陀螺儀是感測運動體旋轉(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)象可用來感知運動體相對慣性空間的旋轉(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動性，按動量守恒原理制成的。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，同時又努力尋求無動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被作為無活動轉(zhuǎn)子的固體陀螺得到應(yīng)用。HRG具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、啟動時間短、漂移噪聲低、頻帶寬、穩(wěn)定性高、抗輻射、功耗低和性價比高等優(yōu)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(xué)家傅科1852年研制用于感測地球旋轉(zhuǎn)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(xué)家Byran G H發(fā)現(xiàn)敲擊旋轉(zhuǎn)紅酒杯會聽到差拍，發(fā)表旋轉(zhuǎn)酒杯駐波相對空間旋轉(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)實現(xiàn)測量軸對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)完全對稱的理想半球形，振子受激產(chǎn)生四波幅振動。當(dāng)基座旋轉(zhuǎn)，駐波波腹就發(fā)生反向進動，進動角為旋轉(zhuǎn)角的30%，如圖1所示?；D(zhuǎn)90°，駐波反方向進動27°。進動角為不隨時間等因素變化的結(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)使振子振型相對殼體環(huán)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(zhuǎn)使振型在殼體環(huán)向自由偏轉(zhuǎn)，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，標(biāo)度因數(shù)恒定，動態(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(huán)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，用于信號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：

（1）大動態(tài)范圍下的高精度：美國諾格公司為哈勃望遠鏡設(shè)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(xiàn)±500 (°)/s以上的動態(tài)范圍，同時滿足0.001 (°)/h測量精度。

（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。據(jù)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(chǔ)上的長壽命：美國卡西尼號探測器用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）非量化的超低機械噪聲：據(jù)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＞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）高線性度下的長期免標(biāo)定：HRG全角模式的線性度可達0.1ppm左右，重復(fù)性好，終生免標(biāo)、免校。

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為指標(biāo)增優(yōu)等級，由圖3可知，HRG帶寬可達到光學(xué)陀螺水準(zhǔn)，同時體積、質(zhì)量、功耗、零偏穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、角度隨機游走等指標(biāo)優(yōu)勢明顯。賽峰公司認為HRG未來可替代光學(xué)陀螺市場地位和份額，未來慣性產(chǎn)品市場將由高精度HRG和微型化微機電（MEMS）陀螺占據(jù)，如圖4所示。

圖3  賽峰集團HRG與光學(xué)陀螺性能比較

圖4  賽峰集團陀螺儀技術(shù)未來藍圖

固體波動陀螺的基本原理是基于1890 年發(fā)現(xiàn)的軸對稱物體彈性波效應(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)，很長時間僅處于理論研究，成果未能實際應(yīng)用。20世紀初，美國科學(xué)家Lynch對現(xiàn)代波動陀螺理論及應(yīng)用發(fā)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。

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(yīng)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。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HRG專利并授權(quán)。1987—1990年，Delco公司針對戰(zhàn)略級系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計了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)彈試驗成功，后Delco公司又為美國國家航空航天局（NASA）的哈勃望遠鏡設(shè)計了Hubble HRG，測試精度達到0.00008 (°)/h，至今仍為HRG公開報道精度之最。

諾格公司第一款量產(chǎn)HRG型號為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?；贖RG-130P的慣性測量系統(tǒng)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

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，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)品在國際航天領(lǐng)域應(yīng)用最多，超過135套系統(tǒng)累計空間飛行達4 000萬小時，100％成功，涉及天基預(yù)警、對地觀測、深空探測等。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HRG-130P完全勝任并超過戰(zhàn)略導(dǎo)彈三叉戟Mk6 LE系統(tǒng)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(tǒng)。

1992年，美國將HRG用于漢莎公司波音747-400飛機航空導(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。

作為高價值空間任務(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的太陽探測附加（SPP）項目、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作為其慣性測量單元。后續(xù)詹姆斯·韋伯太空望遠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。

俄羅斯20世紀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、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，產(chǎn)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(wěn)定性優(yōu)于0.005 (°)/h、角度隨機游優(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站提供的HRG系統(tǒng)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(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)，用于井斜測試。拉明斯科機械制造局生產(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，隨機漂移達 0.005~0.01 (°)/h的HRG。據(jù)報道，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年實現(xiàn)了工程樣機。

圖5  拉明斯科生產(chǎn)的HRG及其慣組

法國賽峰集團作為歐洲頂級導(dǎo)航設(shè)備提供商，長期從事靜電陀螺、RLG和HRG的生產(chǎn)，擁有30年空間應(yīng)用解決方案經(jīng)驗，認為“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)航級陀螺儀中，體積、質(zhì)量、功耗最??；對振動、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、水下機器人、后勤補給艦、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）系列空對地精確制導(dǎo)武器的有4000余軸。在航天領(lǐng)域， REGYS20慣性測量已在8顆軌道通訊衛(wèi)星應(yīng)用，共100余軸?；陬A(yù)測，賽峰電子與防務(wù)公司將HRG及其慣性測量列為公司重點發(fā)展方向。

隨著慣性導(dǎo)航技術(shù)和先進制造的發(fā)展，國內(nèi)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(yīng)用進行了嘗試，取得了一定成效。盡管已有多項型號任務(wù)采用HRG組合系統(tǒng)，但在隨機漂移、動態(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)展趨勢為：高精度、輕質(zhì)小型化、低成本、大動態(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(zhì)因數(shù)；2）良好的各向同性；3）較小的溫度系數(shù)。針對高精度，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，對熔融石英進行改進，或者發(fā)展藍寶石等新型材料；針對小型化方向，由于硅材料對MEMS工藝具有很好的兼容性，可開展硅材料諧振的研究，實現(xiàn)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(yōu)勢，有望在中低端領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

（2）兩件套結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)

 兩件套技術(shù)是指將陀螺激勵罩去除，采用電極分時復(fù)用，利用同一電極實現(xiàn)對諧振子的激勵和振動信號檢測。目前，法國賽峰電子與防務(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(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。會在諧振子表面留下肉眼無法分別的細小裂紋，導(dǎo)致諧振子Q值和陀螺對稱性的損失，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化。

（4）高精度陀螺控制技術(shù)

HRG的電子系統(tǒng)包括信號檢測系統(tǒng)與信號控制系統(tǒng)，通過對諧振子振動信號高精度檢測和處理得到陀螺儀相對慣性空間旋轉(zhuǎn)角速度以及陀螺控制所需的誤差信號, 根據(jù)檢測誤差信號對陀螺進行控制，保證控制電路穩(wěn)定性。縱觀國內(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儀表，應(yīng)對不同行業(yè)裝備需求。

（5）系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

應(yīng)用場合不同，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)、平臺系統(tǒng)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(tǒng)的應(yīng)用。HRG對于力學(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)計盡量避免多軸陀螺間的電信號串?dāng)_，為其提供一個良好的力熱工作環(huán)境。

（6）高精度測試、標(biāo)定技術(shù)

HRG可在±500 (°)/s動態(tài)范圍下實現(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)境干擾對測試帶來了巨大的影響?！霸趺礈y”是超高精度HRG面臨的一個現(xiàn)實問題。

HRG技術(shù)發(fā)展，可以勢必對深空探測、國防裝備以及相關(guān)國民經(jīng)濟建設(shè)產(chǎn)生重大影響，必須針對性做好重點關(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、熱處理方式等均會對材料的Q值產(chǎn)生極大影響。目前，國內(nèi)尚缺乏關(guān)于金屬、非金屬材料Q值檢測的標(biāo)準(zhǔn)方法和設(shè)備，缺乏一致性和廣泛認可的評價體系，不利于HRG技術(shù)的進步和推進。

（2）制造技術(shù)。從國內(nèi)外相關(guān)報道可知，HRG在結(jié)構(gòu)、精度、功耗、價格和可靠性方面遠遠優(yōu)于機械和光學(xué)陀螺。但是，諧振子制造核心是應(yīng)力和幾何精度，機械加工無法保證諧振子在各個方向上的質(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(diào)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，可采用范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(shè)計和制作，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并模態(tài)上呈周期性的交替振動，從而抑制了驅(qū)動軸、檢測軸之間的非對稱性。通過連續(xù)自校準(zhǔn)，可使陀螺的零位下降2~3個數(shù)量級，同時提高陀螺標(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）超高精度測試環(huán)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(guān)重要問題就是超高精度測試環(huán)境的建立，包括誤差辨識與分離技術(shù)以及高精度慣性測試技術(shù)。