半球谐振陀螺在海洋导航定位中的应用
0 引言
随着我国经济发展，海外贸易延伸越来越远，需要加快建设海洋强国，以达到近海防御、远海护卫的战略要求。海军装备的发展十分重要，未来海军对武器装备将提出更高要求，对导航定位的核心即惯导系统也将提出更高的需求。未来的惯导系统将以高精度、高可靠性、高稳定性、长使用寿命、抗干扰能力强为目标。本文主要介绍和分析满足未来海洋导航定位需求的半球谐振陀螺技术。
半球谐振陀螺（hemispherical resonator gyros, HRG）是1种发展前景良好的新型高性能陀螺。半球谐振是基于科里奥利加速度产生的科氏力[1]，利用谐振子开口端驻波进动效应来检测基座旋转。半球谐振陀螺是1种结构简单的新型固体振动陀螺，与经典陀螺相比，没有高速旋转的转子与活动支撑，从根本上避免了机械摩擦，大幅度提高了精度，具有良好的抗冲击振动性[2]，惯性技术界认为，半球谐振陀螺是21世纪捷联惯导系统中最理想的元件之一[3]。美国空间任务优先采用半球陀螺惯性导航系统，已经累计在空间零故障飞行300万h，可靠性高达0.995[4]。其具有15 a以上的超长使用寿命，适合应用于卫星、空间飞行器、海洋舰船等的导航工作。
在美国、俄罗斯、欧洲等国家和地区，半球谐振陀螺已经在卫星、空间飞行器、海军舰艇、陆军装备、矿井探测等领域得到了广泛应用[5]。半球谐振陀螺已经成为法国新一代海洋导航定位系统的主要惯性导航设备。国内的研究虽然起步较晚，但在“十五”计划后，就取得了突破性成果，已经有完整的研发生产线，能够研发制造出满足我国航天航空方面工程应用的产品。
1 基本结构与工作原理
1.1 基本结构
半球谐振陀螺结构主要由敏感器件、缓冲电路、控制电路等部分组成，其中敏感器件包括3个部件：半球谐振子、激励罩和敏感基座[6]，如图1所示。
图1 半球谐振陀螺结构
半球谐振子是1个由熔融石英材料制成的半球弹性体，是构成陀螺的主体部分。激励罩主要由激励电极组成，利用静电力作用，谐振子产生振动并提供修正误差。敏感基座上有多个读出电极，用于读出根据电容检测出的谐振子振动情况，并获得陀螺的旋转角度信号[7]。
随着加工技术的进步，目前基于经典3件套构型改进成2件套构型，2件套构型如图2所示。2件套构型没有3件套构型中的“激励罩”，而是把“敏感基座”上的“敏感电极”与“激励电极”结合在一起[8]。这种2件套构型体积和质量都比3件套构型小，结构简单，且成本更低。其缺点是加工技术难度大、精度高、实现难度大。
图2 2件套半球谐振陀螺构型
1.2 工作原理
半球谐振陀螺是1种固体振动陀螺，它通过检测谐振子径向振动产生的驻波沿环向的进动，来确定旋转角度与速度[9]。
半球谐振子在激励罩的作用下，处于2阶工作振型时，振型进动原理如图3所示。
图3 振型进动原理
陀螺在不加外界角速度输入时，半球谐振子维持环向波数为2的4波腹振动，半球谐振子唇缘的振型在2个正交的椭圆与圆之间变化，振型具有4个波腹点和4个波节点，2个椭圆长轴的端点A、B、C、D为驻波的波腹点，2个椭圆的交点称为波节点[10]。
给陀螺施加外界角速度输入时，波腹点A、B、C、D的科氏加速度分别为WA、WB、WC、WD，科氏惯性力分别为PA、PB、PC、PD。在科氏力的作用下，振型子相对壳体转动1个角度，产生进动角，如图3(b)所示。的大小与输入角速度成正比，方向相反，即
（1）
式中K称为半球谐振陀螺的进动因子，根据半球谐振子的几何参数，可以确定[11]。
因此只要测量出半球谐振子的振型角变化，即可计算出陀螺转过的角度[7]。
半球谐振陀螺有2种常用的工作模式——全角模式（whole-angle mode）和力平衡模式（force-to-rebalance mode）[11]，及1种新型工作模式——自校准模式（self-calibration）。
通过控制激励罩的激励电场，使谐振子建立1个固定振幅的驻波。陀螺在何种模式下工作，取决于驻波是否相对于谐振子产生相对运动[12]。当在力平衡模式下工作时，激励电场控制驻波波形，与谐振子保持相对静止，通过检测保持相对静止所需的静电力大小，即可以获得科氏力的大小，根据科氏力与转速间的比例关系，即可解算出载体的转动速率[13]。虽然这种模式检测精度高、噪声特性低，但由于受制于力平衡回路的电极电压饱和作用，其动态测量范围较小[14]。当在全角模式工作时，驻波与谐振子产生相对运动。由于进动角与输入角速度成正比，则可实时解算谐振振型直接输出角度信号。此模式谐振振型处于自由进动状态，因此测量范围大，动态性能好，线性度高。新型工作模式即自校准式，是利用交换激励检测模态，进行陀螺零偏的自校准，通过跟踪进动因子，进行力平衡模式比例因子的自校准，此模式可将陀螺精度提高1个数量级[15]。
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