陀螺儀是感測(cè)運(yùn)動(dòng)體旋轉(zhuǎn)的傳感器。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類發(fā)現(xiàn)有近百余種物理現(xiàn)象可用來感知運(yùn)動(dòng)體相對(duì)慣性空間的旋轉(zhuǎn)。經(jīng)典陀螺儀是利用高速旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊所具有的定軸性和進(jìn)動(dòng)性，按動(dòng)量守恒原理制成的。由于轉(zhuǎn)子和框架支承構(gòu)造，儀表存在多種附加誤差。為避免機(jī)械摩擦，出現(xiàn)了撓性、氣浮、液浮、磁懸浮等多種結(jié)構(gòu)，形式各異的陀螺產(chǎn)品，同時(shí)又努力尋求無動(dòng)支承角速率及角位置傳感器。光學(xué)陀螺（RLG和FOG）、核磁共振、粒子、壓電晶體和諧振陀螺等應(yīng)用而生，其中，基于薩格奈克（Sagnac）效應(yīng)的RLG、FOG被作為無活動(dòng)轉(zhuǎn)子的固體陀螺得到應(yīng)用。HRG具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、啟動(dòng)時(shí)間短、漂移噪聲低、頻帶寬、穩(wěn)定性高、抗輻射、功耗低和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，即使停止激勵(lì)，振子振動(dòng)衰減時(shí)間依然可長(zhǎng)達(dá)27 min。

諧振陀螺是由法國(guó)科學(xué)家傅科1852年研制用于感測(cè)地球旋轉(zhuǎn)的傅科擺裝置，是人類研制最早的振動(dòng)陀螺。1890年，英國(guó)物理學(xué)家Byran G H發(fā)現(xiàn)敲擊旋轉(zhuǎn)紅酒杯會(huì)聽到差拍，發(fā)表旋轉(zhuǎn)酒杯駐波相對(duì)空間旋轉(zhuǎn)發(fā)表論文，奠定了HRG的發(fā)明。

（1）工作原理

HRG采用軸對(duì)稱環(huán)或殼體作敏感元件敏感角速度或角位置，是利用哥氏效應(yīng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量軸對(duì)稱殼體繞中心軸旋轉(zhuǎn)的角度或角速度的。

半球諧振子是HRG最重要的結(jié)構(gòu)，是結(jié)構(gòu)、材料、參數(shù)完全對(duì)稱的理想半球形，振子受激產(chǎn)生四波幅振動(dòng)。當(dāng)基座旋轉(zhuǎn)，駐波波腹就發(fā)生反向進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)角為旋轉(zhuǎn)角的30%，如圖1所示?；D(zhuǎn)90°，駐波反方向進(jìn)動(dòng)27°。進(jìn)動(dòng)角為不隨時(shí)間等因素變化的結(jié)構(gòu)固定參數(shù)。理想狀態(tài)標(biāo)度因數(shù)長(zhǎng)期穩(wěn)定，可免標(biāo)定。

圖1  HRG工作模態(tài)示意圖

HRG通常有兩種工作模式：

1）力平衡模式。在此模式中，陀螺旋轉(zhuǎn)使振子振型相對(duì)殼體環(huán)向進(jìn)動(dòng)，實(shí)時(shí)改變力平衡控制電極激勵(lì)力，使四波腹振型相對(duì)殼體不變。力平衡控制電極激勵(lì)力與輸入角速度成比例，測(cè)量精度較高。

2）全角模式。在此模式中，陀螺旋轉(zhuǎn)使振型在殼體環(huán)向自由偏轉(zhuǎn)，通過檢測(cè)進(jìn)動(dòng)角，反算出陀螺輸入角度大小，為全角模式。該模式角度直接輸出，標(biāo)度因數(shù)恒定，動(dòng)態(tài)范圍較大。斷電可保持工作狀態(tài)10min以上。

（2）基本結(jié)構(gòu)

HRG包含半球諧振子、激勵(lì)罩和讀出基座，如圖2所示。

圖2  HRG典型結(jié)構(gòu)

半球諧振子是敏感旋轉(zhuǎn)的元件，用熔融石英加工而成。置于激勵(lì)罩和讀出基座的小間隙間。石英元件表面全部金屬化并在激勵(lì)罩上形成環(huán)形電極和16個(gè)等間距分離的激勵(lì)電極，讀出基座上形成八個(gè)等間距讀出電極，使半球振子和激勵(lì)電極間、半球振子和讀出電極間形成多個(gè)小電容，用于信號(hào)讀出和諧振子靜電控制。

HRG分類如表1所示。

表1  HRG分類

HRG具有以下典型特點(diǎn)：

（1）大動(dòng)態(tài)范圍下的高精度：美國(guó)諾格公司為哈勃望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)的HRG精度可達(dá)0.000 08 (°)/h。全角和力平衡雙模式切換可實(shí)現(xiàn)±500 (°)/s以上的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)滿足0.001 (°)/h測(cè)量精度。

（2）低零件數(shù)量基礎(chǔ)上的高可靠性：核心零件數(shù)僅2~3個(gè)。據(jù)理論計(jì)算，HRG平均故障間隔時(shí)間（MTBF）大于120年。

（3）高可靠性基礎(chǔ)上的長(zhǎng)壽命：美國(guó)卡西尼號(hào)探測(cè)器用HRG組合系統(tǒng)20年太空飛行（1997—2017年）。整星燃料不足墜毀土星。HRG航天器應(yīng)用到目前為止100%成功。

（4）非量化的超低機(jī)械噪聲：據(jù)美國(guó)諾格公司報(bào)道，噪聲可至0.000 03 (°)/h。

（5）抗輻照：抗輻照能力＞100kRad。

（6）不影響精度的小體積：與光學(xué)陀螺不同，HRG精度不依賴體積。高精度應(yīng)用體積依然可保持較小。

（7）高線性度下的長(zhǎng)期免標(biāo)定：HRG全角模式的線性度可達(dá)0.1ppm左右，重復(fù)性好，終生免標(biāo)、免校。

法國(guó)賽峰集團(tuán)對(duì)旗下RLG、FOG與HRG進(jìn)行性能比較如圖3所示。其中0~5為指標(biāo)增優(yōu)等級(jí)，由圖3可知，HRG帶寬可達(dá)到光學(xué)陀螺水準(zhǔn)，同時(shí)體積、質(zhì)量、功耗、零偏穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、角度隨機(jī)游走等指標(biāo)優(yōu)勢(shì)明顯。賽峰公司認(rèn)為HRG未來可替代光學(xué)陀螺市場(chǎng)地位和份額，未來慣性產(chǎn)品市場(chǎng)將由高精度HRG和微型化微機(jī)電（MEMS）陀螺占據(jù)，如圖4所示。

圖3  賽峰集團(tuán)HRG與光學(xué)陀螺性能比較

圖4  賽峰集團(tuán)陀螺儀技術(shù)未來藍(lán)圖

固體波動(dòng)陀螺的基本原理是基于1890 年發(fā)現(xiàn)的軸對(duì)稱物體彈性波效應(yīng)，瑞利為諧振子振型提供了數(shù)學(xué)依據(jù)，由于制造技術(shù)，很長(zhǎng)時(shí)間僅處于理論研究，成果未能實(shí)際應(yīng)用。20世紀(jì)初，美國(guó)科學(xué)家Lynch對(duì)現(xiàn)代波動(dòng)陀螺理論及應(yīng)用發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。美國(guó)和俄羅斯在固體波動(dòng)陀螺研究上都投入了非常多的資金與精力，具有較高的理論水平。

美國(guó)是最早研究HRG的國(guó)家，諾格公司是定位高端高精度研究應(yīng)用代表，居世界最高水水平。1965年，美國(guó)Delco公司的Lynch D等人開始并研制出首個(gè)HRG。后Delco公司重組，研制擱置，直到1975年獲海軍航空司令部支持重新開始中等精度（50 (°)/h）的HRG研制，1979 年首次申請(qǐng)HRG專利并授權(quán)。1987—1990年，Delco公司針對(duì)戰(zhàn)略級(jí)系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)了HRG-130T，奠定諾格公司量產(chǎn)基礎(chǔ)。自1992 年公布HRG在MX洲際導(dǎo)彈試驗(yàn)成功，后Delco公司又為美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的哈勃望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)了Hubble HRG，測(cè)試精度達(dá)到0.00008 (°)/h，至今仍為HRG公開報(bào)道精度之最。

諾格公司第一款量產(chǎn)HRG型號(hào)為HRG-130Y。振子直徑30mm，大大減小了陀螺體積，精度得到了提升。后被HRG-130P取代。基于HRG-130P的慣性測(cè)量系統(tǒng)組合稱為可擴(kuò)展空間慣性參考單元（SSIRU）。SSIRU與基于HRG-130Y的空間慣性參考單元（SIRU）性能對(duì)比如表2所示。

表2  SIRU與SSIRU之間的性能對(duì)比

諾格公司在保持HRG-130P高精度的基礎(chǔ)上正在研發(fā)mHRG。零部件數(shù)只5個(gè)，下降10倍，諾格公司產(chǎn)品發(fā)展歷程如表3所示。

表3  諾格公司HRG產(chǎn)品列表

HRG產(chǎn)品在國(guó)際航天領(lǐng)域應(yīng)用最多，超過135套系統(tǒng)累計(jì)空間飛行達(dá)4 000萬小時(shí)，100％成功，涉及天基預(yù)警、對(duì)地觀測(cè)、深空探測(cè)等。諾格公司空間應(yīng)用已相當(dāng)成熟，1996年用于NEAR的卡西尼飛船首次飛向太空，20余年49億公里，2017年隨卡西尼飛船完成了歷史使命墜向土星。

美國(guó)HRG-130P完全勝任并超過戰(zhàn)略導(dǎo)彈三叉戟Mk6 LE系統(tǒng)對(duì)傳感器的要求（1999—2004年間，德雷珀為美國(guó)海軍測(cè)試評(píng)估）。2012年用于三叉戟Mk6 MOD1系統(tǒng)。

1992年，美國(guó)將HRG用于漢莎公司波音747-400飛機(jī)航空導(dǎo)航系統(tǒng)，為期1年商業(yè)飛行4 000 h，定位精度0.8 海里/小時(shí)。

作為高價(jià)值空間任務(wù)的優(yōu)先傳感器，近年來，諾格公司的SSIRU依然連續(xù)獲得了商業(yè)合同。2014年NASA的太陽探測(cè)附加（SPP）項(xiàng)目、2015年洛馬丁公司的天基紅外系統(tǒng)及2018年的空間勞拉系統(tǒng)，均選擇SSIRU作為其慣性測(cè)量單元。后續(xù)詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡也采用諾格公司的HRG作為姿態(tài)控制系統(tǒng)的核心單機(jī)。

俄羅斯20世紀(jì)80年代開展HRG相關(guān)技術(shù)研究。理論基礎(chǔ)深厚，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝獨(dú)具專長(zhǎng)，包括梅吉科、拉明斯克機(jī)械制造局兩家公司，產(chǎn)品精度達(dá)0.1~0.005 (°)/h（最高0.0005 (°)/h）。梅吉科公司最新型HRG為HRG-30ig，半球諧振子半徑30mm，零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.005 (°)/h、角度隨機(jī)游優(yōu)于0.003 (°)/h1/2。2012年7月用于Yubileiny-2衛(wèi)星，精度約0.01 (°)/h；2013年3月為歐洲引力波觀測(cè)站提供的HRG系統(tǒng)精度達(dá)到0.0005 (°)/h。

HRG密封在真空腔中，具有耐高溫、高壓和抗沖擊性。100 g的條件下仍具優(yōu)良性能，適合地質(zhì)鉆探應(yīng)用。梅吉科公司已研制HRG定向鉆井系統(tǒng)，用于井斜測(cè)試。拉明斯科機(jī)械制造局生產(chǎn)的HRG主要應(yīng)用于航空，精度為0.005~0.01 (°)/h的水平。拉明斯克儀表制造設(shè)計(jì)局早期研制直徑為100mm的HRG，近幾年，開發(fā)出直徑為50 mm，隨機(jī)漂移達(dá) 0.005~0.01 (°)/h的HRG。據(jù)報(bào)道，2013年蘇霍伊公司就考慮采用拉明斯克生產(chǎn)的HRG慣組系統(tǒng)，于2016年實(shí)現(xiàn)了工程樣機(jī)。

圖5  拉明斯科生產(chǎn)的HRG及其慣組

法國(guó)賽峰集團(tuán)作為歐洲頂級(jí)導(dǎo)航設(shè)備提供商，長(zhǎng)期從事靜電陀螺、RLG和HRG的生產(chǎn)，擁有30年空間應(yīng)用解決方案經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為“HRG在未來將取代靜電陀螺和RLG，并且能滿足超高精度（如戰(zhàn)略核潛艇）的應(yīng)用需求”。賽峰電子與防務(wù)公司已具備年產(chǎn)25 000軸，精度在0.1~0.001 (°)/h范圍HRG的能力。

HRG部件數(shù)量少確保其高可靠，在導(dǎo)航級(jí)陀螺儀中，體積、質(zhì)量、功耗最小；對(duì)振動(dòng)、溫度環(huán)境不敏感，抗沖擊（＞2 000 g），適應(yīng)惡劣工作環(huán)境；通過控制電路可實(shí)現(xiàn)陀螺誤差（漂移、標(biāo)度因數(shù)）在線自標(biāo)定。HRG諧振子直徑為20 mm，用平面電極簡(jiǎn)化了陀螺結(jié)構(gòu)，降低制造和裝配難度。已在航海、航天、航空、戰(zhàn)術(shù)武器、地面車輛等領(lǐng)域成功應(yīng)用，如圖7所示。

a）平面電極示意圖       b）HRG

圖6  賽峰電子與防務(wù)公司生產(chǎn)的HRG

全角模式的HRG特別適于海上導(dǎo)航應(yīng)用，Bluenaute系統(tǒng)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于海警船、水下機(jī)器人、后勤補(bǔ)給艦、科考船以及油輪游艇等。在軍事陸用車輛領(lǐng)域， SIGMA 20系統(tǒng)已用于車輛定位及火炮姿態(tài)穩(wěn)定等。在戰(zhàn)術(shù)武器領(lǐng)域，用于鐵錘（AASM Hammer）系列空對(duì)地精確制導(dǎo)武器的有4000余軸。在航天領(lǐng)域， REGYS20慣性測(cè)量已在8顆軌道通訊衛(wèi)星應(yīng)用，共100余軸。基于預(yù)測(cè)，賽峰電子與防務(wù)公司將HRG及其慣性測(cè)量列為公司重點(diǎn)發(fā)展方向。

隨著慣性導(dǎo)航技術(shù)和先進(jìn)制造的發(fā)展，國(guó)內(nèi)已有多家單位和部分院校投入HRG研究，對(duì)球諧振陀螺理論與應(yīng)用進(jìn)行了嘗試，取得了一定成效。盡管已有多項(xiàng)型號(hào)任務(wù)采用HRG組合系統(tǒng)，但在隨機(jī)漂移、動(dòng)態(tài)范圍、質(zhì)量與產(chǎn)能等依然存在差距，如表4所示。

表4 國(guó)內(nèi)外HRG產(chǎn)品與技術(shù)差距

結(jié)合HRG現(xiàn)狀及應(yīng)用需求，其未來主要發(fā)展趨勢(shì)為：高精度、輕質(zhì)小型化、低成本、大動(dòng)態(tài)等。主要關(guān)鍵技術(shù)有：諧振子超精密加工、諧振子質(zhì)量調(diào)平、高精密裝配等。

（1）諧振子材料研究

品質(zhì)因數(shù)Q值是諧振電路中的一個(gè)非常重要的衡量參數(shù)，可用于衡量諧振電路帶寬、頻率選擇性等。諧振子材料對(duì)諧振子Q值有很大影響。選擇諧振子材料時(shí)需要綜合考慮：1）較高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)；2）良好的各向同性；3）較小的溫度系數(shù)。針對(duì)高精度，應(yīng)開展更高Q值的諧振子材料研究，包括在現(xiàn)有的熔融石英方案基礎(chǔ)上，對(duì)熔融石英進(jìn)行改進(jìn)，或者發(fā)展藍(lán)寶石等新型材料；針對(duì)小型化方向，由于硅材料對(duì)MEMS工藝具有很好的兼容性，可開展硅材料諧振的研究，實(shí)現(xiàn)諧振子的小型化甚至微型化；針對(duì)低成本方向，可開展金屬材料諧振子研究，金屬材料具有易加工、成本低等優(yōu)勢(shì)，有望在中低端領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

（2）兩件套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

 兩件套技術(shù)是指將陀螺激勵(lì)罩去除，采用電極分時(shí)復(fù)用，利用同一電極實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振子的激勵(lì)和振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)。目前，法國(guó)賽峰電子與防務(wù)公司的HRG以及諾格公司的mili-HRG均采用兩件套技術(shù)，該技術(shù)大大減少了陀螺零件數(shù)、制造工藝難度以及體積質(zhì)量，使得陀螺可靠性、產(chǎn)能以及市場(chǎng)需求大幅度提升。兩件套技術(shù)是未來發(fā)展的重要方向。      

（3）低應(yīng)力加工與裝配技術(shù)

半球諧振子是由半球殼和錨桿組成的軸線對(duì)稱結(jié)構(gòu)。球碗內(nèi)有支撐桿，外球面也有支撐桿，加工第一步是通過車床車削得到原始的帶支撐桿的碗狀模型，再經(jīng)過磨床進(jìn)行精密打磨以達(dá)到滿足精度要求的表面光潔度。對(duì)于高品質(zhì)半球諧振子而言,一方面要保證諧振頻率的穩(wěn)定性,另一方面還要保證振型的穩(wěn)定性。

在半球諧振子加工和裝配過程中引起的應(yīng)力損傷。會(huì)在諧振子表面留下肉眼無法分別的細(xì)小裂紋，導(dǎo)致諧振子Q值和陀螺對(duì)稱性的損失，影響陀螺零偏穩(wěn)定性、重復(fù)性、噪聲、標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性等核心精度指標(biāo)。需開展低應(yīng)力加工和裝配技術(shù)研究，通過降低加工和裝配過程中各種應(yīng)力，降低諧振子Q值損失，抑制頻差增加，實(shí)現(xiàn)陀螺精度的提升。HRG裝配過程復(fù)雜，極大增加了陀螺的制造難度，導(dǎo)致陀螺產(chǎn)品成品率低、指標(biāo)一致性差，需提高裝配過程自動(dòng)化。

（4）高精度陀螺控制技術(shù)

HRG的電子系統(tǒng)包括信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)與信號(hào)控制系統(tǒng)，通過對(duì)諧振子振動(dòng)信號(hào)高精度檢測(cè)和處理得到陀螺儀相對(duì)慣性空間旋轉(zhuǎn)角速度以及陀螺控制所需的誤差信號(hào), 根據(jù)檢測(cè)誤差信號(hào)對(duì)陀螺進(jìn)行控制，保證控制電路穩(wěn)定性。縱觀國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用范圍需求，HRG應(yīng)通過不同的工作模式，形成不同精度和等級(jí)儀表，應(yīng)對(duì)不同行業(yè)裝備需求。

（5）系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

應(yīng)用場(chǎng)合不同，HRG應(yīng)有不同使用方式，應(yīng)該系統(tǒng)性分析HRG在捷聯(lián)系統(tǒng)、平臺(tái)系統(tǒng)中的使用特點(diǎn)和需求，利用全角度和力平衡雙模式的自由切換，滿足系統(tǒng)的應(yīng)用。HRG對(duì)于力學(xué)、熱學(xué)環(huán)境較為敏感，在高精度應(yīng)用過程中，需通過設(shè)計(jì)盡量避免多軸陀螺間的電信號(hào)串?dāng)_，為其提供一個(gè)良好的力熱工作環(huán)境。

（6）高精度測(cè)試、標(biāo)定技術(shù)

HRG可在±500 (°)/s動(dòng)態(tài)范圍下實(shí)現(xiàn)0.001 (°)/h甚至0.0001 (°)/h的精度，現(xiàn)有標(biāo)定設(shè)備已無法滿足要求。此外，超高精度條件下，環(huán)境干擾對(duì)測(cè)試帶來了巨大的影響?！霸趺礈y(cè)”是超高精度HRG面臨的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。

HRG技術(shù)發(fā)展，可以勢(shì)必對(duì)深空探測(cè)、國(guó)防裝備以及相關(guān)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)產(chǎn)生重大影響，必須針對(duì)性做好重點(diǎn)關(guān)注：

（1）材料技術(shù)。HRG研制過程，嘗試過石英、金屬、硅、金剛石、陶瓷等各種諧振子材料，最終無一例外指向高Q值、低阻尼的材料研制方向。目前最為成熟、使用最廣的高Q值材料為熔融石英玻璃。在材料的研制過程中，原料的純度、雜質(zhì)類型、晶格缺陷、熱處理方式等均會(huì)對(duì)材料的Q值產(chǎn)生極大影響。目前，國(guó)內(nèi)尚缺乏關(guān)于金屬、非金屬材料Q值檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)方法和設(shè)備，缺乏一致性和廣泛認(rèn)可的評(píng)價(jià)體系，不利于HRG技術(shù)的進(jìn)步和推進(jìn)。

（2）制造技術(shù)。從國(guó)內(nèi)外相關(guān)報(bào)道可知，HRG在結(jié)構(gòu)、精度、功耗、價(jià)格和可靠性方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于機(jī)械和光學(xué)陀螺。但是，諧振子制造核心是應(yīng)力和幾何精度，機(jī)械加工無法保證諧振子在各個(gè)方向上的質(zhì)量一致。原先需要在制造過程中在諧振子的唇沿處設(shè)置大量開口的齒槽，加工后期再對(duì)齒槽進(jìn)行祛除與修正，盡量使得諧振子接近完美的軸對(duì)稱。目前，國(guó)際上多采用離子束進(jìn)行曲面調(diào)平，以期達(dá)到更為理想的對(duì)稱性。針對(duì)熔石英玻璃半球諧振子的特點(diǎn)，可采用范成法球面展成原理進(jìn)行精密球面珩磨、研磨加工，但是，需要專有的珩磨、研磨頭，同時(shí)還要進(jìn)行防彈性變形工裝設(shè)計(jì)和制作，以及專門磨削工藝研究。

（3）新型控制技術(shù)。自校準(zhǔn)模式是諾格公司近期大力發(fā)展的一種新型控制模式，在該模式下，陀螺諧振子在一組簡(jiǎn)并模態(tài)上呈周期性的交替振動(dòng)，從而抑制了驅(qū)動(dòng)軸、檢測(cè)軸之間的非對(duì)稱性。通過連續(xù)自校準(zhǔn)，可使陀螺的零位下降2~3個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)提高陀螺標(biāo)度因數(shù)線性度和信噪比。該技術(shù)是提高陀螺精度指標(biāo)的重要途徑。

（4）超高精度測(cè)試環(huán)境。對(duì)于HRG除了材料的選擇，諧振子制造和工藝量化的問題之外，還有一個(gè)影響精度的至關(guān)重要問題就是超高精度測(cè)試環(huán)境的建立，包括誤差辨識(shí)與分離技術(shù)以及高精度慣性測(cè)試技術(shù)。