《谐振陀螺仪与系统技术》赵小明，蒋效雄，魏艳勇作|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《谐振陀螺仪与系统技术》

【作　者】赵小明，蒋效雄，魏艳勇作

【页 数】 223

【出版社】 北京：国防工业出版社 , 2021.05

【ISBN号】978-7-118-12287-9

【参考文献】 赵小明，蒋效雄，魏艳勇作. 谐振陀螺仪与系统技术. 北京：国防工业出版社, 2021.05.

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《谐振陀螺仪与系统技术》内容提要：

本书所指的谐振陀螺仪（又称为固体波动陀螺仪）是基于轴对称结构弹性波惯性原理的谐振陀螺仪。本书主要围绕半球谐振陀螺仪和金属筒形谐振陀螺仪这两大类陀螺仪展开论述。谐振陀螺仪具有工作寿命长、精度高、随机误差小、抗恶劣环境稳定性高（如高低温、超载、振动、γ辐射方面的稳定性），以及体积、重量和功耗相对较小．并且在短时断电时保存惯性信息的特点，被国际惯性技术界认为是21世纪能够广泛应用的最理想的惯性元件。谐振陀螺仪惯性导航系统具有高精度、高可靠、免标定等特点，具有非常优越的特性和广阔的应用前景。本书系统地论述了谐振陀螺仪的原理、结构设计、核心谐振子加工、调平、装配、电子线路及测试技术，同时介绍了谐振陀螺惯性导航系统原理、误差方程、机械编排、自校准技术等。本书可供从事谐振陀螺仪及谐振陀螺仪惯性导航系统研究、设计的工程技术人员及相关院校师生阅读。

《谐振陀螺仪与系统技术》内容试读

第1章

绪论

1.1谐振陀螺仪概述

陀螺仪是一种测量角度和角速度的重要惯性器件，自问世以来，引起人们极大的关注，在航天、航空、航海、兵器等领域中有着广泛应用。即便是在科学技术突飞猛进的今天，与陀螺仪相关的技术，仍然是人们关注的焦点之一[1-2]。

目前，人们发现大约有一百多种物理现象可以用来感测运动体相对于惯性空间的旋转，并在此基础上，研究了许多不同类型的陀螺仪。经典的机械转子类陀螺仪依据质量体/刚体在高速旋转时具有的定轴性和进动性的原理制成。但是这种类型的陀螺仪由于在构造上存在转子和框架支撑，旋转中转子的质心位置变化及输出轴上支撑的摩擦力会对陀螺仪的精度产生多种附加的误差。为了尽可能避免活动部件以及机械摩擦带来的影响，相关研究人员一直致力于研究不需要高速转子和支撑的新型陀螺仪，1913年，Sagnac论证了运用无运动部件的光学系统同样能够检测相对惯性空间的旋转：1962年，Rosenthal提出采用环形激光腔增强灵敏度；l967年，Pircher和Hepner发明了光纤陀螺仪。目前，光纤陀螺仪和激光陀螺仪技术已基本成熟。1965年，D.D.Lych团队研制出基于弹性波的惯性效应（布莱恩效应）的谐振陀螺仪，目前得到长足发展和广泛应用[3-4

谐振陀螺仪又称为固体波动陀螺仪，因其谐振子的结构特点分为筒形谐振陀螺仪、半球谐振陀螺仪、环形谐振陀螺仪、盘形谐振陀螺仪、抛物线面形谐振陀螺仪等，其中半球谐振陀螺仪(hemisphere resonator gyro,HRG)是目前精度最高的谐振陀螺仪。半球谐振陀螺仪以其独特的优点越来越受到人们的重视，其具有以下优点[5)：

(1)全固态结构，结构简单。谐振陀螺仪的核心工作零部件只有1~3件，并且工作时只有微米级的振动，没有宏观可动部件。

」谐振陀螺仪与系统技术

(2)不需预热和加速时间，启动时间短，可以在1s内达到满工作状态，具有很高的对准精度。

(3)带宽大，漂移噪声低，具有长期漂移稳定性。

(4)能承受大的机动过载，过载达到100g(g为重力加速度)时，精度不降，过载达到500g时，仍能正常工作。

(5)抗辐照。靠机械振动的形式工作以及核心材料对辐照不敏感，辐照产生的损伤对陀螺仪精度的影响基本可以忽略。

(6)可经受短时间电源中断的影响。在电源发生故障的情况下，半球谐振陀螺仪仍可以正常工作15min以上。

(7)长寿命。如半球谐振陀螺仪，能够工作15年以上而不出故障的概率达到99.7%，被公认为目前寿命最长的陀螺仪，能满足长寿命航天器的要求。

(8)适用范围广。谐振陀螺仪在低精度范围和高精度范围都有产品应用，以半球谐振陀螺仪为例，作为积分陀螺仪时，其随机漂移量级可达104（°）/h量级。

1.2谐振陀螺仪的发展概况

1890年，G.H.Bryan在理论上并经过实验证实了轴对称物体中弹性波的惯性效应，即当一个轴对称壳体（如酒杯）受激力产生驻波型振动状态时，此时若绕其中心轴旋转壳体，壳体上的驻波不再相对壳体静止，而是相对壳体成比例地进动，这就是著名的布莱恩效应。

追述谐振陀螺仪的历史，可以认为金属谐振陀螺仪与石英半球谐振陀螺仪同源产生。1965年，美国得尔克(Delco)公司的D.D.Lynch带领团队成功研发出第一只实验型“声速”半球谐振陀螺仪（图1-1），该型陀螺仪的谐振子是半球形，但材质是铝合金。

图1-1得尔克公司的“声速”半球谐振陀螺仪

2

第1章绪论

半球谐振陀螺仪作为谐振陀螺仪中高精度的代表，其发展最为火热和引人注目，多个国家的众多单位都在进行半球谐振陀螺仪研制或开发，国外主要有美国、俄罗斯及法国，目前已成功应用于航海、航天、航空等领域，此外，英国、日本等国家也有多家公司在研制半球谐振陀螺仪[6-8]。

美国在半球谐振陀螺仪方面的研究水平一直处于世界领先地位，其采用力反馈模式的半球谐振陀螺仪，随机漂移达到8×10~5（°）/h,在性能和精度上都达

到了很高的水平。20世纪90年代末，美国生产出了目前最为成熟的HRG130P

型半球谐振陀螺仪（图1-2），相比HRG130Y型半球谐振陀螺仪，HRG130P型半

球谐振陀螺仪在防气体泄漏及温度控制方面进行了改进，使陀螺仪具有更高的可靠性。1999一2004年，德雷伯(Draper)实验室又为海军提供了一个完整的传

感器鉴定结果，这次针对的是HRG130P型半球谐振陀螺仪，测试包括100天长

期稳定性、比例系数线性度、战略导弹振动冲击环境下的稳定性、暴露及穿越辐

射的性能（伽马射线及X射线）和磁场灵敏度。测试结果表明，HRG130P型半

球谐振陀螺仪达到甚至超出了三叉戟Mk6LE系统的所有要求。

图1-2HRG130P型半球谐振陀螺仪

目前，美国典型半球谐振陀螺仪技术指标如表1-1所列。

表1-1典型半球谐振陀螺仪技术指标

特性

HRG158

HRG130

HRG115

谐振频率/Hz

2700

5200

10000

3

口谐振陀螺仪与系统技术

(续)】

特性

HRG158

HRG130

HRG115

衰减时间/s

1660

440

110

陀螺仪最大直径/mm

91.44

45.72

22.86

陀螺仪最大高度/mm

101.6

50.8

25.5

谐振子直径/mm

58

30

15

偏值重复性/(（°）/h)

0.005

0.05

0.7

在美国，半球谐振陀螺仪在军用卫星、战略导弹、深空探测等领域有着广泛应用，另外还批量用于飞机制导、石油勘探、井下作业等领域。其中，在深空探测任务中所取得的成绩最为令人瞩目，特别是半球谐振陀螺仪应用于美国航空航天局(national aeronautics and space administration,NASA)的数次深空探测任务中。

在1997年10月发射的Cassini宇宙飞船上，美国喷气推进实验室(JPL)利

用4个半球谐振陀螺仪构成惯性冗余单元(RU),在该飞船上安装了2个RU

(即SRU-dunal string)。喷气推进实验室在确定RU方案时，同时考虑了转子

陀螺仪、环形激光陀螺仪(LG)、半球谐振陀螺仪等几种方案，通过权衡成本、

技术性能等，最终选择了半球谐振陀螺仪，足见其在空间应用领域中的竞争能

力。在美国洛克希德·马丁公司开发的A2100系列宇宙飞船中，采用了美国利

顿工业公司生产的标准超级惯性冗余单元(SRU),能在辐射条件下工作，且有

容错能力，可连续工作15年，质量轻，体积小，能在宇宙飞船轨道转移和运行中提供姿态参考和精密定向。在美国航空航天局的支持下，利顿工业公司进一步

改进了半球谐振陀螺仪的性能，提高分辨率并降低了噪声，在HS-601和HS

702哈勃太空望远镜的姿态控制和精密定向使用中发挥了极其重要的作用。

现阶段，美国年生产半球谐振陀螺仪捷联惯导系统500余套，产值上亿美元。这些产品已成功应用于多种飞机的捷联导航系统、运载工具的精确导航系统、洲际导弹精确捷联导航系统，并于1999年由军方投资390万美元将其推广到中远程导弹中使用。

俄罗斯凭借扎实的力学理论基础，对半球谐振陀螺仪动力学特性。研究得

非常深入，早在1985年就有B.①.茹拉夫廖夫和L.M.克里莫夫出版的基础性

专著一《固态波陀螺仪》，1998年马特维耶夫重新完善了该书，该书是我国科研工作者研究半球谐振陀螺仪的重要参考书。俄罗斯还开发了独特的谐振子等离子束调平技术（目前我国的谐振子调平技术主要来源于俄罗斯），有别于美式的齿槽形谐振子的激光调平技术。在谐振子振幅稳定、参数激励频率稳定、刚性

4

己谐振陀螺仪与系统技术

(a)

(b)

(c)

图1-5赛峰公司的惯导系统系列产品

(a)BlueNauteTM船用系统；(b)Epsilon20战术陆地系统；(c)SkyNaute航空系统。

赛峰公司研发的船用半球谐振陀螺仪惯导系统为BlueNauteTM系统：该系统主打超高可靠性及免维护（终身免标定），尺寸为208mm×275mm×136mm.质量为4.5kg,平均故障间隔时间MTBF>l0 0000h。BlueNauteTM系统属于货架产品，目前已应用于美国、挪威、澳大利亚等国的海岸警备队，指标为：航向0.1°scp(RMS,p为当地纬度)及1 n mile/h,纵摇横摇0.05°(RMS)。

2017年，赛峰公司为海军胜利级战略导弹潜艇开发新的全球导航系统。新

系统将不再需要使用静电陀螺仪(ESG)。2018年，赛峰公司公布了半球谐振陀

螺仪系统水下测试结果，系统性能达到静电陀螺仪级水平，陀螺仪等效零偏稳定性达到0.0001()/h,推出了面向水面、水下应用的新一代惯性导航系统

Argonyx、Black-Onyx和Black-Onyx Dual Core系列，全面替代基于环形激光陀螺

仪的上一代SIGMA40系列产品。

金属谐振陀螺仪方面，英国通用电气航空电子设备有限公司1987年研制了

名为START的金属谐振陀螺仪[16]，为直筒形结构，筒沿外圆面布置有8个压电

陶瓷用于驱动和信号检测，如图1-6所示。该型陀螺仪最高精度为0.01（°）/s,已于1995年开始大批量生产，用于海上采油平台、武器瞄准与稳定平台、各种战术制导武器、高空机载照相机稳定系统、汽车导航系统等。

美国的沃森(Watson)公司从20世纪80年代开始研究振动陀螺仪，先后开发了金属圆筒陀螺仪和压电陶瓷圆筒陀螺仪，其中金属筒型谐振陀螺仪的激励和检测通过金属圆筒谐振子周向均匀分布的压电换能器来实现，而陶瓷筒型谐振陀螺仪的振动则依赖于压电陶瓷自身的压电特性。图1-7所示为该公司的

PR0-132-3A圆筒型陀螺仪。该陀螺仪的谐振子体积小，能够实现器件级真空

封装。该陀螺仪在其全工作温度范围内的零偏稳定性达到小于100(·)/h的水

···试读结束···