|
2018年3月26~29日，第五届IEEE惯性传感器与系统国际研讨会在意大利顺利召开，会议讨论了现代惯性传感器及新兴应用的发展，包括惯性导航系统的性能、原子干涉惯性传感器，以及惯性传感器的漂移补偿等。航天电子《导航与控制》组织进行了论文翻译，“航天电子发展战略研究中心”微信平台将陆续刊登相关论文，供大家分享探讨。 本文内容为法国赛峰电子与防务公司的Fabrice Delhaye总结了半球谐振陀螺的工作原理、特性及应用。 摘 要：国际惯性导航界内一直在思考几十年后光纤陀螺（FOG）是否能够最终替代激光陀螺（RLG），但是赛峰公司（SAFRAN）正在用其旗下半球谐振陀螺产品证明该想法可能并不是一场如此简单的游戏。基于旗下半球谐振陀螺，赛峰公司表明了在高精度导航领域半球谐振陀螺这项创造性的技术将会是这场游戏规则的改变者。本文全面叙述了半球谐振陀螺工作原理和本质属性，以及对现有HRG产品应用的叙述表明了HRG在高附加值产品中的优势。同时，通过最新的极限性能测试结果讨论了HRG在更多潜在方面的应用价值。 关键词：球谐振子陀螺；惯性系统；导航 1 半球谐振陀螺原理科里奥利振动陀螺仪（CVG）[1]基于以下原理：即使支架旋转，共振结构也会在同一平面内共振。 半球谐振陀螺就是遵循几个重要原理的科里奥利振动陀螺仪： 1）谐振腔完全是轴对称的，在平衡、固有频率和阻尼各向同性方面表现出了优异的特性。在实际应用中，必须对谐振腔进行精细调谐，以便达到完美平衡。 2）谐振腔通过振动节点连接支撑，确保了谐振腔和外界之间的最佳解耦。 3）由于电极位于谐振腔附近，弯曲波由静电力控制。 4）为了使所需要的能量达到最小，需用全角度模式控制弯曲波。该模式使得由电子设备，检测器和致动器引起的误差达到最小。此外，这种模式形成非常好的比例因子（基于布赖恩系数），使测量范围更宽。 该半球谐振陀螺谐振器的性能优化： 1）它的拓扑结构是一个半球形壳体，使每克谐振腔材料对弯曲能量储存达到最大值。锚杆位于半球的顶部，用于固定该壳体。 2）它由无定形熔融石英制成，具有最佳的各向同性（无晶向）和最小的能量耗散（无内部摩擦）。 3）它的金属涂层要尽可能薄，以减少金属内部的能量耗散。并且能创建电极，确保电流的连续性。 由于这些优化，半球谐振陀螺具有出色的性能。但最有趣的是，这些性能与谐振腔的尺寸无关。它们与通过Q因子评级的谐振腔质量以及弯曲波驱动方式有关，即与电子设备相关。 半球谐振陀螺的主要缺点是其制造成本主要与电极支架的制造和组装的精确度有关，该电极支架必须与谐振腔形状完美匹配以便在两个部件之间产生各向同性的半球形间隙。赛峰利用创新设计解决了这个缺点[2]，电极放在平面上，在谐振腔的赤道平面上产生静电力。半球壳和电极板的组装成了一个基本的2D问题。 图1 半球形电极/平板电极 凭借其突破性的设计，赛峰半球谐振陀螺制造成本降低，使大众市场能负担得起。 图2 赛峰半球谐振陀螺 2 赛峰的半球谐振陀螺应用Regys 20利用了半球谐振陀螺谐振腔熔融石英的在自然空间辐射能够硬化的特性，达到了专用于AOCS（姿态和轨道控制系统）对空间速率较高的需求。低角度随机游走和超高可靠性是赛峰半球谐振陀螺的重要特性，迄今为止，已经交付了100多个陀螺仪，并且没有故障或性能下降的记录。 图3 Regys 20超高可靠性半球谐振陀螺空间速率陀螺仪单元 Sterna满足了用于人类便携式观测和瞄准的超轻量级寻北仪系统需求。由于赛峰半球谐振陀螺出色的零偏稳定性和优秀的随机游走性能，Sterna能够在100s内测量方位角大小，精度可达0.7密位。同时，赛峰公司HRG的 SWaP（体积功耗比）性能优越，其重量仅为1.8kg（三脚架除外）运行3天仅需4块CR123型号电池。 图4 Sterna超轻量级真寻北仪 商业海运市场更青睐于高可靠性的、免维护的、IMO（国际海事组织）认证的能够7天24小时运行的陀螺仪。基于光纤陀螺的产品仅能刚刚满足这种需求，而BlueNaute型号的研发就是为了满足这一关键要求。经过5年的运行反馈和数百万小时的运行时间，该产品的MTBF（平均无故障时间）超过250000小时。BlueNaute受益于半球谐振陀螺的可扩展性，拓宽了性能范围，满足了海上石油和天然气行业对动态定位等更严格的要求。钛金版产品可提供的方位精确度可达0.1°（RMS）。所以毫无疑问，一些准军事组织（如海事政策和成本警卫）现在使用BlueNaute而不是传统的罗盘。 图5 BlueNaute罗盘和姿态和航向参考系统 陆军标准则要求坚固而紧凑的惯导系统，Sigma 20型号HRG 受益于赛峰半球谐振陀螺的机械坚固性做成了重量为4.5kg的惯导系统，能够满足方位精度为1密位（RMS）的要求。 图6 基于Sigma 20 HRG的陆用战术级惯导系统 对于OEM型号HRG的应用，赛峰公司受益于HRG的SWaP性能特点能够提供一款型号为Primus [5]的仅为420g（0.9lbs）的产品，这款产品是目前为止市场上最轻的导航级惯导系统。 图7基于Primus HRG的惯导系统 铁锤（Hammer）是赛峰公司空对地武器中专门在GPS拒止环境中使用的产品，受益于HRG的高精度该产品能在80km范围内实现精确打击。HRG的高可靠性使得铁锤（Hammer）的任务成功率高达99％。铁锤是阵风多角色战斗机的主要空对地武器，目前正在量产。 图8 基于HRG导航的铁锤（Hammer）武器 在不准确的坐标进行精确打击是不可能实现的。联合终端攻击控制器(JTAC)进行精确定位目标唯一可靠的方式是通过人工便携式目标定位器，在GPS拒止的环境中，只能通过惯性导航系统测量。因此，设计一个足够紧凑的惯性导航系统以便集成到手持观测的多功能搜索中十分具有挑战性。HRG优秀的SWaP性能指标满足了赛峰公司能够设计一个高度坚硬的PAVAM（精密方位角和垂直角度模块），其重量仅为420g，功耗低于5W，使手持设备能够以高精度定位目标（CEP90可达6m）。 图9 轻量级长距离多功能红外望远镜 在一定程度上，炮兵前方观察车辆的精度要求相似，只是他们距目标较远，因此需要较高的方位精度。自主惯性导航有一个很大的好处，在战斗情况下，GPS很可能不能用，它可以替代使用。半球谐振陀螺SWaP特性使得赛峰能够集成一个惯性导航系统安装到Paseo内部，以便观察视线方向，精度高于0.5密耳，并在GPS不能使用的环境下提供精度优于10m的定位。 图10 Paseo模块化的先进稳定瞄准器 目前商业客机使用环形激光陀螺仪惯性导航系统，典型的有三角形和四边形结构。ARINC704/738标准定义了纯惯性模式下所要求的导航精度为CEP95精度可达2 nmile/h。该市场一直致力于减轻重量，提高可靠性和降低运营成本。空中定位系统是赛峰公司的成果。这个基于半球谐振陀螺的惯性导航系统目前正在开发中，重量仅为3kg，并利用赛峰半球谐振陀螺卓越的可靠性实现了具有破坏性的MTBF和所有权成本。飞行试运行表现出较好的惯性性能。
图11 商用飞机采用半球谐振陀螺惯性导航系统的空中定位系统 先进的太空发射器要求高度精确的惯性导航系统，特别是要将卫星置于超同步椭圆静止轨道转移轨道。赛峰半球谐振陀螺非常适合这项任务，因为即使在现代发射器的轻型结构引起的巨大振动水平（30grms以上）下，它也能够提供高精度。 2016年，经过对所有潜在技术解决方案的深入筛选和分析后，ArianeGroup公司决定选择赛峰的太空定位系统，并为欧洲新的太空发射器Ariane 6颁发开发和生产合同。预计第一架飞机将于2020年7月投入使用。太空定位系统也将受益于半球谐振陀螺谐振腔自然空间辐射硬化的特性。赛峰半球谐振陀螺的SWaP特性使太空定位系统比其最高水平的竞争对手轻两倍。 此外，基于半球谐振陀螺的惯性导航系统目前还处于开发阶段，以扩大产品组合。其中一些将在今年晚些时候推出。 3 HRG极限精度测试在大规模的生产配置中，赛峰半球谐振陀螺已经被广泛地证明了它能够满足光学技术(环形激光陀螺仪和光纤陀螺仪)的性能要求，具有更小的尺寸重量、更低的功耗、更高的可靠性，并且总是物超所值。 赛峰半球谐振陀螺设计具有很大的发展潜力。无论结构和尺寸如何变化，谐振腔制造都可以进一步改善，以获得更好的各向同性和更低的阻尼特性。这就要求更精细的熔融石英磨削，金属涂层和谐振腔平衡。数字电子可以利用半导体行业的进步（摩尔定律继续推出），以设计更高效和更复杂的数字控制规则。这些R＆T活动已经产生了一些有趣的结果，这些结果将在下文中介绍。 可以通过Allan方差分析技术对陀螺仪的等级进行初步评估，可以从下面的图获得角度随机游走（ARW）和零偏不稳定性。
图12 赛峰半球谐振陀螺的Allan偏差图 可以注意到，角度随机游走ARW = 0.0002，测试时间太短（即使收集所需要数据的时间为2000个小时）以致于不能证明零偏稳定性（在测试时隙内未达到最小值）。 由于赛峰半球谐振陀螺工作在全角模式下，其比例因子误差很小，通常可达到1ppm级别。最近的改进产生了以下结果，如图13所示。
图13 赛峰半球谐振陀螺的比例因子稳定性 可以注意到，标度因数稳定性可以降低到0.1ppm（有效值）。 偏置优化目前受到密集的R＆T活动的影响。多轴同时进行，包括改进控制电子器件和设计更复杂的校准/补偿模型。这一领域的发展前景非常广阔，在2017年，捷联惯导内部集成了一个半球谐振陀螺三元组，已经取得非常有前景的结果，如图14所示。
图14 赛峰半球谐振陀螺偏置稳定性 可以注意到，在2000小时内测量的赛峰半球谐振陀螺的零偏稳定性可以降低到0.0001。 据了解，最终的性能技术是静电悬浮陀螺仪（ESG）。如今，R＆T研究是针对冷原子进行的，特别是旨在取代未来的ESG。从20世纪80年代开始，赛峰开发了ESG，因此对如何在系统中使用有着深刻的理解。受其短中长期错误补偿方式的启发，赛峰公司设计了一套基于其半球谐振陀螺的导航系统原型，并在海上作业条件下评估了性能。 不幸的是，技术数据和实际结果很难分类。但事实证明，半球谐振陀螺能够达到ESG的性能，而冷原子陀螺还不行。 4 结论科学界始终认为半球谐振陀螺是具有出色的精度，且十分可靠，却很少有人能预测半球谐振陀螺能成功地应对大众市场。由于创新设计[2]和大规模工业投资，赛峰公司有能力实现这一目标。赛峰公司拥有20mm直径的谐振腔（图2），能够满足无可比拟的应用需求。从极具成本效益的海上罗经到ESG级战略潜艇导航，从探测器的三脚架安装到太空发射器导航，赛峰半球谐振陀螺即使在恶劣的环境条件下也能满足精度要求，并非常经济高效。 赛峰公司证明，半球谐振陀螺不仅仅是一种创新的陀螺技术，这更是一项颠覆性的技术突破。半球谐振陀螺是不仅可以取代环形激光陀螺仪和光纤陀螺仪，而且可以替代ESG系统以及极具前景的冷原子技术。因此，半球谐振陀螺能够构建惯性组合陀螺仪技术蓝图，很快能如图15描述的那样。
图15 未来的陀螺技术应用 参考文献[1] G. Remillieux, F. Delhaye, “Sagem Coriolis Vibrating Gyros: a vision realized”, Proceedings of Karlsruhe Conference on Inertial Sensors and Systems, 2014. [2] A. Jeanroy, P. Leger, HRG flat electrodes. [3] A. Jeanroy, A. Bouvet, G. Remillieux, “HRG and Marine applications”, Proceedings of 20th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systerns, 2013. [4]Alain Jeanroy, Gilles Grosset, Jean-Claude Goudon, “Fabrice Delhaye HRG by SAFRAN- From Laboratory to Mass Production”, Proceedings of Inertial Sensors, 2016. [5] A. Lenoble, T. Rouilleault, “PRIMUS: SWAP-oriented IMUs for multiple applications”, Proceedings of Karlsruhe Conference on Inertial Sensors and Systems, 2016.
转自导航与控制 作者：Frbrice Delhaye |
|
|
