半球諧振陀螺控制及補償技術

伊國興，魏振楠，王常虹，奚伯齊，孫一為

(哈爾濱工業(yè)大學空間控制與慣性技術研究中心，哈爾濱 150080)

0 引 言

半球諧振陀螺(Hemispherical resonator gyro, HRG)的發(fā)展源于美國在20世紀60年代中期為探索“非傳統(tǒng)慣性儀器”所作出的一系列嘗試[1]。1890年，Bryan利用顯微鏡觀察旋轉平臺上薄壁酒杯的邊緣振動時發(fā)現(xiàn)，通過計數(shù)顯微鏡視野中杯口駐波波腹或波節(jié)數(shù)量推算得到的駐波轉速總小于酒杯實際轉速[2]。1965年，Lynch利用拉格朗日方法建立了振動半球殼理論模型，奠定了半球諧振陀螺研發(fā)與制造的理論基礎。隨后，用于原理驗證的半球諧振陀螺——“聲波陀螺(Sonic Gyro)”被研制成功[1]。

1980年前后，在NAVAIR的資助下，兩只真正意義上的半球諧振陀螺Block 10與Block 20被研制出來[1]。與此同時，熔融石英因其低內阻尼特性被確定為高性能半球諧振陀螺諧振子材料的最佳選擇。在此后二十余年內，半球諧振陀螺經(jīng)歷了一段并不順利的發(fā)展過程，不幸連續(xù)遭受航空工業(yè)衰退及石油鉆井工業(yè)衰退兩次重大打擊。不幸中的萬幸，由于在美國空軍的兼容性測試中展現(xiàn)了高劑量輻射環(huán)境中的穩(wěn)定性和可靠性，半球諧振陀螺最終在航天領域大放光彩。

作為固態(tài)陀螺，半球諧振陀螺工作中沒有機械損耗，且在空間應用環(huán)境下完全規(guī)避了真空泄漏這一幾乎唯一的失效機理，這使得其在空間應用中天然具備超長壽命和超高穩(wěn)定性的優(yōu)勢。半球諧振陀螺目前已在多顆在軌衛(wèi)星和多個深空探測飛行器中得到了應用，并且目前沒有一項陀螺失效報告[1,3-4]。在著名的土星探測任務中，搭載了半球諧振陀螺的Cassini-Huygens探測器穩(wěn)定工作近20年，直至探測任務圓滿結束。近20年的導航數(shù)據(jù)有力地證明了半球諧振陀螺在空間應用中的杰出性能[5-6]。

二十世紀末期，半球諧振陀螺的發(fā)展迎來了新的機遇。一種兩件套平板電極結構半球諧振陀螺被提出和發(fā)展[7-9]，在保障原有高精度的基礎上大大簡化了陀螺生產(chǎn)工藝，縮減了陀螺體積，使得半球諧振陀螺的大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。在全角工作模式下，半球諧振陀螺同時具備大量程、高標度因數(shù)穩(wěn)定性、低功耗、長壽命、高可靠性等特點，一度具備取代光纖陀螺與激光陀螺的趨勢，目前已在陸地、海洋、武器系統(tǒng)等眾多領域中得到了應用[10-11]。

面對陸、海、空、天等各領域對高性能、低成本、高可靠性慣性導航系統(tǒng)日益增加的需求，半球諧振陀螺被賦予了更多的期望。目前，半球諧振陀螺的發(fā)展主要集中在下述三個方面。

1)提升現(xiàn)階段半球諧振陀螺性能，引導半球諧振陀螺向更高精度等級邁進。具體而言包括超高純度各向同性熔融石英材料制備技術研究、熔融石英高精度球面磨拋專用機床研究、高精度半球諧振子頻率裂解檢測及質量修調設備研究、亞微米級半球諧振子三維真空裝配設備研究、頻率裂解及品質因數(shù)各向異性控制補償技術研究、半球諧振陀螺在線自校準技術研究等內容。美國Northrop Grumman公司在研發(fā)半球諧振陀螺過程中便經(jīng)歷了這一歷程[1]，通過迭代諧振子材質、研發(fā)頻率修調技術、應用誤差補償方法，將半球諧振陀螺零偏穩(wěn)定性提升至HRG130P所具備的0.0005 (°)/h；此外，通過自標定技術，將mHRG的精度提升了近一個數(shù)量級[29-30]。

2)提高半球諧振陀螺產(chǎn)量和環(huán)境適應性，拓展中等精度半球諧振陀螺應用領域。具體而言包括優(yōu)化陀螺整體結構、優(yōu)化諧振子加工裝配技術、開發(fā)諧振子參數(shù)批量測試技術、研制多自由度質量修調設備、研究駐波全角控制模式、研究環(huán)境載荷導致的陀螺漂移補償抑制技術等內容。法國Safran公司經(jīng)過相似的發(fā)展過程，在世界上首次成功實現(xiàn)了中高精度平板電極式半球諧振陀螺批量化生產(chǎn)，將其應用場景從最初的衛(wèi)星、深空探測飛船等低動態(tài)環(huán)境拓展到飛行器、導彈、車輛、船舶等大動態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)了牢固可靠的慣性導航系統(tǒng)，諸如軍用車載慣性導航系統(tǒng)Sigma 20、船用或海上平臺用慣性導航系統(tǒng)BlueNaute、航空慣性導航系統(tǒng)SkyNaute等，同時依靠半球諧振陀螺的小型化特征，發(fā)展了一系列單兵系統(tǒng)，包含便攜尋北儀、便攜式目標定位器、穩(wěn)定瞄準器等[10]。

3)發(fā)展微半球制造技術，滿足小型導航系統(tǒng)對高精度微機電陀螺的需求。具體而言包括微半球諧振子結構優(yōu)化設計、微半球諧振子高溫批量吹制技術研究、微半球諧振子批量測試與修調技術研究、微型電極成形及諧振子裝配技術研究等內容。目前，世界上多所大學及研究機構已在微半球制造技術上取得了一定的成就[36-38]。

目前，中國多所高校和研究單位均開展了半球諧振陀螺研究工作，包括哈爾濱工業(yè)大學、中國電子科技集團公司第二十六研究所、上海航天控制技術研究所、國防科學技術大學等[14-19,23-24,39-46]。其中，中國電子科技集團公司第二十六研究所已生產(chǎn)出適用于高、中低軌道衛(wèi)星使用的工程產(chǎn)品[39]，哈爾濱工業(yè)大學在諧振子設計、駐波控制理論及加速度載荷對半球諧振陀螺影響機理等方面做了大量研究[23,45-46]。中國雖然是為數(shù)不多的能完全自主生產(chǎn)半球諧振陀螺的國家之一，但所生產(chǎn)的陀螺在性能、產(chǎn)量、一致性等方面與美國、法國、俄羅斯等相比還存在一定的差距。圖1展示了半球諧振陀螺制造工藝流程。如化學處理時間、鍍膜膜層結構和厚度等任意一種工藝參數(shù)的微小變化均會引起諧振子性能的改變。駐波控制技術及誤差補償技術則最終決定了半球諧振陀螺的性能。

圖1 半球諧振陀螺工藝流程Fig.1 Process flow of hemispherical resonator gyro

未來，仍然需要不斷加強半球諧振陀螺理論研究，優(yōu)化和創(chuàng)新半球諧振陀螺控制及補償技術，不斷滿足陸、海、空、天等各領域對高性能、長壽命、高可靠性慣性導航系統(tǒng)的需求。

1 半球諧振陀螺控制技術

半球諧振陀螺是一種典型的哥氏振動陀螺，靠諧振子的哥氏效應進行旋轉測量。對半球諧振陀螺的控制主要指對諧振子二階模態(tài)駐波的控制。

1.1 諧振子駐波激勵及檢測

半球諧振子是半球諧振陀螺核心部件，其需要多道復雜且精細的工藝處理才能達到理想物理性能，而每道工藝均會改變諧振子表面形貌，從而影響諧振子品質因數(shù)及頻率裂解參數(shù)。

1.1.1未鍍膜諧振子駐波激勵及檢測

未鍍膜的熔融石英諧振子是電信號的不良導體，為對其施加激振力，可采用圖2所示方案[12]。此時，固定電極A、B與諧振子形成“電極A—石英振子—電極B”結構的電容器。當電極A與電極B間施加高壓交變電信號時，諧振子會受到指向電極A、B的交變吸引力，從而做受迫振動。

圖2 未鍍膜諧振子駐波激勵方案Fig.2 Standing wave excitation method of uncoated resonator

可利用激光測振儀提取未鍍膜諧振子振動信號。圖3展示了未鍍膜諧振子駐波檢測實驗。

圖3 未鍍膜諧振子駐波檢測實驗Fig.3 Standing wave detection trial of uncoated resonator

1.1.2鍍膜后諧振子駐波激勵及檢測

在經(jīng)過金屬化鍍膜工藝后，半球諧振子表面會形成擁有良好導電性的金屬膜層，此時可采用常規(guī)靜電激勵及電容檢測方法進行駐波的激勵檢測[13]。通常在諧振子金屬膜層連接直流高壓源，使其呈高電勢狀態(tài)；當控制回路處于駐波激勵階段時，向激勵電極輸送高壓交流信號，此時諧振子在電極方向會受到靜電引力并作受迫振動；當控制回路處于駐波檢測階段時，將檢測電極與高阻放大電路連接，此時由諧振子金屬膜層及檢測電極構成的電容中將產(chǎn)生周期性充放電流，并經(jīng)高阻放大器轉化為表征諧振子振動信息的電壓信號。

1.2 半球諧振陀螺工作模式

作為振動陀螺的一種，半球諧振陀螺存在多種工作模式，通常情況下，根據(jù)諧振子駐波工作狀態(tài)，可分為力平衡、全角以及混合模式三種。

1.2.1力平衡工作模式

在力平衡工作模式下，通過電極向諧振子特定方位施加控制力，使駐波被鎖定在該方向[1,14-16]。由于存在控制力，當諧振子沿對稱軸方向轉動時，原本隨諧振子作等比例運動的駐波方位角被鎖定，而控制力大小則與諧振子沿對稱軸轉動角速率大小呈正比，此時的半球諧振陀螺為速率陀螺。

在力平衡工作模式下，負反饋環(huán)路降低了陀螺輸出噪聲，但由于靜電控制力效率不高，能鎖定的駐波方位角速率范圍有限，因而限制了陀螺測量范圍。由此，力平衡半球諧振陀螺特別適用于衛(wèi)星、深空探測飛船、太空望遠鏡等轉動速率較小但要求測量噪聲低的場合。Northrop Grumman生產(chǎn)的力平衡球面電極半球諧振陀螺參與了多次深空探測任務，為人類太空探索事業(yè)做出了卓越的貢獻[1]。

1.2.2全角工作模式

在全角工作模式下，僅對諧振子駐波施加穩(wěn)幅控制，令駐波方位角在哥氏效應的作用下自由轉動，通過相鄰控制周期的測量得到駐波方位角增量，并用其表征諧振子沿對稱軸的轉動，陀螺輸出角增量信息，此時半球諧振陀螺為速率積分陀螺[1,17]。

在全角模式下，由于駐波不受約束，自由轉動，因而理論上擁有極大的測量范圍，實際測量范圍上限僅受諧振子振動頻率及駐波檢測電路供電電壓影響。由此，全角半球諧振陀螺適用于車輛、飛機、導彈等機動性強、轉動速率較大的環(huán)境。Safran所產(chǎn)工作于全角模式的平板電極式半球諧振陀螺，其角速率測量范圍已能滿足陸地、海洋及航空應用[10]。

1.2.3混合工作模式

半球諧振陀螺在力平衡模式下測量噪聲低但測量范圍小，而在全角模式下雖然測量范圍大，但也同時存在小角速率不靈敏的問題，因而引入混合模式以綜合二者的優(yōu)勢，提高陀螺適應范圍。

混合工作模式一般通過在全角模式中引入駐波方位角控制環(huán)路實現(xiàn)。在小角速率輸入時，切換為力平衡模式，鎖定駐波方位角，實現(xiàn)小角速率測量。在大角速率輸入時，切換為全角模式，釋放駐波方位角，實現(xiàn)大角速率測量。此外，在混合模式下，還可通過驅動駐波按特定規(guī)律旋轉，從而消除部分陀螺未建模誤差，提高陀螺性能。

1.3 駐波控制方法

對于半球諧振陀螺駐波的控制主要包括頻率控制、幅度控制、正交控制、速率控制等[15,18-19]。頻率控制跟蹤諧振子本征頻率，生成激勵及檢測所需正交載波信號；幅度控制補充諧振子內部阻尼造成的駐波能量衰減，維持駐波振動幅度；正交控制調節(jié)諧振子圓周方向剛度，消除諧振子結構缺陷及力場造成的頻率裂解；速率控制驅動駐波方位角轉動，使駐波方位與諧振子保持相對靜止或按一定規(guī)律圍繞諧振子轉動。下面分別以力平衡模式和全角模式為例，說明半球諧振陀螺駐波控制方案，并介紹一種基于頻率調制的新型振動陀螺駐波控制方案。

1.3.1力平衡模式控制方案

力平衡模式下，駐波方位角相對諧振子固定，各控制電極可固定選取，在陀螺工作時無需切換。

1)頻率控制

頻率控制方案受諧振子模態(tài)設計影響。

當諧振子二階振動模態(tài)頻率是最低的本征振動頻率時，可在諧振子激振回路設置低通頻率大于諧振子二階振動頻率但低于其它振動模態(tài)頻率的低通濾波器，并結合諧振子的窄帶通特性，在激振回路中選出與二階頻率同頻的自激振蕩信號，將此信號進行移相，即可得到所需正交參考信號。

當諧振子二階振動模態(tài)頻率不是最低的本征振動頻率時，需要利用諧振子在二階振動時驅動信號與響應信號正交的特性，在激振回路中合理設置鎖相環(huán)，用其輸出正交參考信號[19]。按此原理設計的半球諧振陀螺數(shù)字頻率控制回路如圖4所示。

圖4 半球諧振陀螺頻率控制回路Fig.4 Frequency control loop of HRG

2)幅度控制

幅度控制回路中，控制力通過在圓周角相距180°的一對電極上施加放大后的參考信號實現(xiàn)。為維持駐波幅度恒定，參考信號增益需通過測量當前駐波幅度與期望幅度的差值反饋計算獲得[15]。此時幅度控制電極對應的位置為駐波波腹。按此原理設計的半球諧振陀螺數(shù)字幅度控制回路如圖5所示。

3)正交控制

正交控制回路中，控制力是通過在圓周角相距45°的兩對電極施加直流電壓信號實現(xiàn)的。通過施加不同直流電壓可使諧振子對應圓周方向剛度發(fā)生相應變化，進而改變諧振子對應圓周方向本征振動頻率，從而實現(xiàn)頻率裂解的電平衡控制[14-15]。據(jù)此設計的半球諧振陀螺數(shù)字正交控制回路如圖6所示。

4)速率控制

速率控制回路中，對駐波的鎖定是依靠在幅度控制電極旁45°的一對電極上施加放大后的參考信號實現(xiàn)的。通過檢測該電極方位上駐波的振動信號，將其控制并保持為零，可使該方位始終對應駐波波節(jié)，而幅度控制電極始終對應駐波波腹，從而實現(xiàn)駐波鎖定[15,19]。按此原理設計的半球諧振陀螺數(shù)字速率控制回路如圖7所示。

圖7 半球諧振陀螺速率控制回路Fig.7 Rate control loop of HRG

1.3.2全角模式控制方案

全角模式下，駐波方位角相對諧振子不固定，需要復用各控制電極，其頻率、正交控制原理同力平衡模式。以下討論全角模式下駐波幅度控制原理。

全角模式駐波幅度控制取決于陀螺電極結構。

當陀螺中存在環(huán)形電極時，可在環(huán)形電極上施加放大后的二倍頻參考信號，從而實現(xiàn)無方向性的幅度控制，避免利用單電極施加幅度控制力時對駐波的自由轉動造成影響，進而引起陀螺漂移[20]。

當陀螺中無環(huán)形電極，僅有周向分布的離散電極時，根據(jù)離散電極分布形式及使用限制，有兩種幅度控制方案。若離散電極分布均勻且可同時使用，在幅度控制時間片內，可將其全部連通并施加放大的二倍頻參考信號，達到環(huán)形電極的效果。若離散電極僅有一對間隔為45°的電極在幅度控制時間片內可用，可使用幅度矢量控制方案。通過在相鄰電極施加不同幅度的交變信號，可調節(jié)控制力合力的施加方向，當合力方向與當前駐波方向相同時即可實現(xiàn)對駐波的穩(wěn)幅控制。顯然在幅度矢量控制方案下對駐波當前位置估計精度要求較高，當對駐波位置估計不準確時，幅度控制便會引起駐波方位的漂移。但與此同時，幅度矢量控制的這一特性卻也可用于進行駐波方位的主動驅動控制，從而對特定方位的漂移進行補償，實現(xiàn)前文中所述混合工作模式。

一種針對八電極平板電極式半球諧振陀螺設計的模數(shù)混合全角模式控制方案如圖8所示。

圖8 半球諧振陀螺全角模式控制方案Fig.8 Whole angle mode control method of HRG

1.3.3頻率調制控制方案

無論力平衡模式控制方案、全角模式控制方案或者混合工作模式下的全角控制方案，本質上均為通過設計多個互相解耦的控制環(huán)路實現(xiàn)諧振子駐波幅度及方位的穩(wěn)定控制，并通過對諧振子振動幅度的測量估計旋轉角速率或角增量。從此角度而言，這些方案可統(tǒng)一為振動陀螺幅度調制控制方案。

目前，國內外一些學者提出了一種基于行波頻率調制的全新控制方案，這種方案將諧振子駐波視為正旋與反旋行波疊加的結果，而正旋與反旋行波的頻率差則包含了陀螺旋轉的角速率信息，以此，實現(xiàn)了一種角速率輸出的速率積分陀螺[21-22]。

理想情況下，諧振子運動方程可表示為[13,23]

z(t)=e-ζteikΩzt(C1e-iωnt+C2eiωnt)=

e-ζt[C1ei(kΩz-ωn)t+C2ei(kΩz+ωn)t]

(1)

式中：k為駐波進動系數(shù)，Ωz為諧振子繞其對稱軸旋轉角速率，ωn為諧振子本征振動頻率。

由式(1)可知，忽略阻尼作用，半球諧振子駐波可分解為兩方向相反行波。記正旋行波頻率為ω1，

反旋行波頻率為ω2,則有

(2)

兩行波頻率差為

Δω=ω1-ω2=2kΩz

(3)

則陀螺旋轉角速率可表示為

(4)

式(1)～式(4)展示了半球諧振陀螺頻率調制控制方案的基本原理。在頻率調制控制方案中，需要設計正旋、反旋行波相位檢測環(huán)路及驅動環(huán)路。通過行波相位檢測環(huán)路跟蹤正、反旋行波頻率，利用其差值輸出角速率信息。通過行波驅動環(huán)路補充阻尼造成的振動衰減。此外，頻率調制控制方案可在原理上完全消除諧振子本征頻率在溫度、力場等載荷作用下發(fā)生慢變漂移造成的影響，大大改善半球諧振陀螺精度對溫度變化較為敏感的情況。這是頻率調制方案相對于幅度調制方案最大的優(yōu)點。

2 半球諧振陀螺補償技術

半球諧振陀螺加工中的諧振子各向異性及結構缺陷、諧振子裝配偏差等均會影響陀螺最終性能。同時，環(huán)境溫度、力場載荷等的變化也會引起半球諧振陀螺性能的改變[15,24]。為維持陀螺工作性能，需對其施加合理補償技術，并借此提升慣導系統(tǒng)精度[32]。對半球諧振陀螺的補償可分為四級，分別為控制方案補償、器件補償、系統(tǒng)補償以及場景補償。下面分別舉例對這四種補償技術進行討論分析。

2.1 駐波調制補償

駐波調制補償是一種控制方案補償方法，用于消除半球諧振陀螺部分趨勢性未建模誤差，提高全角模式下陀螺對小角速率輸入的敏感度。

駐波調制補償原理上是利用駐波控制環(huán)路主動驅動駐波旋轉的補償方法[25-26]。由于駐波存在于閉合圓周上，當其每旋轉180°時，由頻率裂解及阻尼各向異性造成的漂移就會被積分消除。此外，當驅動駐波旋轉時，外界向陀螺輸入的小角速率疊加駐波主動旋轉速率后可以越過振動陀螺原理上的角速率積分死區(qū)，提高陀螺對小角速率的敏感度[27-28]。

2.2 電極增益補償

電極增益補償是一種器件補償方法，用于消除諧振子與各電極間距離不等造成的信號增益差異。對于球面電極式半球諧振陀螺，電極增益差異產(chǎn)生的根本原因是諧振子與激勵罩、檢測基座等裝配時三維球心不重合[24]。對于平板電極式半球諧振陀螺，則是諧振子對稱軸與電極基板不垂直，存在偏角[23]。

實現(xiàn)方法是在諧振子與電極裝配完成后，測量各電極與諧振子構成電容的靜值，以此估計諧振子裝配參數(shù)，從而獲得陀螺各電極對駐波激勵及檢測的真實增益大小，據(jù)此設計前饋增益補償器，消除各電極增益差異，提高駐波控制精度，最終達到提升陀螺性能的目的[23]。

2.3 多陀螺補償

多陀螺補償是一種系統(tǒng)補償方法，在裝配了多個半球諧振陀螺的導航系統(tǒng)內分時對各陀螺參數(shù)進行標定并補償[29-30,34-35]。

雙平行軸陀螺自校準技術是一種公認行之有效的多陀螺互補償方法，通過在一系列連續(xù)且長度相等的時間片內分別不斷翻轉兩陀螺工作模態(tài)，實現(xiàn)兩陀螺各自零偏及標度因數(shù)的連續(xù)在線標定，并實時補償。由于在相同測量軸向上使用兩個陀螺，且兩陀螺模態(tài)翻轉是交替進行的，這就保證了系統(tǒng)中總有一只陀螺處于測量狀態(tài)，確保了系統(tǒng)的連續(xù)測量。這種補償方法能有效消除溫度對半球諧振陀螺輸出精度的影響，在不對原有陀螺進行改進的基礎上，能將系統(tǒng)測量精度提升近一個數(shù)量級[29-30]。

2.4 環(huán)境載荷補償

環(huán)境載荷補償是一種場景補償方法，用于提高半球諧振陀螺全域工作能力。對半球諧振陀螺性能影響較大的環(huán)境載荷主要有熱載荷與加速度載荷。

熱載荷直接影響諧振子本征振動頻率[15]，改變陀螺原有工作點，進而導致陀螺零偏及標度因數(shù)發(fā)生改變[31,33]。事實上，半球諧振子工作模態(tài)頻率與溫度呈線性關系，這意味著諧振子振動頻率可精確體現(xiàn)陀螺當前工作熱載荷[15]。利用溫箱進行循環(huán)溫度實驗，可標定諧振子振動頻率與陀螺零偏及標度因數(shù)關系，從而在不同熱載荷下對陀螺輸出進行相應補償。此外值得一提的是，利用該方式進行熱載荷補償，可避免在導航系統(tǒng)中引入額外溫度測量系統(tǒng)或恒溫控制系統(tǒng)，可有效降低導航系統(tǒng)體積及功耗，提升系統(tǒng)可靠性。

加速度載荷會改變諧振子形狀，破壞駐波原始狀態(tài)，最終引起陀螺零偏漂移[24]。諧振子支撐桿的橫向剛度遠小于縱向剛度，因而與半球諧振陀螺敏感軸垂直的橫向加速度載荷對陀螺零偏影響最大。這種影響可近似表示為[24]

εg=KAgsin(φ-φ0)

(5)

式中：K為加速度載荷引起陀螺漂移系數(shù)，Ag為加速度載荷，φ為加速度載荷與諧振子橫向夾角，φ0為與激勵及檢測電極相關相角。

為消除加速度載荷的影響，可在靜態(tài)環(huán)境中利用轉臺在重力加速度作用下標定陀螺零偏，獲得加速度載荷與陀螺零偏變化關系，并在導航系統(tǒng)中利用獲取的加速度信息對陀螺輸出進行補償。圖9所示為利用雙軸轉臺測試得到的半球諧振陀螺在重力加速度下漂移情況[24]。標定過程中令陀螺敏感軸平行于轉臺轉軸，并與重力方向垂直，當轉臺逐角位置轉動時，重力場產(chǎn)生的重力加速度載荷將分別施加在半球諧振子橫向的不同方位上。圖9表明，加速度載荷對陀螺的影響具備較好的重復性。

圖9 重力加速度下半球諧振陀螺漂移[24]Fig.9 HRG drift under acceleration of gravity[24]

3 展 望

作為哥氏陀螺的典型代表，半球諧振陀螺在為滿足航天應用的要求向著更高精度方向發(fā)展的同時，也逐漸成為航空、陸地、船舶等中等精度應用場景下的一種全新的選擇。在新機遇下，半球諧振陀螺控制及補償技術必然得到進一步的發(fā)展[39-46]。

1)發(fā)展頻率調制控制技術，增強半球諧振陀螺參數(shù)長期穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)控制方案中，陀螺駐波受頻率、正交、幅度等多個回路控制，當諧振子振動頻率等本質參數(shù)發(fā)生漂移時易引起陀螺性能的變化。利用頻率調制控制技術時，諧振子本質參數(shù)漂移造成的影響通過差分被消除，可有效增強半球諧振陀螺參數(shù)長期穩(wěn)定性。

2)發(fā)展混合工作模式控制技術，提升半球諧振陀螺全域工作能力?，F(xiàn)行力平衡或全角模式半球諧振陀螺存在無法回避的缺陷。力平衡模式下，陀螺測量范圍小，無法滿足航空、陸地等大動態(tài)的應用需求。全角模式下，陀螺存在測量死區(qū)，無法滿足衛(wèi)星、太空望遠鏡等指向性要求高的應用需求。利用混合工作模式控制技術，實現(xiàn)不同應用場景的識別和陀螺控制模式切換，可使半球諧振陀螺適應不同的應用環(huán)境，提升其全域工作能力。

3)發(fā)展環(huán)境載荷補償技術，保障特定工況下半球諧振陀螺性能。與太空環(huán)境相比，當半球諧振陀螺被推廣至航空、陸地、海洋等環(huán)境中應用時，將面臨隨機振動、過載、溫度循環(huán)等多種環(huán)境載荷的作用，這些環(huán)境載荷將影響諧振子駐波的穩(wěn)定，造成陀螺精度的下降。發(fā)展環(huán)境載荷補償技術，削弱環(huán)境載荷對諧振子駐波的影響，對于推廣半球諧振陀螺的應用意義重大。

4)發(fā)展自校準補償技術，提高半球諧振陀螺導航系統(tǒng)精度。半球諧振陀螺可通過交換激勵與檢測模態(tài)方向實現(xiàn)標度因數(shù)等參數(shù)的自標定，實現(xiàn)自校準補償技術。通過在半球諧振陀螺導航系統(tǒng)中引入冗余陀螺，實現(xiàn)角速率及陀螺參數(shù)的連續(xù)測量和標定補償，可在不改變陀螺性能基礎上有效提升導航系統(tǒng)精度，同時這也意味著可利用較低性能的量產(chǎn)陀螺實現(xiàn)高精度導航系統(tǒng)，有效降低系統(tǒng)成本。

4 結束語

本文回顧了半球諧振陀螺發(fā)展歷程，通過對國內外最新研究成果的綜述，分析了當前國內半球諧振陀螺研制與應用的差距，總結了半球諧振陀螺現(xiàn)階段發(fā)展方向；介紹了半球諧振陀螺駐波激勵與檢測方法，并分析了力平衡模式、全角模式以及混合模式下半球諧振陀螺的工作特點和不同場景下的應用優(yōu)勢，著重討論了不同工作模式下半球諧振陀螺駐波控制方案；分析了半球諧振陀螺性能下降機理，并討論了駐波調制補償、電極增益補償、多陀螺補償及環(huán)境載荷補償技術，為進一步提升半球諧振陀螺精度提供依據(jù)；最后結合半球諧振陀螺應用前景，展望了半球諧振陀螺控制及補償技術的發(fā)展方向。