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鹰，搏击长空而无畏。 海鹰资讯，力求以鹰一般的气魄、视野和迅捷去打造专业的情报资讯，让繁复世界中最有价值的情报尽收眼底。 百年来科学技术的爆炸式飞跃，海陆空天事业的迅猛发展对惯性技术提出了越来越高的要求，成为惯性技术进步的巨大推动力；而惯性技术的进步，又推动了海陆空天事业的发展，成为其不可或缺的关键技术之一。 海鹰资讯<惯性世界>栏目，旨在为大家分享关于惯性的科普知识，讲述惯性技术领域最新的研究进展及其在海、陆、空、天等领域的应用。欢迎大家多多关注！😊 2018年3月26日到29日，在意大利科莫湖举行的第五届IEEE惯性传感器与系统国际研讨会上，法国赛峰公司法布里斯·德尔海耶以《HRG by SAFRAN: The game-changing technology》为题，对HRG原理、应用、极限精度、测试结论作了发言。称半球谐振子陀螺角度随机游走为0.000 2 (°)/h1/2（数据收集时间2 000 h）、标度因数稳定性可降低到0.1 ppm（有效值）、零偏稳定性可降到0.000 1 (°)/h。结论：HRG能满足无可比拟的应用需求。从极具成本效益的海上罗经到静电陀螺（ESG）级战略潜艇导航，从探测器三脚架安装到太空发射器导航。即使在恶劣环境条件下也能满足精度要求，经济高效。赛峰公司提出，“HRG不仅仅是一种创新的陀螺技术，更是一项颠覆性的技术突破，不仅可以取代环形激光陀螺仪（RLG）和光纤陀螺仪（FOG），甚至可以替代ESG。” 陀螺仪是感测运动体旋转的传感器。随着科学技术的发展，人类发现有近百余种物理现象可用来感知运动体相对惯性空间的旋转。经典陀螺仪是利用高速旋转质量块所具有的定轴性和进动性，按动量守恒原理制成的。由于转子和框架支承构造，仪表存在多种附加误差。为避免机械摩擦，出现了挠性、气浮、液浮、磁悬浮等多种结构，形式各异的陀螺产品，同时又努力寻求无动支承角速率及角位置传感器。光学陀螺（RLG和FOG）、核磁共振、粒子、压电晶体和谐振陀螺等应用而生，其中，基于萨格奈克（Sagnac）效应的RLG、FOG被作为无活动转子的固体陀螺得到应用。HRG具有结构简单、精度高、启动时间短、漂移噪声低、频带宽、稳定性高、抗辐射、功耗低和性价比高等优点，即使停止激励，振子振动衰减时间依然可长达27 min。 谐振陀螺是由法国科学家傅科1852年研制用于感测地球旋转的傅科摆装置，是人类研制最早的振动陀螺。1890年，英国物理学家Byran G H发现敲击旋转红酒杯会听到差拍，发表旋转酒杯驻波相对空间旋转发表论文，奠定了HRG的发明。 （1）工作原理 HRG采用轴对称环或壳体作敏感元件敏感角速度或角位置，是利用哥氏效应实现测量轴对称壳体绕中心轴旋转的角度或角速度的。 半球谐振子是HRG最重要的结构，是结构、材料、参数完全对称的理想半球形，振子受激产生四波幅振动。当基座旋转，驻波波腹就发生反向进动，进动角为旋转角的30%，如图1所示。基座旋转90°，驻波反方向进动27°。进动角为不随时间等因素变化的结构固定参数。理想状态标度因数长期稳定，可免标定。 图1 HRG工作模态示意图 HRG通常有两种工作模式： 1）力平衡模式。在此模式中，陀螺旋转使振子振型相对壳体环向进动，实时改变力平衡控制电极激励力，使四波腹振型相对壳体不变。力平衡控制电极激励力与输入角速度成比例，测量精度较高。 2）全角模式。在此模式中，陀螺旋转使振型在壳体环向自由偏转，通过检测进动角，反算出陀螺输入角度大小，为全角模式。该模式角度直接输出，标度因数恒定，动态范围较大。断电可保持工作状态10min以上。 （2）基本结构 HRG包含半球谐振子、激励罩和读出基座，如图2所示。 图2 HRG典型结构 半球谐振子是敏感旋转的元件，用熔融石英加工而成。置于激励罩和读出基座的小间隙间。石英元件表面全部金属化并在激励罩上形成环形电极和16个等间距分离的激励电极，读出基座上形成八个等间距读出电极，使半球振子和激励电极间、半球振子和读出电极间形成多个小电容，用于信号读出和谐振子静电控制。 HRG分类如表1所示。 表1 HRG分类
HRG具有以下典型特点： （1）大动态范围下的高精度：美国诺格公司为哈勃望远镜设计的HRG精度可达0.000 08 (°)/h。全角和力平衡双模式切换可实现±500 (°)/s以上的动态范围，同时满足0.001 (°)/h测量精度。 （2）低零件数量基础上的高可靠性：核心零件数仅2~3个。据理论计算，HRG平均故障间隔时间（MTBF）大于120年。 （3）高可靠性基础上的长寿命：美国卡西尼号探测器用HRG组合系统20年太空飞行（1997—2017年）。整星燃料不足坠毁土星。HRG航天器应用到目前为止100%成功。 （4）非量化的超低机械噪声：据美国诺格公司报道，噪声可至0.000 03 (°)/h。 （5）抗辐照：抗辐照能力＞100kRad。 （6）不影响精度的小体积：与光学陀螺不同，HRG精度不依赖体积。高精度应用体积依然可保持较小。 （7）高线性度下的长期免标定：HRG全角模式的线性度可达0.1ppm左右，重复性好，终生免标、免校。 法国赛峰集团对旗下RLG、FOG与HRG进行性能比较如图3所示。其中0~5为指标增优等级，由图3可知，HRG带宽可达到光学陀螺水准，同时体积、质量、功耗、零偏稳定性、温度稳定性、角度随机游走等指标优势明显。赛峰公司认为HRG未来可替代光学陀螺市场地位和份额，未来惯性产品市场将由高精度HRG和微型化微机电（MEMS）陀螺占据，如图4所示。 图3 赛峰集团HRG与光学陀螺性能比较 图4 赛峰集团陀螺仪技术未来蓝图 固体波动陀螺的基本原理是基于1890 年发现的轴对称物体弹性波效应，瑞利为谐振子振型提供了数学依据，由于制造技术，很长时间仅处于理论研究，成果未能实际应用。20世纪初，美国科学家Lynch对现代波动陀螺理论及应用发展做出了重要贡献。美国和俄罗斯在固体波动陀螺研究上都投入了非常多的资金与精力，具有较高的理论水平。 美国是最早研究HRG的国家，诺格公司是定位高端高精度研究应用代表，居世界最高水水平。1965年，美国Delco公司的Lynch D等人开始并研制出首个HRG。后Delco公司重组，研制搁置，直到1975年获海军航空司令部支持重新开始中等精度（50 (°)/h）的HRG研制，1979 年首次申请HRG专利并授权。1987—1990年，Delco公司针对战略级系统应用设计了HRG-130T，奠定诺格公司量产基础。自1992 年公布HRG在MX洲际导弹试验成功，后Delco公司又为美国国家航空航天局（NASA）的哈勃望远镜设计了Hubble HRG，测试精度达到0.00008 (°)/h，至今仍为HRG公开报道精度之最。 诺格公司第一款量产HRG型号为HRG-130Y。振子直径30mm，大大减小了陀螺体积，精度得到了提升。后被HRG-130P取代。基于HRG-130P的惯性测量系统组合称为可扩展空间惯性参考单元（SSIRU）。SSIRU与基于HRG-130Y的空间惯性参考单元（SIRU）性能对比如表2所示。 表2 SIRU与SSIRU之间的性能对比
诺格公司在保持HRG-130P高精度的基础上正在研发mHRG。零部件数只5个，下降10倍，诺格公司产品发展历程如表3所示。 表3 诺格公司HRG产品列表
HRG产品在国际航天领域应用最多，超过135套系统累计空间飞行达4 000万小时，100％成功，涉及天基预警、对地观测、深空探测等。诺格公司空间应用已相当成熟，1996年用于NEAR的卡西尼飞船首次飞向太空，20余年49亿公里，2017年随卡西尼飞船完成了历史使命坠向土星。 美国HRG-130P完全胜任并超过战略导弹三叉戟Mk6 LE系统对传感器的要求（1999—2004年间，德雷珀为美国海军测试评估）。2012年用于三叉戟Mk6 MOD1系统。 1992年，美国将HRG用于汉莎公司波音747-400飞机航空导航系统，为期1年商业飞行4 000 h，定位精度0.8 海里/小时。 作为高价值空间任务的优先传感器，近年来，诺格公司的SSIRU依然连续获得了商业合同。2014年NASA的太阳探测附加（SPP）项目、2015年洛马丁公司的天基红外系统及2018年的空间劳拉系统，均选择SSIRU作为其惯性测量单元。后续詹姆斯·韦伯太空望远镜也采用诺格公司的HRG作为姿态控制系统的核心单机。 俄罗斯20世纪80年代开展HRG相关技术研究。理论基础深厚，结构设计、制造工艺独具专长，包括梅吉科、拉明斯克机械制造局两家公司，产品精度达0.1~0.005 (°)/h（最高0.0005 (°)/h）。梅吉科公司最新型HRG为HRG-30ig，半球谐振子半径30mm，零偏稳定性优于0.005 (°)/h、角度随机游优于0.003 (°)/h1/2。2012年7月用于Yubileiny-2卫星，精度约0.01 (°)/h；2013年3月为欧洲引力波观测站提供的HRG系统精度达到0.0005 (°)/h。 HRG密封在真空腔中，具有耐高温、高压和抗冲击性。100 g的条件下仍具优良性能，适合地质钻探应用。梅吉科公司已研制HRG定向钻井系统，用于井斜测试。拉明斯科机械制造局生产的HRG主要应用于航空，精度为0.005~0.01 (°)/h的水平。拉明斯克仪表制造设计局早期研制直径为100mm的HRG，近几年，开发出直径为50 mm，随机漂移达 0.005~0.01 (°)/h的HRG。据报道，2013年苏霍伊公司就考虑采用拉明斯克生产的HRG惯组系统，于2016年实现了工程样机。 图5 拉明斯科生产的HRG及其惯组 法国赛峰集团作为欧洲顶级导航设备提供商，长期从事静电陀螺、RLG和HRG的生产，拥有30年空间应用解决方案经验，认为“HRG在未来将取代静电陀螺和RLG，并且能满足超高精度（如战略核潜艇）的应用需求”。赛峰电子与防务公司已具备年产25 000轴，精度在0.1~0.001 (°)/h范围HRG的能力。 HRG部件数量少确保其高可靠，在导航级陀螺仪中，体积、质量、功耗最小；对振动、温度环境不敏感，抗冲击（＞2 000 g），适应恶劣工作环境；通过控制电路可实现陀螺误差（漂移、标度因数）在线自标定。HRG谐振子直径为20 mm，用平面电极简化了陀螺结构，降低制造和装配难度。已在航海、航天、航空、战术武器、地面车辆等领域成功应用，如图7所示。 a）平面电极示意图 b）HRG 图6 赛峰电子与防务公司生产的HRG 全角模式的HRG特别适于海上导航应用，Bluenaute系统产品广泛应用于海警船、水下机器人、后勤补给舰、科考船以及油轮游艇等。在军事陆用车辆领域， SIGMA 20系统已用于车辆定位及火炮姿态稳定等。在战术武器领域，用于铁锤（AASM Hammer）系列空对地精确制导武器的有4000余轴。在航天领域， REGYS20惯性测量已在8颗轨道通讯卫星应用，共100余轴。基于预测，赛峰电子与防务公司将HRG及其惯性测量列为公司重点发展方向。 随着惯性导航技术和先进制造的发展，国内已有多家单位和部分院校投入HRG研究，对球谐振陀螺理论与应用进行了尝试，取得了一定成效。尽管已有多项型号任务采用HRG组合系统，但在随机漂移、动态范围、质量与产能等依然存在差距，如表4所示。 表4 国内外HRG产品与技术差距
结合HRG现状及应用需求，其未来主要发展趋势为：高精度、轻质小型化、低成本、大动态等。主要关键技术有：谐振子超精密加工、谐振子质量调平、高精密装配等。 （1）谐振子材料研究 品质因数Q值是谐振电路中的一个非常重要的衡量参数，可用于衡量谐振电路带宽、频率选择性等。谐振子材料对谐振子Q值有很大影响。选择谐振子材料时需要综合考虑：1）较高的机械品质因数；2）良好的各向同性；3）较小的温度系数。针对高精度，应开展更高Q值的谐振子材料研究，包括在现有的熔融石英方案基础上，对熔融石英进行改进，或者发展蓝宝石等新型材料；针对小型化方向，由于硅材料对MEMS工艺具有很好的兼容性，可开展硅材料谐振的研究，实现谐振子的小型化甚至微型化；针对低成本方向，可开展金属材料谐振子研究，金属材料具有易加工、成本低等优势，有望在中低端领域获得应用。 （2）两件套结构设计技术 两件套技术是指将陀螺激励罩去除，采用电极分时复用，利用同一电极实现对谐振子的激励和振动信号检测。目前，法国赛峰电子与防务公司的HRG以及诺格公司的mili-HRG均采用两件套技术，该技术大大减少了陀螺零件数、制造工艺难度以及体积质量，使得陀螺可靠性、产能以及市场需求大幅度提升。两件套技术是未来发展的重要方向。 （3）低应力加工与装配技术 半球谐振子是由半球壳和锚杆组成的轴线对称结构。球碗内有支撑杆，外球面也有支撑杆，加工第一步是通过车床车削得到原始的带支撑杆的碗状模型，再经过磨床进行精密打磨以达到满足精度要求的表面光洁度。对于高品质半球谐振子而言,一方面要保证谐振频率的稳定性,另一方面还要保证振型的稳定性。 在半球谐振子加工和装配过程中引起的应力损伤。会在谐振子表面留下肉眼无法分别的细小裂纹，导致谐振子Q值和陀螺对称性的损失，影响陀螺零偏稳定性、重复性、噪声、标度因数稳定性等核心精度指标。需开展低应力加工和装配技术研究，通过降低加工和装配过程中各种应力，降低谐振子Q值损失，抑制频差增加，实现陀螺精度的提升。HRG装配过程复杂，极大增加了陀螺的制造难度，导致陀螺产品成品率低、指标一致性差，需提高装配过程自动化。 （4）高精度陀螺控制技术 HRG的电子系统包括信号检测系统与信号控制系统，通过对谐振子振动信号高精度检测和处理得到陀螺仪相对惯性空间旋转角速度以及陀螺控制所需的误差信号, 根据检测误差信号对陀螺进行控制，保证控制电路稳定性。纵观国内外技术现状及应用范围需求，HRG应通过不同的工作模式，形成不同精度和等级仪表，应对不同行业装备需求。 （5）系统应用技术 应用场合不同，HRG应有不同使用方式，应该系统性分析HRG在捷联系统、平台系统中的使用特点和需求，利用全角度和力平衡双模式的自由切换，满足系统的应用。HRG对于力学、热学环境较为敏感，在高精度应用过程中，需通过设计尽量避免多轴陀螺间的电信号串扰，为其提供一个良好的力热工作环境。 （6）高精度测试、标定技术 HRG可在±500 (°)/s动态范围下实现0.001 (°)/h甚至0.0001 (°)/h的精度，现有标定设备已无法满足要求。此外，超高精度条件下，环境干扰对测试带来了巨大的影响。“怎么测”是超高精度HRG面临的一个现实问题。 HRG技术发展，可以势必对深空探测、国防装备以及相关国民经济建设产生重大影响，必须针对性做好重点关注： （1）材料技术。HRG研制过程，尝试过石英、金属、硅、金刚石、陶瓷等各种谐振子材料，最终无一例外指向高Q值、低阻尼的材料研制方向。目前最为成熟、使用最广的高Q值材料为熔融石英玻璃。在材料的研制过程中，原料的纯度、杂质类型、晶格缺陷、热处理方式等均会对材料的Q值产生极大影响。目前，国内尚缺乏关于金属、非金属材料Q值检测的标准方法和设备，缺乏一致性和广泛认可的评价体系，不利于HRG技术的进步和推进。 （2）制造技术。从国内外相关报道可知，HRG在结构、精度、功耗、价格和可靠性方面远远优于机械和光学陀螺。但是，谐振子制造核心是应力和几何精度，机械加工无法保证谐振子在各个方向上的质量一致。原先需要在制造过程中在谐振子的唇沿处设置大量开口的齿槽，加工后期再对齿槽进行祛除与修正，尽量使得谐振子接近完美的轴对称。目前，国际上多采用离子束进行曲面调平，以期达到更为理想的对称性。针对熔石英玻璃半球谐振子的特点，可采用范成法球面展成原理进行精密球面珩磨、研磨加工，但是，需要专有的珩磨、研磨头，同时还要进行防弹性变形工装设计和制作，以及专门磨削工艺研究。 （3）新型控制技术。自校准模式是诺格公司近期大力发展的一种新型控制模式，在该模式下，陀螺谐振子在一组简并模态上呈周期性的交替振动，从而抑制了驱动轴、检测轴之间的非对称性。通过连续自校准，可使陀螺的零位下降2~3个数量级，同时提高陀螺标度因数线性度和信噪比。该技术是提高陀螺精度指标的重要途径。 （4）超高精度测试环境。对于HRG除了材料的选择，谐振子制造和工艺量化的问题之外，还有一个影响精度的至关重要问题就是超高精度测试环境的建立，包括误差辨识与分离技术以及高精度惯性测试技术。 HRG技术是近些年来发展的一项颠覆性惯性技术，具有高精度、低噪声、大动态、长寿命和高可靠性等惯性产品追求的一贯特点，同时还具备标度因数长期稳定、精度不随体积影响、断电性能保持等特征。因此，包括赛峰电子与防务公司在内的众多国外研究机构认为，未来HRG可能占据陀螺产品的主要市场。 作者：赵万良 宋丽君 成宇翔等，本文选自《国外惯性技术信息》2019年第3期 |
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