半球諧振陀螺在海洋導(dǎo)航定位中的應(yīng)用

李 鼎，許江寧，何泓洋

半球諧振陀螺在海洋導(dǎo)航定位中的應(yīng)用

李 鼎，許江寧，何泓洋

（海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

為進(jìn)一步研究慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，介紹1種具有高精度、高穩(wěn)定性、長使用壽命的固態(tài)振動(dòng)陀螺：給出半球諧振陀螺的結(jié)構(gòu)和工作原理；闡述其國內(nèi)外發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀和實(shí)際應(yīng)用；最后分析半球諧振陀螺在海洋導(dǎo)航定位中的發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展趨勢。

半球諧振陀螺；導(dǎo)航；慣性技術(shù)；海洋導(dǎo)航

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，海外貿(mào)易延伸越來越遠(yuǎn)，需要加快建設(shè)海洋強(qiáng)國，以達(dá)到近海防御、遠(yuǎn)海護(hù)衛(wèi)的戰(zhàn)略要求。海軍裝備的發(fā)展十分重要，未來海軍對武器裝備將提出更高要求，對導(dǎo)航定位的核心即慣導(dǎo)系統(tǒng)也將提出更高的需求。未來的慣導(dǎo)系統(tǒng)將以高精度、高可靠性、高穩(wěn)定性、長使用壽命、抗干擾能力強(qiáng)為目標(biāo)。本文主要介紹和分析滿足未來海洋導(dǎo)航定位需求的半球諧振陀螺技術(shù)。

半球諧振陀螺（hemispherical resonator gyros, HRG）是1種發(fā)展前景良好的新型高性能陀螺。半球諧振是基于科里奧利加速度產(chǎn)生的科氏力[1]，利用諧振子開口端駐波進(jìn)動(dòng)效應(yīng)來檢測基座旋轉(zhuǎn)。半球諧振陀螺是1種結(jié)構(gòu)簡單的新型固體振動(dòng)陀螺，與經(jīng)典陀螺相比，沒有高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與活動(dòng)支撐，從根本上避免了機(jī)械摩擦，大幅度提高了精度，具有良好的抗沖擊振動(dòng)性[2]，慣性技術(shù)界認(rèn)為，半球諧振陀螺是21世紀(jì)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中最理想的元件之一[3]。美國空間任務(wù)優(yōu)先采用半球陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，已經(jīng)累計(jì)在空間零故障飛行300萬h，可靠性高達(dá)0.995[4]。其具有15 a以上的超長使用壽命，適合應(yīng)用于衛(wèi)星、空間飛行器、海洋艦船等的導(dǎo)航工作。

在美國、俄羅斯、歐洲等國家和地區(qū)，半球諧振陀螺已經(jīng)在衛(wèi)星、空間飛行器、海軍艦艇、陸軍裝備、礦井探測等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5]。半球諧振陀螺已經(jīng)成為法國新一代海洋導(dǎo)航定位系統(tǒng)的主要慣性導(dǎo)航設(shè)備。國內(nèi)的研究雖然起步較晚，但在“十五”計(jì)劃后，就取得了突破性成果，已經(jīng)有完整的研發(fā)生產(chǎn)線，能夠研發(fā)制造出滿足我國航天航空方面工程應(yīng)用的產(chǎn)品。

1 基本結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

半球諧振陀螺結(jié)構(gòu)主要由敏感器件、緩沖電路、控制電路等部分組成，其中敏感器件包括3個(gè)部件：半球諧振子、激勵(lì)罩和敏感基座[6]，如圖1所示。

圖1 半球諧振陀螺結(jié)構(gòu)

半球諧振子是1個(gè)由熔融石英材料制成的半球彈性體，是構(gòu)成陀螺的主體部分。激勵(lì)罩主要由激勵(lì)電極組成，利用靜電力作用，諧振子產(chǎn)生振動(dòng)并提供修正誤差。敏感基座上有多個(gè)讀出電極，用于讀出根據(jù)電容檢測出的諧振子振動(dòng)情況，并獲得陀螺的旋轉(zhuǎn)角度信號[7]。

隨著加工技術(shù)的進(jìn)步，目前基于經(jīng)典3件套構(gòu)型改進(jìn)成2件套構(gòu)型，2件套構(gòu)型如圖2所示。2件套構(gòu)型沒有3件套構(gòu)型中的“激勵(lì)罩”，而是把“敏感基座”上的“敏感電極”與“激勵(lì)電極”結(jié)合在一起[8]。這種2件套構(gòu)型體積和質(zhì)量都比3件套構(gòu)型小，結(jié)構(gòu)簡單，且成本更低。其缺點(diǎn)是加工技術(shù)難度大、精度高、實(shí)現(xiàn)難度大。

圖2 2件套半球諧振陀螺構(gòu)型

1.2 工作原理

半球諧振陀螺是1種固體振動(dòng)陀螺，它通過檢測諧振子徑向振動(dòng)產(chǎn)生的駐波沿環(huán)向的進(jìn)動(dòng)，來確定旋轉(zhuǎn)角度與速度[9]。

半球諧振子在激勵(lì)罩的作用下，處于2階工作振型時(shí)，振型進(jìn)動(dòng)原理如圖3所示。

圖3 振型進(jìn)動(dòng)原理

陀螺在不加外界角速度輸入時(shí)，半球諧振子維持環(huán)向波數(shù)為2的4波腹振動(dòng)，半球諧振子唇緣的振型在2個(gè)正交的橢圓與圓之間變化，振型具有4個(gè)波腹點(diǎn)和4個(gè)波節(jié)點(diǎn)，2個(gè)橢圓長軸的端點(diǎn)為駐波的波腹點(diǎn)，2個(gè)橢圓的交點(diǎn)稱為波節(jié)點(diǎn)[10]。

因此只要測量出半球諧振子的振型角變化，即可計(jì)算出陀螺轉(zhuǎn)過的角度[7]。

半球諧振陀螺有2種常用的工作模式——全角模式（whole-angle mode）和力平衡模式（force-to-rebalance mode）[11]，及1種新型工作模式——自校準(zhǔn)模式（self-calibration）。

通過控制激勵(lì)罩的激勵(lì)電場，使諧振子建立1個(gè)固定振幅的駐波。陀螺在何種模式下工作，取決于駐波是否相對于諧振子產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)[12]。當(dāng)在力平衡模式下工作時(shí)，激勵(lì)電場控制駐波波形，與諧振子保持相對靜止，通過檢測保持相對靜止所需的靜電力大小，即可以獲得科氏力的大小，根據(jù)科氏力與轉(zhuǎn)速間的比例關(guān)系，即可解算出載體的轉(zhuǎn)動(dòng)速率[13]。雖然這種模式檢測精度高、噪聲特性低，但由于受制于力平衡回路的電極電壓飽和作用，其動(dòng)態(tài)測量范圍較小[14]。當(dāng)在全角模式工作時(shí)，駐波與諧振子產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)。由于進(jìn)動(dòng)角與輸入角速度成正比，則可實(shí)時(shí)解算諧振振型直接輸出角度信號。此模式諧振振型處于自由進(jìn)動(dòng)狀態(tài)，因此測量范圍大，動(dòng)態(tài)性能好，線性度高。新型工作模式即自校準(zhǔn)式，是利用交換激勵(lì)檢測模態(tài)，進(jìn)行陀螺零偏的自校準(zhǔn)，通過跟蹤進(jìn)動(dòng)因子，進(jìn)行力平衡模式比例因子的自校準(zhǔn)，此模式可將陀螺精度提高1個(gè)數(shù)量級[15]。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國、法國、俄羅斯在HRG的研制中處于領(lǐng)先地位，目前它們的HRG已經(jīng)成功應(yīng)用到衛(wèi)星、飛機(jī)、空間飛行器、海洋船舶，陸地導(dǎo)航等領(lǐng)域。英國、日本近年來也開始了HRG的研制。國內(nèi)的HRG研究起步較晚，但目前也取得很大突破，并已應(yīng)用到衛(wèi)星導(dǎo)航中。

1986—1990年，HRG研究取得許多突破：例如，提出利用激光進(jìn)行質(zhì)量清除的諧振子平衡器、改進(jìn)關(guān)鍵工藝、開發(fā)新的諧振子制造方法來改善陀螺的時(shí)間常數(shù)等，先后研制出HRG158系列、直徑為30 mm的HRG130T。美國最早研究旋轉(zhuǎn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)就使用了Delco公司專門研制的半球諧振陀螺，基于HRG158X開發(fā)的Carousel-400慣導(dǎo)系統(tǒng)為旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的代表作品，該系統(tǒng)將HRG集成于6軸冗余導(dǎo)航系統(tǒng)中，成為首個(gè)運(yùn)用到航空領(lǐng)域的HRG。

法國的半球諧振陀螺研制，在全球?qū)儆陬I(lǐng)先地位，代表性的公司為法國賽峰公司，其集團(tuán)旗下的薩基姆（Sagem）公司自20世紀(jì)90年代開始研究HRG技術(shù)，之后在半球諧振陀螺關(guān)鍵技術(shù)如諧振子加工、諧振子調(diào)平、高精度控制電路等方面提出技術(shù)方案，如圖4所示。

圖4 Sagem公司技術(shù)研發(fā)進(jìn)度

圖5 ONYX慣導(dǎo)系統(tǒng)

表1 ONYX性能參數(shù)

目前ONYX已經(jīng)成功應(yīng)用于法國陸軍的獅鷲（Griffon）輪式裝甲車系統(tǒng)、GEONYX陸地系統(tǒng)、ARIANE6型火箭、PAVAM單兵導(dǎo)航等項(xiàng)目。

圖6 實(shí)踐-9號衛(wèi)星半球諧振陀螺姿態(tài)敏感器

圖7 國防科大研制的微半球諧振陀螺樣機(jī)

3 HRG在海洋導(dǎo)航定位中的應(yīng)用與分析

3.1 HRG在海洋導(dǎo)航定位中的應(yīng)用

20世紀(jì)80年代起，HRG就開始運(yùn)用到航空航天導(dǎo)航領(lǐng)域，但是HRG在海洋導(dǎo)航定位領(lǐng)域的應(yīng)用，在近些年才開始得到發(fā)展。在海洋導(dǎo)航定位領(lǐng)域，HRG主要應(yīng)用于航姿參考系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

HRG結(jié)構(gòu)簡單、高精度、高可靠性、免維護(hù)等品質(zhì)滿足了長航時(shí)運(yùn)行而無需維護(hù)的船舶導(dǎo)航。法國賽峰電子與防務(wù)公司在HRG的海洋導(dǎo)航定位研究中占主導(dǎo)地位。賽峰公司為商船、工程船舶、近海船、各種規(guī)模的軍艦和潛艇提供高性能、高精度的導(dǎo)航系統(tǒng)，主要推出了面向水面艦艇的BLUENAUTE系列、ARGONYX系列和面向海軍潛艇的BLACK-ONYX系列的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。這3種慣性導(dǎo)航系統(tǒng)都是基于賽峰公司的HRG Crystal技術(shù)研發(fā)的，賽峰公司在海洋導(dǎo)航定位領(lǐng)域主推產(chǎn)品為BLUENAUTE系列慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（如圖8所示）。

圖8 BLUENAUTE系列慣導(dǎo)系統(tǒng)

3.2 HRG在海洋導(dǎo)航領(lǐng)域應(yīng)用潛力分析

除了半球諧振陀螺，海洋導(dǎo)航定位慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采用的陀螺還主要包括：液浮陀螺、靜電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺等。

美國20世紀(jì)80年代以前的水面艦船與潛艇，廣泛應(yīng)用液浮陀螺，20世紀(jì)從80年代開始，在戰(zhàn)略核潛艇上裝備靜電陀螺。90年代以后，激光陀螺普遍裝備在水面艦艇與部分戰(zhàn)術(shù)攻擊核潛艇上，戰(zhàn)略核潛艇裝備了新一代靜電陀螺。目前美國正用光纖陀螺替換激光陀螺，水面艦艇已經(jīng)完成了替換工作[37]。

我國大部分水面艦船的慣導(dǎo)系統(tǒng)，采用的是液浮陀螺。戰(zhàn)略核潛艇主要使用靜電陀螺，我國早期使用的為俄產(chǎn)靜電陀螺，近年來國產(chǎn)靜電陀螺水平已經(jīng)接近美國早期水平，國產(chǎn)靜電陀螺也開始裝備到核潛艇上。

法國在20世紀(jì)90年代中后期，裝備的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是激光陀螺，近年來光纖陀螺得到發(fā)展，開始裝備艦船。法國目前積極研究半球諧振陀螺，并將逐步裝備到各型水面艦船與潛艇上[37]。

未來的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將以高精度、高可靠性、高穩(wěn)定性、長使用壽命、抗干擾能力強(qiáng)為目標(biāo)[38]，半球諧振陀螺的特點(diǎn)滿足未來慣導(dǎo)系統(tǒng)的技術(shù)要求，是新一代艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的理想慣性元件。表2列出了各代海洋導(dǎo)航定位慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采用的各種陀螺，并對半球諧振陀螺與其他各種陀螺性能進(jìn)行比較分析，對半球諧振陀螺進(jìn)行潛力分析。

表2 海洋導(dǎo)航定位慣性技術(shù)比較

分析表2可以得出：靜電陀螺是目前精度水平最高的陀螺，適用于潛艇等高精度場合，HRG的精度次于靜電陀螺。HRG的精度目前無法超越靜電陀螺。但是HRG相比于靜電陀螺，有著成本低、啟動(dòng)時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)。靜電陀螺是導(dǎo)航系統(tǒng)中費(fèi)用最高的元件，這限制了它的進(jìn)一步推廣與發(fā)展。對于光纖陀螺與激光陀螺，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在成本方面，精度有一定的發(fā)展?jié)摿Γ桥cHRG相比，精度較低。HRG可以滿足我國海軍長航時(shí)作戰(zhàn)艦艇對長航時(shí)工作、高精度、高可靠性、高抗干擾能力的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的需求。綜上所述，HRG相比其他陀螺有著更好的發(fā)展前景。

但是，HRG也存在著一些限制其發(fā)展及推廣的短板：

1）目前HRG的制造成本較高，單只HRG高達(dá)10萬~100萬美元，不利于其市場開拓及工程化應(yīng)用。

2）由于石英半球諧振子的加工與裝配工藝限制，而其壁薄、形狀復(fù)雜、對加工精度要求高，制約了HRG的研制。同時(shí)，在半球諧振陀螺裝配過程中，諧振子、激勵(lì)罩與讀出基座間存在裝配間隙誤差，影響其均勻性和對稱性，導(dǎo)致半球諧振陀螺的諧振中心偏離質(zhì)心和形心，影響半球諧振陀螺的精度。

3）測控電路對諧振子的振動(dòng)控制的不精確性，也是限制HRG精度的1個(gè)因素，因此需要進(jìn)一步研究高分辨率的測控電路[39]。

4 HRG發(fā)展趨勢

隨著科技水平的發(fā)展及制造工藝的提高，半球諧振陀螺技術(shù)也隨之加速發(fā)展。半球諧振陀螺未來的發(fā)展趨勢主要為以下幾個(gè)方面：

1）向更高性能化發(fā)展。更高性能是指更高精度、更低成本、系統(tǒng)體積更小、功耗更低。目前國內(nèi)研究的半球諧振陀螺精度和國外研制的半球諧振陀螺相比差距較大，還有很大進(jìn)步空間?？梢酝ㄟ^設(shè)計(jì)更高分辨率測控電路[40]或提高加工與裝配精度2方面來降低誤差，提高精度。不斷減小半球諧振陀螺的體積、成本、功耗等性能是推進(jìn)半球諧振陀螺發(fā)展的必然趨勢。未來需要在保證半球諧振陀螺的精度與可靠性等優(yōu)勢的前提下，不斷減小整個(gè)半球諧振陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)的成本、體積、質(zhì)量和功耗，使整個(gè)慣導(dǎo)系統(tǒng)的C+SWaP優(yōu)于其他傳統(tǒng)陀螺。

3）在海洋導(dǎo)航領(lǐng)域?qū)⑷〈鈱W(xué)陀螺。隨著科研水平的提高和制造工藝的發(fā)展，半球諧振陀螺的各項(xiàng)性能得到改善，導(dǎo)航的精確性、連續(xù)性、可靠性、價(jià)格成本等優(yōu)勢越來越突出。在未來幾十年，半球諧振陀螺將取代光學(xué)陀螺，成為新一代海洋導(dǎo)航慣性導(dǎo)航系統(tǒng)慣性器件的可能性很大。

5 結(jié)束語

半球諧振陀螺是1種新型的固態(tài)振動(dòng)陀螺，具有高精度、高可靠性、長使用壽命等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，各方面性能都得到驗(yàn)證。半球諧振陀螺技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)用也會更加普遍，在海洋導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用也有著較好的發(fā)展前景。但是國內(nèi)半球諧振陀螺研制技術(shù)尚處于起步階段，與國外有著較大的差距，精度和尺寸等性能參數(shù)有進(jìn)一步提升的空間。半球諧振陀螺技術(shù)的發(fā)展，對我國的國防安全和科技發(fā)展有著重要的作用，對綜合定位、導(dǎo)航、授時(shí)(positioning, navigation and timing, PNT）體系的建設(shè)有重要意義。

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Application of hemispheric resonant gyro in marine navigation and positioning

LI Ding, XU Jiangning, HE Hongyang

（College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China）

In order to further study on the inertial navigation system, the paper introduced a solid-state vibrating gyroscope with high precision, high stability and long service life: the structure and working principle of the hemispheric resonant gyro were given, and the domestic and foreign development history, research status and practical application were described, finally the development potential and development trend of hemispherical resonant gyro in marine navigation and positioning were analyzed.

hemispherical resonant gyro; navigation; inertial technology; marine navigation

P228

A

2095-4999(2020)03-0023-09

李鼎，許江寧，何泓洋. 半球諧振陀螺在海洋導(dǎo)航定位中的應(yīng)用[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 2020, 8(3): 23-31.（LI Ding, XU Jiangning, HE Hongyang. Application of hemispheric resonant gyro in marine navigation and positioning[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2020, 8(3): 23-31.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20200304.

2019-12-16

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFB0501700, 2016YFB0501701）。

李鼎（1997—），男，湖南益陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)閼T性技術(shù)及應(yīng)用。

許江寧（1964—），男，江西九江人，博士，教授，研究方向?yàn)閼T性技術(shù)及應(yīng)用。