摘要

半球諧振陀螺(HRG)以3000萬(wàn)小時(shí)的運(yùn)行時(shí)間和100%的任務(wù)完成率證明其在太空應(yīng)用中具有非常高的可靠性。諾格公司的先進(jìn)導(dǎo)航系統(tǒng)部正在開發(fā)一種基于HRG技術(shù)的小尺寸、低質(zhì)量地面慣性傳感器組件(ISA)。這將是未來(lái)諾格公司慣性測(cè)量單元(IMU)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)產(chǎn)品線的核心。

基于HRG的可擴(kuò)展空間慣性參考系統(tǒng)（SSIRU）使得HRG在慣性導(dǎo)航市場(chǎng)中占有一席之地。在這個(gè)市場(chǎng)上，HRG太空陀螺儀130P以其高性能（角度隨機(jī)游走： 0.00002 (o)/h）、高可靠性（超過(guò)3000萬(wàn)小時(shí)的陀螺儀運(yùn)行時(shí)間而無(wú)任務(wù)失?。┖湍陀眯裕箾_擊能力優(yōu)于3000 g、抗隨機(jī)振動(dòng)能力優(yōu)于18 Grms）成為高價(jià)值重要任務(wù)的不二選擇。

盡管HRG當(dāng)前目標(biāo)為太空市場(chǎng)，但HRG技術(shù)的原理使其能將市場(chǎng)擴(kuò)展到陸地市場(chǎng)。諾格目前正在進(jìn)行這種轉(zhuǎn)變，該公司正在推進(jìn)新型mHRG、mHRG ISA以及干擾自校準(zhǔn)技術(shù)的研發(fā)。

圖1  諾格公司的mHRG 和 mHRG ISA

早期的HRG是基于58 mm直徑諧振器設(shè)計(jì)的，這導(dǎo)致系統(tǒng)又重又大。由于尺寸、質(zhì)量和功率的限制，大多數(shù)應(yīng)用都不能使用HRG。意識(shí)到這一點(diǎn)，1986年，諾格公司對(duì)小尺寸HRG的可行性進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。1990年，第一款針對(duì)低精度戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈市場(chǎng)的小尺寸HRG被設(shè)計(jì)出來(lái)并進(jìn)行了測(cè)試，如圖2所示。不幸的是，由于當(dāng)前工作重點(diǎn)主要集中于更高性能（更高成本）的太空市場(chǎng)，因此針對(duì)地面市場(chǎng)的陀螺儀研究工作被迫減少。而這促成了第一代太空HRG 130Y的發(fā)展，130Y有一個(gè)30 mm的諧振器。盡管130Y是一款性能優(yōu)異的慣性器件，但由于空氣中的氦氣很容易滲透到高真空陀螺儀腔中，最終導(dǎo)致陀螺儀無(wú)法運(yùn)行，因此這款陀螺儀不適合陸地使用。

1997年，諾格公司開始研發(fā)用于石油鉆井應(yīng)用的小型陸地HRG 130R。該應(yīng)用要求系統(tǒng)被封裝成一個(gè)圓柱體，因此陀螺儀的外電極被淘汰，這就需要諧振器內(nèi)部的電極既可用于諧振器檢測(cè)又可用于諧振器控制。每個(gè)陀螺儀在陀螺儀輸入軸偏離氣缸中心線42°的傾斜方向形成圓柱形，如圖3所示。ISA通過(guò)將三個(gè)陀螺儀圓柱體焊接而成，每個(gè)陀螺儀相對(duì)于其它陀螺儀旋轉(zhuǎn)120o。從而得到一組近正交軸。130R系統(tǒng)被證明具有良好的性能和廣闊的發(fā)展前景，但由于工作被停止，并沒有完成開發(fā)。

圖2  早期型HRG，低成本戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用

圖3  用于石油鉆井應(yīng)用的HRG 130R

當(dāng)小型精密瞄準(zhǔn)和指向系統(tǒng)（PPTS）的需求被認(rèn)可時(shí)，對(duì)小尺寸SWaP HRG系統(tǒng)的興趣被重新燃起?，F(xiàn)有瞄準(zhǔn)系統(tǒng)質(zhì)量超過(guò)45 kg，這對(duì)于裝甲兵來(lái)說(shuō)太重了。2009年，在美國(guó)陸軍的NVESD遠(yuǎn)程目標(biāo)定位器改進(jìn)計(jì)劃（FTLIP）下，開始了小型內(nèi)電極HRG的研究。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試，得到了第一代 （Gen-1）mHRG，如圖4所示。緊隨其后，通過(guò)內(nèi)部資助研究和開發(fā)（IRAD）進(jìn)行了第二代（Gen-2）mHRG(如圖5所示)的研發(fā)，如圖5所示。2012年初，完成了第一款Gen-2 mHRG制造并進(jìn)行測(cè)試，這項(xiàng)工作表明mHRG是高精度應(yīng)用的理想選擇。

圖4  第一代mHRG 

近年來(lái)，諾公司不僅集中在小型SWaP mHRG開發(fā)上，還開始進(jìn)行了mHRG ISA的研發(fā)，這是新一代高精度地面慣性系統(tǒng)第一步。

圖5  第二代mHRG

為指導(dǎo)mHRG ISA的工作，諾格公司提出了一些主要項(xiàng)目目標(biāo)，如表1所示。為按時(shí)完成這些目標(biāo)，需最大限度地利用現(xiàn)有的硬件、電子和軟件來(lái)建立第一個(gè)ISA演示單元（DU）。這意味著，當(dāng)配置完全時(shí)，ISA DU應(yīng)該包括：4個(gè)Gen-2 mHRG、4通道諾格公司的科里奧力振動(dòng)陀螺儀（CVG）控制/數(shù)據(jù)采集單元、基于Windows的實(shí)驗(yàn)室任務(wù)計(jì)算機(jī)和3個(gè)產(chǎn)生SiAc?加速度計(jì)（目前在LN-200生產(chǎn)線使用的MEMS加速度計(jì)）的宿機(jī)。ISA模塊被設(shè)計(jì)成可提供靈活的測(cè)試平臺(tái)，從而允許在開發(fā)工作中快速重新配置。

接下來(lái)主要介紹HRG的操作和自我校準(zhǔn)。

HRG呈半球形外殼或酒杯狀，在半球底部具有剛性固定連接點(diǎn)，如圖6所示。如果殼體是上緣撞擊，半球邊緣將被移動(dòng)并產(chǎn)生在特定頻率下共振的駐波。

表1  ISA演示單元的主要發(fā)展目標(biāo)

如果撞擊正確，所產(chǎn)生的駐波將是半球殼的最低階模式，并且將在單一頻率下產(chǎn)生純音。半球邊緣的運(yùn)動(dòng)是徑向的，最大偏轉(zhuǎn)點(diǎn)定義為反節(jié)點(diǎn)，無(wú)徑向運(yùn)動(dòng)的定義為節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)通過(guò)放置在外殼內(nèi)部和周圍的第二組電極來(lái)感測(cè)，如圖7所示。這些駐波以最低階振動(dòng)模式在邊緣上形成。在這里為了說(shuō)明問(wèn)題，反節(jié)點(diǎn)的位移被放大。實(shí)際上，這個(gè)運(yùn)動(dòng)大約在微米量級(jí)。靜止時(shí)，反節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)相對(duì)外殼是靜止的。但如果殼體圍繞錨點(diǎn)或閥桿旋轉(zhuǎn)，駐波的運(yùn)動(dòng)將隨外殼的旋轉(zhuǎn)而滯后，滯后約為旋轉(zhuǎn)角度的0.3倍。因此，0.3被稱為陀螺儀的幾何標(biāo)度因子(Kgeo)。圖8所示為陀螺儀殼體旋轉(zhuǎn)90°的情況，這時(shí)駐波滯后于殼體27°。

圖6  HRG-杯型陀螺

圖7  殼體最低彎曲模態(tài)的撓曲運(yùn)動(dòng)

振動(dòng)模式通過(guò)一組驅(qū)動(dòng)電極來(lái)維持，這些電極圍繞半球殼的外部（在mHRG中是內(nèi)部）圓周放置。電極通過(guò)靜電驅(qū)動(dòng)外殼運(yùn)動(dòng)。反節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)的位置和振幅通過(guò)放置在外殼內(nèi)部和圓周的第二組電極來(lái)感測(cè)。這些檢測(cè)電極通過(guò)電容變化測(cè)量外殼的位移。駐波模式的控制是通過(guò)將感測(cè)信號(hào)反饋給控制前驅(qū)電極的控制回路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)控制撓曲模式方法可以是開環(huán)(全角，WA)繞對(duì)稱軸的進(jìn)動(dòng)，也可以是被約束到固定位置的閉環(huán)(力再平衡，F(xiàn)R)。在WA模式下，HRG作為速率積分陀螺儀運(yùn)行；在FR模式下，則作為速率陀螺儀運(yùn)行。各自的優(yōu)勢(shì)取決于應(yīng)用。

圖8  HRG中的駐波模式旋轉(zhuǎn)滯后

對(duì)于高動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用，最好采用WA模式。通過(guò)使用檢測(cè)器進(jìn)行撓曲模式位置的直接測(cè)量來(lái)得到讀出。角度讀數(shù)是通過(guò)Kgeo分割測(cè)量旋轉(zhuǎn)角完成，Kgeo是固有穩(wěn)定的，并且已證明可以穩(wěn)定到十億分之一。此外，在不約束撓曲模式的情況下，可達(dá)到極高的速率。

在FR模式中，駐波限制固定在殼體的單一位置。因?yàn)樗械慕换プ饔脙H發(fā)生在一個(gè)位置，所以能夠更好地進(jìn)行偏置補(bǔ)償，從而提高傳感器的精度。在FR中，通過(guò)在前驅(qū)電極上施加電壓進(jìn)行閉環(huán)反饋，此時(shí)，撓曲模式受靜電力的限制。由于電壓是成比例的，它提供了陀螺儀輸入速率的測(cè)量，具有比WA模式低的噪聲特性。FR通常是精密瞄準(zhǔn)和導(dǎo)航應(yīng)用的最佳機(jī)械化。

有時(shí)間優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用能以相對(duì)較低的速率運(yùn)行，而對(duì)于間歇性的應(yīng)用，則需高速運(yùn)行。針對(duì)這類應(yīng)用，開發(fā)了一種將FR和WA兩種模式混合在一起雙模式（DM）機(jī)械化。當(dāng)速率低于閾值時(shí)，F(xiàn)R被激活，此時(shí)零偏和噪聲性能最佳。當(dāng)速率超過(guò)閾值時(shí)，F(xiàn)R控制環(huán)被打開，從而允許撓曲模式在WA模式下進(jìn)行處理，直到速率低于閾值，此時(shí)，F(xiàn)R控制環(huán)閉合，撓曲模式保持在當(dāng)前狀態(tài)。之后，F(xiàn)R控制環(huán)驅(qū)動(dòng)撓曲模式進(jìn)動(dòng)直至它返回到電極的初始零位。這種機(jī)械化過(guò)程在保證FR精度的同時(shí)還能適應(yīng)間斷性的高速率。

簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的mHRG性能通過(guò)過(guò)去十年諾格公司開發(fā)的干擾自校準(zhǔn)技術(shù)來(lái)維持。零偏自校準(zhǔn)模式反轉(zhuǎn)和標(biāo)度因數(shù)自校準(zhǔn)模式角調(diào)制這兩種突破性的自校準(zhǔn)機(jī)械化正被使用。通過(guò)機(jī)械化過(guò)程，使用昂貴的工廠校準(zhǔn)系統(tǒng)而無(wú)需熱控，從而降低系統(tǒng)的整體功耗。

BSC利用HRG的獨(dú)特特性作為II型（軸對(duì)稱）CVG，它可以在兩種簡(jiǎn)化撓曲模式的任意一種中工作。在最簡(jiǎn)單的條件下，當(dāng)陀螺儀在兩種模式之間切換時(shí)，陀螺儀的零偏和標(biāo)度因數(shù)誤差會(huì)改變極性。當(dāng)兩個(gè)誤差數(shù)量級(jí)保持不變時(shí)，誤差的極性相對(duì)于彼此變化。這類似于通過(guò)物理倒置傳感器以分離零偏和標(biāo)度因數(shù)，從而反轉(zhuǎn)地球速率的極性。

SFSC通過(guò)使用模式角度調(diào)制技術(shù)來(lái)完成。該方法使用極穩(wěn)定的Kgeo對(duì)陀螺儀的FR標(biāo)度因數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，這取決于放大器增益、ADC精度等的穩(wěn)定性。通過(guò)速率伺服設(shè)定點(diǎn)的調(diào)制，撓曲模式的位置進(jìn)動(dòng)到該點(diǎn)。FR相應(yīng)需要通過(guò)確定這個(gè)角度，并比較其與期望值的不同，從而調(diào)整FR標(biāo)度因數(shù)以提供正確的響應(yīng)產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)。

mHRG是通過(guò)大幅簡(jiǎn)化太空用陀螺儀130P HRG得到的。為最大限度降低風(fēng)險(xiǎn)，mHRG使用直徑為30mm的諧振器作為30P。通過(guò)去除諧振器外部的130P前導(dǎo)電極，共享檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)功能之間的共享內(nèi)部電極，實(shí)現(xiàn)了尺寸的顯著減小和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。新設(shè)計(jì)將部件數(shù)量減少到了原來(lái)的十分之一，如圖9所示，這不僅降低了零件的成本，還使新陀螺儀的工藝流程減少、復(fù)雜度大大降低。表2給出了Gen-2 mHRG的物理參數(shù)，圖10給出了陀螺儀的主要部件。

圖9  130P HRG設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化

mHRG優(yōu)秀的性能數(shù)據(jù)是通過(guò)廣泛的特征測(cè)試獲得。通過(guò)使用130P太空陀螺儀對(duì)mHRG進(jìn)行附加測(cè)試，130P禁用外部電極從而模擬mHRG。因?yàn)閮蓚€(gè)陀螺儀所有內(nèi)部傳感器組件是相同的，所以130Pi是高保真仿真。在自校準(zhǔn)過(guò)程中，反轉(zhuǎn)陀螺模式的過(guò)程導(dǎo)致在一段時(shí)間內(nèi)沒有輸出。為了保持連續(xù)輸出，使用冗余陀螺儀來(lái)彌合間隙。設(shè)計(jì)了一個(gè)雙陀螺ISA，用于演示在全溫范圍和旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)自校準(zhǔn)。

表2  Gen-2 mHRG的詳細(xì)信息

圖10  mHRG主要部件

mHRG性能數(shù)據(jù)如表3所示，這是一個(gè)很好的溫度自校準(zhǔn)的樣例。自校準(zhǔn)的有效性最好通過(guò)兩周的測(cè)試結(jié)果，陀螺儀的溫度范圍為20~50℃。當(dāng)測(cè)試為單陀螺儀時(shí)，8 h內(nèi)的零偏穩(wěn)定性為0.002 ~ 0.005 (o)/h。對(duì)兩周的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行Allan方差分析，結(jié)果顯示8 h內(nèi)的自校準(zhǔn)零偏穩(wěn)定性為0.0005 (o)/h，比自校準(zhǔn)應(yīng)用前觀察到的0.1 (o)/h好近200倍。基于此，應(yīng)繼續(xù)發(fā)展mHRG系統(tǒng)。

mHRG ISA已被組裝為用于驗(yàn)證mHRG自校準(zhǔn)的演示單元。由于演示的目的是驗(yàn)證mHRG和自校準(zhǔn)性能，所采用的方法是使用現(xiàn)有的控制和采集電子單元或軟件，以及嵌入式環(huán)路閉合信號(hào)處理軟件，而不是重新包裝。通過(guò)設(shè)計(jì)帶有夾具的測(cè)試裝置來(lái)確保四個(gè)獨(dú)立電子器件所需的牢固安裝，而不是ISA的一部分。為了使四個(gè)陀螺儀的數(shù)據(jù)同步，在第一通道采用公共處理器時(shí)鐘。這大大簡(jiǎn)化了處理四個(gè)耦合陀螺儀自校準(zhǔn)算法的流程。任務(wù)處理器協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)的運(yùn)行，但也是在實(shí)施機(jī)械化操作的。宿機(jī)安裝三個(gè)SiAC加速度計(jì)到ISA，得到所需的六自由度。mHRG ISA的詳細(xì)信息如表3所示，圖11所示為采用Gen- 2 mHRG的ISA演示單元。

表3  mHRG ISA的詳細(xì)信息

表4  mHRG ISA演示配置

圖11  基于Gen-2 mHRG的ISA演示單元

在陸地應(yīng)用中使用小型HRG的設(shè)想在HRG的概念階段就已存在。諾格公司的內(nèi)部研究成果mHRG是HRG在該領(lǐng)域的重大發(fā)展。即使mHRG大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，采用比太空陀螺儀少10倍的部件，仍能夠保持太空HRG的精度性能，而其關(guān)鍵是零偏和標(biāo)度因數(shù)自校準(zhǔn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。諾格公司下一步的計(jì)劃是研制一種能完全實(shí)時(shí)自校準(zhǔn)的mHRG，并將其產(chǎn)品化。第一個(gè)mHRG ISA演示單元已經(jīng)制造并正將mHRG和自校準(zhǔn)技術(shù)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)。