間探測任務慣性器件的最佳選擇。同一時期，美國半球諧振陀螺也開展了戰略導彈、商業航天器等領域的應用研究。

由文章前面所述，法國Sagem公司的半球諧振陀螺已廣泛成功應用于航天、陸地、海洋和太空，產品形式多樣。而國內目前的成熟產品主要用于衛星，包括航空、船舶、車輛等其他領域的應用工作也正在大力開展。

2.4 技術發展

隨著應用領域的擴展，微型化成為半球諧振陀螺發展的熱門話題。微型半球諧振陀螺是利用半導體工藝，在硅或石英玻璃材料基底上，采用半導體工藝，加工出微型的3D半球形球殼，其工作機理基于傳統的半球諧振陀螺原理，可以同時兼顧陀螺產品的小型化、高性能。

國外多個研究單位，如密西根大學、加州大學、Honeywell公司、耶魯大學、DARPA實驗室、佐治亞理工學院等[18]，開展了微型半球諧振陀螺的相關研究工作，開發出了多種半球殼體及激勵檢測結構的關鍵制作工藝。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，降低成本。國外已成功制作出陀螺樣品，零偏穩定性達到0.0391(°)/h[22]，諧振子直徑僅5mm左右，目前還處于實驗室陀螺樣機階段，還未開展試用。

國內如國防科技大學、復旦大學、清華大學、兵器214所、南京理工、東南大學、中電二十六所等多家單位已組建專門研究團隊實施微半球諧振陀螺研究。國防科技大學采用旋轉基片火焰吹制工藝方法及平面外電極結構[23]，并創新設計出了半球諧振子T形質量塊結構，用于諧振子質量不對稱的修調及增加激勵檢測電容，這些技術有效降低了吹制過程中溫度場不對稱性對球殼唇緣圓的影響，減小了振動模態的頻差，有效提高了諧振子的品質因數。目前，國內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 結束語

半球諧振陀螺的研究工作在國外已經發展了近40年，國內也已有20年。隨著其不斷擴展的成功應用，國內的半球諧振陀螺將從結構、電路控制方式等方面進行研發，縮小與國外技術的差距，同時也正致力于戰略平臺、船舶等更廣闊領域的應用開發工作。半球諧振陀螺的技術發展正向小型化、高性能、高可靠發展，微型半球諧振陀螺的研究也正在國內外如火如荼的開展，技術發展突飛猛進，只有快速攻克諧振子工藝、控制環路、信號提取及補償等關鍵技術，才能與時俱進，早日實現半球諧振陀螺的廣闊應用。