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2018年3月26日到29日，在意大利科莫湖舉行的第五屆IEEE慣性傳感器與系統國際研讨會上，法國賽峰公司法布裡斯·德爾海耶以《HRG by : The game- 》為題，對HRG原理、應用、極限精度、測試結論作了發言。稱半球諧振子陀螺角度随機遊走為0.000 2 (°)/h1/2（數據收集時間2 000 h）、标度因數穩定性可降低到0.1 ppm（有效值）、零偏穩定性可降到0.000 1 (°)/h。結論：HRG能滿足無可比拟的應用需求。從極具成本效益的海上羅經到靜電陀螺（ESG）級戰略潛艇導航，從探測器三腳架安裝到太空發射器導航。即使在惡劣環境條件下也能滿足精度要求，經濟高效。賽峰公司提出，“HRG不僅僅是一種創新的陀螺技術，更是一項颠覆性的技術突破，不僅可以取代環形激光陀螺儀（RLG）和光纖陀螺儀（FOG），甚至可以替代ESG。”

HRG概述1曆史背景

陀螺儀是感測運動體旋轉的傳感器。随着科學技術的發展，人類發現有近百餘種物理現象可用來感知運動體相對慣性空間的旋轉。經典陀螺儀是利用高速旋轉質量塊所具有的定軸性和進動性，按動量守恒原理制成的。由于轉子和框架支承構造，儀表存在多種附加誤差。為避免機械摩擦，出現了撓性、氣浮、液浮、磁懸浮等多種結構，形式各異的陀螺産品，同時又努力尋求無動支承角速率及角位置傳感器。光學陀螺（RLG和FOG）、核磁共振、粒子、壓電晶體和諧振陀螺等應用而生，其中，基于薩格奈克（）效應的RLG、FOG被作為無活動轉子的固體陀螺得到應用。HRG具有結構簡單、精度高、啟動時間短、漂移噪聲低、頻帶寬、穩定性高、抗輻射、功耗低和性價比高等優點，即使停止激勵，振子振動衰減時間依然可長達27 min。

諧振陀螺是由法國科學家傅科1852年研制用于感測地球旋轉的傅科擺裝置，是人類研制最早的振動陀螺。1890年，英國物理學家Byran G H發現敲擊旋轉紅酒杯會聽到差拍，發表旋轉酒杯駐波相對空間旋轉發表論文，奠定了HRG的發明。

2基本原理

（1）工作原理

HRG采用軸對稱環或殼體作敏感元件敏感角速度或角位置，是利用哥氏效應實現測量軸對稱殼體繞中心軸旋轉的角度或角速度的。

半球諧振子是HRG最重要的結構，是結構、材料、參數完全對稱的理想半球形，振子受激産生四波幅振動。當基座旋轉，駐波波腹就發生反向進動，進動角為旋轉角的30%，如圖1所示。基座旋轉90°，駐波反方向進動27°。進動角為不随時間等因素變化的結構固定參數。理想狀态标度因數長期穩定，可免标定。

圖1 HRG工作模态示意圖

HRG通常有兩種工作模式：

1）力平衡模式。在此模式中，陀螺旋轉使振子振型相對殼體環向進動，實時改變力平衡控制電極激勵力，使四波腹振型相對殼體不變。力平衡控制電極激勵力與輸入角速度成比例，測量精度較高。

2）全角模式。在此模式中，陀螺旋轉使振型在殼體環向自由偏轉，通過檢測進動角，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，标度因數恒定，動态範圍較大。斷電可保持工作狀态10min以上。

（2）基本結構

HRG包含半球諧振子、激勵罩和讀出基座，如圖2所示。

圖2 HRG典型結構

半球諧振子是敏感旋轉的元件，用熔融石英加工而成。置于激勵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罩上形成環形電極和16個等間距分離的激勵電極，讀出基座上形成八個等間距讀出電極，使半球振子和激勵電極間、半球振子和讀出電極間形成多個小電容，用于信号讀出和諧振子靜電控制。

3分類

HRG分類如表1所示。

表1 HRG分類

結構形式

三件套

諧振子、激勵罩及檢測基座。激勵罩和檢測基座分别置于諧振子内外，獨立完成驅動檢測。

三件套構型與兩套件構型相比，可避免驅動信号耦合串擾進入檢測信号，可實現更高精度。

三件套構型零件數量多，體積大，裝配難度更大，成本更高。

兩件套

球面電極

半球諧振子和球面電極基座。基座均布8/16獨立驅動/檢測電極。相同尺寸，球面電極面積大，諧振子徑向位移檢測與三件套相同，運動學模型成熟。

平面電極

半球諧振子和平面電極基座。基座均布8/16個獨立驅動或檢測電極。平面電極加工和裝配難度降低，為獲較大電容，電極間隙控制在μm級，法向位移檢測，運動學模型複雜。

控制形式

全角模式

積分模式，角度信号直接輸出，動态範圍理論無限大，線性度高＜1ppm。具斷電保持（10~20min）有效工作。适于轉速大于300 (°)/ s情況性能保持。有頻率控制環(參考相位控制回路)跟蹤振子固有頻率；幅度控制環保持控制駐波振動幅度；正交控制環修正振子不平衡誤差，抑制正交波波腹增長的三環控制。

全角模式，振子四波腹振型在輸入激勵作用下自由進動。檢測四波腹振型方位角位置，據振型進動角推算陀螺旋轉角度。測量範圍大，動态特性好，标度因數精、非線性度小于1 ppm。對駐波方位角測量分辨率低和不準會造成角度噪聲。補償模型複雜。

力平衡模式，噪聲特性低，測角精度高。駐波方位角固定（與0度電極軸對準），輸出噪聲較易建模。反饋力受限電極電壓，測量範圍不大。

力平衡模式

速率模式，靜電力控制駐波波型與載體保持相對靜止，與載體角速度成正比。振子節點位置施加靜電力（力平衡信号）抑制振子進動，保持振子運動狀态穩定。力平衡信号與振子進動角速度成正比，與輸入角速度成正比。振子工作狀态相同穩定，系統精度較高。受限力平衡信号電壓，動态範圍有限。

速率控制環（力平衡回路）提供反饋信号，産生平衡力矩，控制振型方位角保持在諧振子上固定位置。

自校準式

新型控制模式，陀螺諧振子在一組簡并模态上呈周期性交替振動，抑制驅動軸、檢測軸間非對稱性。可将陀螺零位降低2~3個量級，提高陀螺标度因數和信噪比。

電極形式

環形

用環形電極施加穩定直流電壓，利用振子振動過程電容變化，形成交變驅動力，方向、頻率、相位均與振子諧振狀态保持一緻

電極制造簡單，電極間耦合小，系統控制精度與環形電極相比略有差距。

分離

利用一對正交分離電極拟合360°周向方向的虛拟電極位置，實現諧振子進動角度的高精度檢測和跟蹤。

電極使用

連續

傳統電極驅動和檢測同時，高頻微弱信号的交叉耦合，形成電磁耦合幹擾。

分時複用可降低驅動檢測耦合和噪聲水平。控制方式複雜，切換時刻波形控制要求嚴格，諧振子品質因數要高。

分時

采用驅動、檢測周期交替，驅動周期不檢測、檢測周期不激勵，降低驅動、檢測信号交叉耦合。

4HRG特點

HRG具有以下典型特點：

（1）大動态範圍下的高精度：美國諾格公司為哈勃望遠鏡設計的HRG精度可達0.000 08 (°)/h。全角和力平衡雙模式切換可實現±500 (°)/s以上的動态範圍，同時滿足0.001 (°)/h測量精度。

（2）低零件數量基礎上的高可靠性：核心零件數僅2~3個。據理論計算，HRG平均故障間隔時間（MTBF）大于120年。

（3）高可靠性基礎上的長壽命：美國卡西尼号探測器用HRG組合系統20年太空飛行（1997—2017年）。整星燃料不足墜毀土星。HRG航天器應用到目前為止100%成功。

（4）非量化的超低機械噪聲：據美國諾格公司報道，噪聲可至0.000 03 (°)/h。

（5）抗輻照：抗輻照能力＞。

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

（7）高線性度下的長期免标定：HRG全角模式的線性度可達0.1ppm左右，重複性好，終生免标、免校。

5發展趨勢

法國賽峰集團對旗下RLG、FOG與HRG進行性能比較如圖3所示。其中0~5為指标增優等級，由圖3可知，HRG帶寬可達到光學陀螺水準，同時體積、質量、功耗、零偏穩定性、溫度穩定性、角度随機遊走等指标優勢明顯。賽峰公司認為HRG未來可替代光學陀螺市場地位和份額，未來慣性産品市場将由高精度HRG和微型化微機電（MEMS）陀螺占據，如圖4所示。

圖3 賽峰集團HRG與光學陀螺性能比較

圖4 賽峰集團陀螺儀技術未來藍圖

HRG國外現狀及應用

固體波動陀螺的基本原理是基于1890 年發現的軸對稱物體彈性波效應，瑞利為諧振子振型提供了數學依據，由于制造技術，很長時間僅處于理論研究，成果未能實際應用。20世紀初，美國科學家Lynch對現代波動陀螺理論及應用發展做出了重要貢獻。美國和俄羅斯在固體波動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。

1美國

美國是最早研究HRG的國家，諾格公司是定位高端高精度研究應用代表，居世界最高水水平。1965年，美國Delco公司的Lynch D等人開始并研制出首個HRG。後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HRG專利并授權。1987—1990年，Delco公司針對戰略級系統應用設計了HRG-130T，奠定諾格公司量産基礎。自1992 年公布HRG在MX洲際導彈試驗成功，後Delco公司又為美國國家航空航天局（NASA）的哈勃望遠鏡設計了 HRG，測試精度達到0.00008 (°)/h，至今仍為HRG公開報道精度之最。

諾格公司第一款量産HRG型号為HRG-130Y。振子直徑30mm，大大減小了陀螺體積，精度得到了提升。後被HRG-130P取代。基于HRG-130P的慣性測量系統組合稱為可擴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）性能對比如表2所示。

表2 SIRU與SSIRU之間的性能對比

指标

SIRU

（量程±12 (°)/s）

SSIRU

（量程±12 (°)/s）

指标提升倍數

角度白噪聲（(″)/Hz1/2）

0.14

0.001

14X

角度随機遊走（(°)/h1/2）

0.000 6

0.000 06

10X

零偏穩定性（(°)/h，1σ）

0.005

0.000 5

10X

标度因數穩定性（ppm，1σ）

100

1.0

100X

标度因數線性度（ppm，1σ）

100

1.0

100X

諾格公司在保持HRG-130P高精度的基礎上正在研發mHRG。零部件數隻5個，下降10倍，諾格公司産品發展曆程如表3所示。

表3 諾格公司HRG産品列表

時間

1980—2004年

2004至今

2012至今

産品

陀螺：HRG-130Y

系統：SIRU

陀螺：HRG-130P

系統：SSIRU

陀螺：mHRG

現狀

停産，被130P取代

主要工程應用産品

工程樣機-未見應用報道

精度

0.01~0.002 (°)/h

0.001~0.000 5 (°)/h

0.005~0.0005 (°)/h

技術

1）三件套結構

2）激光制齒諧振子

3）力平衡-全角模式

1）改進三件套結構及裝配技術

2）低應力鍍膜 調平技術優化

3）力平衡-全角複合控制優化

1）兩套件-結構精簡

2）改進電路控制技術

3）自校準技術

HRG産品在國際航天領域應用最多，超過135套系統累計空間飛行達4 000萬小時，100％成功，涉及天基預警、對地觀測、深空探測等。諾格公司空間應用已相當成熟，1996年用于NEAR的卡西尼飛船首次飛向太空，20餘年49億公裡，2017年随卡西尼飛船完成了曆史使命墜向土星。

美國HRG-130P完全勝任并超過戰略導彈三叉戟Mk6 LE系統對傳感器的要求（1999—2004年間，德雷珀為美國海軍測試評估）。2012年用于三叉戟Mk6 MOD1系統。

1992年，美國将HRG用于漢莎公司波音747-400飛機航空導航系統，為期1年商業飛行4 000 h，定位精度0.8 海裡/小時。

作為高價值空間任務的優先傳感器，近年來，諾格公司的SSIRU依然連續獲得了商業合同。2014年NASA的太陽探測附加（SPP）項目、2015年洛馬丁公司的天基紅外系統及2018年的空間勞拉系統，均選擇SSIRU作為其慣性測量單元。後續詹姆斯·韋伯太空望遠鏡也采用諾格公司的HRG作為姿态控制系統的核心單機。

2俄羅斯

俄羅斯20世紀80年代開展HRG相關技術研究。理論基礎深厚，結構設計、制造工藝獨具專長，包括梅吉科、拉明斯克機械制造局兩家公司，産品精度達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，零偏穩定性優于0.005 (°)/h、角度随機遊優于0.003 (°)/h1/2。2012年7月用于-2衛星，精度約0.01 (°)/h；2013年3月為歐洲引力波觀測站提供的HRG系統精度達到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的條件下仍具優良性能，适合地質鑽探應用。梅吉科公司已研制HRG定向鑽井系統，用于井斜測試。拉明斯科機械制造局生産的HRG主要應用于航空，精度為0.005~0.01 (°)/h的水平。拉明斯克儀表制造設計局早期研制直徑為100mm的HRG，近幾年，開發出直徑為50 mm，随機漂移達 0.005~0.01 (°)/h的HRG。據報道，2013年蘇霍伊公司就考慮采用拉明斯克生産的HRG慣組系統，于2016年實現了工程樣機。

圖5 拉明斯科生産的HRG及其慣組

3法國

法國賽峰集團作為歐洲頂級導航設備提供商，長期從事靜電陀螺、RLG和HRG的生産，擁有30年空間應用解決方案經驗，認為“HRG在未來将取代靜電陀螺和RLG，并且能滿足超高精度（如戰略核潛艇）的應用需求”。賽峰電子與防務公司已具備年産25 000軸，精度在0.1~0.001 (°)/h範圍HRG的能力。

HRG部件數量少确保其高可靠，在導航級陀螺儀中，體積、質量、功耗最小；對振動、溫度環境不敏感，抗沖擊（＞2 000 g），适應惡劣工作環境；通過控制電路可實現陀螺誤差（漂移、标度因數）在線自标定。HRG諧振子直徑為20 mm，用平面電極簡化了陀螺結構，降低制造和裝配難度。已在航海、航天、航空、戰術武器、地面車輛等領域成功應用，如圖7所示。

a）平面電極示意圖 b）HRG

圖6 賽峰電子與防務公司生産的HRG

全角模式的HRG特别适于海上導航應用，系統産品廣泛應用于海警船、水下機器人、後勤補給艦、科考船以及油輪遊艇等。在軍事陸用車輛領域， SIGMA 20系統已用于車輛定位及火炮姿态穩定等。在戰術武器領域，用于鐵錘（AASM ）系列空對地精确制導武器的有4000餘軸。在航天領域， 慣性測量已在8顆軌道通訊衛星應用，共100餘軸。基于預測，賽峰電子與防務公司将HRG及其慣性測量列為公司重點發展方向。

随着慣性導航技術和先進制造的發展，國内已有多家單位和部分院校投入HRG研究，對球諧振陀螺理論與應用進行了嘗試，取得了一定成效。盡管已有多項型号任務采用HRG組合系統，但在随機漂移、動态範圍、質量與産能等依然存在差距，如表4所示。

表4 國内外HRG産品與技術差距

器件生産

集成應用

指标

材料

精度

産能

體積和

質量

動态

環境保障

測試補償

技術差距

1）原材料Q值測量

2）熱處理

3）高物理性能石英材料制備

1）高精度加工工藝

2）高精度裝調技術

3）陀螺标定補償

1)高精度批量化術

2)高精度自動裝調

3)諧振子化學抛光

1)兩套件結構設計技術

2)電路共用技術

3）ASIC電路技術

1）全角模式控制電路技術

2）雙控制模式切換技術

1）高穩定兩級溫控技術

2）系統抗輻加固技術

1）高精度儀表測試技術

2）系統隔振與解耦設計

3）陀螺标定補償技術

産品差距

材料自身Q值較低，影響器件性能水平

距型号要求和國外相比有差距

器件的一緻性較差，産能嚴重不足

與國外同類産品相比，體積重量較大

動态範圍較小，全角模式産品空白

與國外相比，環境适應能力不足

缺乏高精度測試設備，标定與補償技術落後

HRG關鍵技術

結合HRG現狀及應用需求，其未來主要發展趨勢為：高精度、輕質小型化、低成本、大動态等。主要關鍵技術有：諧振子超精密加工、諧振子質量調平、高精密裝配等。

（1）諧振子材料研究

品質因數Q值是諧振電路中的一個非常重要的衡量參數，可用于衡量諧振電路帶寬、頻率選擇性等。諧振子材料對諧振子Q值有很大影響。選擇諧振子材料時需要綜合考慮：1）較高的機械品質因數；2）良好的各向同性；3）較小的溫度系數。針對高精度，應開展更高Q值的諧振子材料研究，包括在現有的熔融石英方案基礎上，對熔融石英進行改進，或者發展藍寶石等新型材料；針對小型化方向，由于矽材料對MEMS工藝具有很好的兼容性，可開展矽材料諧振的研究，實現諧振子的小型化甚至微型化；針對低成本方向，可開展金屬材料諧振子研究，金屬材料具有易加工、成本低等優勢，有望在中低端領域獲得應用。

（2）兩件套結構設計技術

兩件套技術是指将陀螺激勵罩去除，采用電極分時複用，利用同一電極實現對諧振子的激勵和振動信号檢測。目前，法國賽峰電子與防務公司的HRG以及諾格公司的mili-HRG均采用兩件套技術，該技術大大減少了陀螺零件數、制造工藝難度以及體積質量，使得陀螺可靠性、産能以及市場需求大幅度提升。兩件套技術是未來發展的重要方向。

（3）低應力加工與裝配技術

半球諧振子是由半球殼和錨杆組成的軸線對稱結構。球碗内有支撐杆，外球面也有支撐杆，加工第一步是通過車床車削得到原始的帶支撐杆的碗狀模型，再經過磨床進行精密打磨以達到滿足精度要求的表面光潔度。對于高品質半球諧振子而言,一方面要保證諧振頻率的穩定性,另一方面還要保證振型的穩定性。

在半球諧振子加工和裝配過程中引起的應力損傷。會在諧振子表面留下肉眼無法分别的細小裂紋，導緻諧振子Q值和陀螺對稱性的損失，影響陀螺零偏穩定性、重複性、噪聲、标度因數穩定性等核心精度指标。需開展低應力加工和裝配技術研究，通過降低加工和裝配過程中各種應力，降低諧振子Q值損失，抑制頻差增加，實現陀螺精度的提升。HRG裝配過程複雜，極大增加了陀螺的制造難度，導緻陀螺産品成品率低、指标一緻性差，需提高裝配過程自動化。

（4）高精度陀螺控制技術

HRG的電子系統包括信号檢測系統與信号控制系統，通過對諧振子振動信号高精度檢測和處理得到陀螺儀相對慣性空間旋轉角速度以及陀螺控制所需的誤差信号, 根據檢測誤差信号對陀螺進行控制，保證控制電路穩定性。縱觀國内外技術現狀及應用範圍需求，HRG應通過不同的工作模式，形成不同精度和等級儀表，應對不同行業裝備需求。

（5）系統應用技術

應用場合不同，HRG應有不同使用方式，應該系統性分析HRG在捷聯系統、平台系統中的使用特點和需求，利用全角度和力平衡雙模式的自由切換，滿足系統的應用。HRG對于力學、熱學環境較為敏感，在高精度應用過程中，需通過設計盡量避免多軸陀螺間的電信号串擾，為其提供一個良好的力熱工作環境。

（6）高精度測試、标定技術

HRG可在±500 (°)/s動态範圍下實現0.001 (°)/h甚至0.0001 (°)/h的精度，現有标定設備已無法滿足要求。此外，超高精度條件下，環境幹擾對測試帶來了巨大的影響。“怎麼測”是超高精度HRG面臨的一個現實問題。

對HRG技術發展的思考

HRG技術發展，可以勢必對深空探測、國防裝備以及相關國民經濟建設産生重大影響，必須針對性做好重點關注：

（1）材料技術。HRG研制過程，嘗試過石英、金屬、矽、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、雜質類型、晶格缺陷、熱處理方式等均會對材料的Q值産生極大影響。目前，國内尚缺乏關于金屬、非金屬材料Q值檢測的标準方法和設備，缺乏一緻性和廣泛認可的評價體系，不利于HRG技術的進步和推進。

（2）制造技術。從國内外相關報道可知，HRG在結構、精度、功耗、價格和可靠性方面遠遠優于機械和光學陀螺。但是，諧振子制造核心是應力和幾何精度，機械加工無法保證諧振子在各個方向上的質量一緻。原先需要在制造過程中在諧振子的唇沿處設置大量開口的齒槽，加工後期再對齒槽進行祛除與修正，盡量使得諧振子接近完美的軸對稱。目前，國際上多采用離子束進行曲面調平，以期達到更為理想的對稱性。針對熔石英玻璃半球諧振子的特點，可采用範成法球面展成原理進行精密球面珩磨、研磨加工，但是，需要專有的珩磨、研磨頭，同時還要進行防彈性變形工裝設計和制作，以及專門磨削工藝研究。

（3）新型控制技術。自校準模式是諾格公司近期大力發展的一種新型控制模式，在該模式下，陀螺諧振子在一組簡并模态上呈周期性的交替振動，從而抑制了驅動軸、檢測軸之間的非對稱性。通過連續自校準，可使陀螺的零位下降2~3個數量級，同時提高陀螺标度因數線性度和信噪比。該技術是提高陀螺精度指标的重要途徑。

（4）超高精度測試環境。對于HRG除了材料的選擇，諧振子制造和工藝量化的問題之外，還有一個影響精度的至關重要問題就是超高精度測試環境的建立，包括誤差辨識與分離技術以及高精度慣性測試技術。

HRG技術是近些年來發展的一項颠覆性慣性技術，具有高精度、低噪聲、大動态、長壽命和高可靠性等慣性産品追求的一貫特點，同時還具備标度因數長期穩定、精度不随體積影響、斷電性能保持等特征。因此，包括賽峰電子與防務公司在内的衆多國外研究機構認為，未來HRG可能占據陀螺産品的主要市場。

作者：趙萬良 宋麗君 成宇翔等，本文選自《國外慣性技術信息》2019年第3期