半球諧振陀螺慣性系統設計探討

徐海剛，潘興旺，邱麗玲，趙雨楠，鐘潤伍，馬 濤

(1.北京自動化控制設備研究所，北京 100074；2.火箭軍駐北京地區第六軍事代表室，北京 100074)

0 概述

就目前的發展歷程來看，半球諧振陀螺在慣性技術發展史上并不具備典型性。整體來看，大部分陀螺及慣導系統都是一氣呵成的，盡管中間有技術攻關的艱難時期，但始終是業界公認的發展方向。隨著技術的進步，其應用范圍也逐步從中低端擴展到高端；且隨著技術成熟度的提高、新需求的提出以及新型陀螺的發展，傳統的機械陀螺慣導系統逐步進入衰退期，技術不再發展(未必已達到性能極限)，應用范圍顯著縮小。關于一種陀螺的發展，作者認為有一個發展窗口期的問題，在這個窗口期內，業界共識、研究基礎、人才條件、應用牽引等盡是有利條件，占據天時、地利、人和；錯過此窗口期，或者期間沒有進行充分發展，就很難再進一步發展起來。

但是，并非所有陀螺的發展都符合這樣的規律。簡單地總結規律有馬后炮和偷懶的心理因素，強行套用所謂規律就更是危險；當然，以個例否定常識也并非明智之舉。每一種陀螺都有自身的技術特點和所依賴的社會工業基礎，特別是，杰出的研究者和企業對其發展甚至起決定性的作用，使其發展歷程并不符合所謂的規律，而是呈現新的特點。半球諧振陀螺的發展有其自身的特點，具體歷程已有大量文獻介紹，本文不再贅述。應該說，若非20世紀90年代諾格公司(Northrop Grumman)研究者對關鍵技術的突破以及2000年至今賽峰公司(SAFRAN)的創新性發展與應用，半球諧振陀螺可能不會面臨新的發展窗口期 (圖1為賽峰公司半球諧振陀螺技術發展及產品的應用情況)[1-3]。

圖1 賽峰公司半球諧振陀螺典型產品及其應用Fig.1 SAFRAN HRG products and applications

近年來，半球諧振陀螺開始重新得到國內研究機構的廣泛關注，對相關方法和難點進行了研究，并提出了多種觀點[4-10]。半球諧振陀螺的推廣與應用，繞不開與光學陀螺，特別是同光纖陀螺的全面比較[11]。從系統形態的角度來看，當前采用光纖陀螺可實現等效體積3L、質量3kg、功耗10W、性能1nmile/h、可大批量低成本生產的慣性系統產品；從遠期發展來看，光纖陀螺的體積和質量有望進一步減小到1L和1kg。半球諧振陀螺慣性系統需要瞄準優于小體積低功耗這一設計目標，才能有希望獲得全面廣泛的應用；僅就當前可見的產品形態來看，尚不具備光纖陀螺慣性系統的顯著優勢。因此，需要在發展半球諧振陀螺技術的同時，加強相應慣性系統技術的研發。

本文的目的是對半球諧振陀螺的特點和應用進行實事求是的討論，總結提出了一些開放性的觀點，并從應用的角度對相應的慣性系統設計進行了探討。

1 探討

1.1 短期斷電工作特點

短期斷電工作的說法主要是基于半球諧振陀螺的一個特點：經精密加工和修調后的諧振子具有極高的Q值和較長的阻尼衰減時間，短期(本文認為應小于10s)斷電期間仍能精確地保持振型并積分(如果工作在速率積分模式)載體角運動。這一特點在原理上是存在的，但在工程實踐中，有以下兩方面的因素會影響其應用。

1)陀螺設計實現上的限制。半球諧振陀螺從上電到正常工作，一般需要經歷各部件自檢、起振、閉環建立振型、開始測量等階段。盡管斷電后諧振子仍能在一定時間內保持振型和積分功能，但重新上電后的自檢、起振、閉環建立振型等操作會嚴重破壞之前的諧振子保持的狀態；通過復雜的功能設計，有可能避免對振型的完全破壞，但必然存在不可忽略的精度損失，且需要慎重考慮相應的設計代價。

2)系統應用上的局限。盡管陀螺斷電后仍可以對輸入軸方向的角運動進行精確的積分，但載體的運動是三維的，僅每個軸單獨進行角度測量、沒有系統級處理電路進行高頻三維姿態更新運算，會存在轉動的不可交換性誤差并導致無法得出準確的姿態，除非載體僅有一個軸的角運動，這顯然幾乎不可能。

可見，半球諧振陀螺的短期斷電仍能工作的特性，并不具備工程可用性，因此并不能作為其與其他種類陀螺相比較的優點。

1.2 小體積低功耗特點

小體積低功耗被認為是半球諧振陀螺的另一個突出優點予以關注。從系統應用的角度來看，小體積和低功耗這兩個設計重點需要相互支撐，有時甚至是矛盾的。事實上，從當前國外典型產品來看，并不具備明顯的小體積低功耗的特點。以賽峰典型產品Sigma20m為例，其體積為208mm×136mm×292mm，功耗為28W[12]；試想，如果這一產品的體積壓縮到100mm×100mm×100mm(從報導的陀螺體積和系統配置來看是可能實現的)，而功耗仍為28W，將會導致系統自然升溫達到40℃以上，這將是災難性的！反之，僅以當前的產品形態，相比同樣產自法國的iXblue的PHINS光纖陀螺慣性系統(體積160mm×160mm×160mm，功耗15W)[13]，無論是體積還是功耗，甚至是成本、可制造性、可靠性、壽命(將所有航天器上的光纖陀螺工作時間累積起來應該是一個更為不可思議的數字)，與半球諧振陀螺慣性系統相比都不具備優勢。

圖2 Sigma20m與PHINS外形對比Fig.2 The shape contrast of Sigma20m and PHINS

根據研究經驗，半球諧振陀螺需要較高的工作電壓，始終在控制諧振子按照預想的方式進行機械振動，其處理電路也相對較為復雜，需要較高的功耗。因此，需要采取提高諧振子Q值、分時復用控制方案、優化控制參數、設計ASIC電路等措施以顯著降低陀螺功耗，這些是必須要做的工作，否則，小體積這一設計目標將面臨極大的挑戰。此外，半球諧振陀螺慣性系統的設計，不僅需要關注傳感器的表頭部分是否足夠小，還要關注傳感器整機(表頭+配套電路等)的體積、安裝使用方式、對結構設計要求、配套加速度計、配套系統處理電路、整機功耗等因素。

1.3 自校準技術應用

受限于制造、電路、控制等因素，半球諧振陀螺在使用中會表現出相應的零位和標度因數誤差。半球諧振陀螺獨特的誤差特性，使其可以實現參數的在線自校準，常用方法為:通過冗余配置，逐一實現對每個陀螺的監控和校準；陀螺校準時，可通過模態切換實現對零偏的校準，可通過驅動振型角進動實現對標度因數的校準。

盡管原理簡單，但其實現需要考慮諸多因素。一是，陀螺進動速率有限(幾度每秒量級)，因此，無論模態切換還是振型角進動，都需要較長的時間，所以要求陀螺的零偏和標度因數誤差在較長的校準周期內保持相對穩定，即要求陀螺自身具備較高的精度，是可校準的。二是，陀螺在進行自校準時，需要另外3只陀螺組合提供參考角速率，即使在高動態條件下也能保證角速度的精度。這對4只陀螺間的安裝角精度和穩定性、自標定策略提出了很高的要求。即一方面要求安裝關系經過精確標定，并且長期應用也能保持精度；另一方面在策略上應避免在大角速度下標定零偏和在小角速度下標定標度因數。

由上分析可見，在動態條件下實現參數自標定有較高的技術難度。另一種策略是在初始對準階段進行自標定，特別是在準備時間較為充分的應用條件下，可以對零偏和標度因數誤差進行激勵，同時采用對準濾波器估計相應的誤差參數，從而實現自標定，這種工作方式僅配置3只陀螺即可實現。

1.4 環境適應性設計考慮

半球諧振陀螺有其自身的使用特點，需要從力學、熱學、氣密等方面綜合考慮系統環境適應性，以滿足各類載體的使用需求[14]。

在力學方面，因其為機械振動陀螺，故外界的過載和振動加速度會對陀螺性能產生一定影響。為解決這一問題，一是要在陀螺設計中重點考慮諧振子的加工精度，盡量降低陀螺對加速度的敏感性，并且進行相應的建模補償；二是進行精細化的結構設計和陀螺選型，使得各陀螺之間、陀螺與結構之間的諧振頻率有一定差別，避免相互影響；三是采用良好的減振設計，減振器的選擇應在保持結構剛度的同時最大限度地衰減高頻振動。

在熱學設計方面，如前所述，核心仍是顯著降低陀螺的功耗；此外，還可從系統角度采取多軸陀螺共用電路、陀螺控制電路與導航信息處理電路合并等措施。因為功耗的限制，不能僅憑部件體積來設計系統結構，而是應通過熱設計仿真來確定合適的系統結構，使得系統自身溫升處于可接受的范圍?？梢灶A見，半球諧振陀螺功耗的優化是影響相應慣性系統形態演化的一個極為重要的因素。

在氣密性設計方面，因諧振子需要工作在真空環境下才能發揮出高Q值，所以需要給其構建一個穩定可靠的真空環境。就目前陀螺的體積和功耗來看，作者認為可以考慮設計兩層真空，一層在陀螺級實現，使得陀螺成為可不依賴系統環境工作的傳感器，便于維修更換；另一層在系統級，給陀螺工作提供更為可靠的環境保障。

通過上述力學、熱學、氣密等方面的設計，可使半球諧振陀螺慣性系統具有良好的環境適應性。

1.5 對配套部件的需求

為實現具有顯著體積和功耗優勢的系統[15]，需要系統核心部件同步協調發展，重點考慮加速度計和信息處理電路等部件。

對于半球諧振陀螺慣性系統，在陀螺實現小型化低功耗的同時，需要有合適的配套加速度計才能滿足系統設計需求。常用的石英撓性加速度計需要±15VDC供電和高精度模數轉換電路，體積相對較大；且其一般靠近陀螺安裝，發熱對陀螺性能有一定影響，功耗也相對較高。微機電加速度計在滿足系統性能需求的前提下在應用上極具優勢，其體積小，功耗低，一般采用純數字接口(常用SPI)而不需要模數轉換電路，且采用標準5V供電，應該是導航級慣性系統長遠發展的首選加速度計。因此，隨著半球諧振陀螺的發展，對微機電加速度計的發展也提出了相應的需求。

實現低功耗的另一種方式是采用電路的集成化設計。一是考慮采用接口豐富且低功耗的ARM系列處理器，其計算性能完全可滿足導航計算的需求；二是考慮將慣性系統處理電路與陀螺控制電路集成設計，采用高性能或雙核、多核處理器，僅需在陀螺控制電路上增加部分接口電路即可實現完整的導航計算功能。

2 總結

本文探討了半球諧振陀螺慣性系統的設計。其他補充說明如下：1)上述探討都是開放性的，未經過充分試驗驗證，為拋磚引玉。2)文中所說陀螺為可工作在大角速度條件下的半球諧振陀螺，無論是處于全角模式還是混合模式；僅可工作在小量程的陀螺因應用范圍過于單一而不在考慮范圍之內。3)國外對半球諧振陀螺的創造性發展，其過程與結果都值得國內借鑒。此外，社會工業基礎如何構建和資本是否能在這樣的技術發展中起到巨大推動作用甚至決定性作用也值得探討。