用于精確定向的低噪聲半球陀螺設(shè)計

方海斌，韓世川，彭 凱，雷 霆，周 闖

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所,重慶 400060；2.固態(tài)慣性技術(shù)重慶市工程實驗室，重慶 400060)

0 引言

半球陀螺是唯一能達(dá)到慣導(dǎo)級精度的振動陀螺，其利用半球殼唇沿的徑向駐波振動來感測基座相對慣性空間旋轉(zhuǎn)的一種振動陀螺[1]。工作于力反饋模式的半球陀螺，通過將波節(jié)點控制在一個固定位置，可以將節(jié)點信號在模數(shù)轉(zhuǎn)換前高度放大，從而達(dá)到良好的角速率測量精度和低噪聲特性[2]。美國Northrop Grumman公司研制的三件套力反饋模式HRG130P半球陀螺(基本型的角度隨機游走為0.000 3 (°)/h1/2，高精度型的角度隨機游走為0.000 06 (°)/h1/2)是目前世界上力反饋模式半球陀螺噪聲性能的最高水平[3]。

半球陀螺的噪聲水平能夠滿足大部分航天器姿態(tài)控制的要求，但對于某些對精確定向具有更高要求的航天器，則需要在現(xiàn)有設(shè)計的基礎(chǔ)上作相應(yīng)的改進(jìn)。傳統(tǒng)機械陀螺也可以達(dá)到較低的噪聲水平，但壽命和可靠性不理想，因此迫切需要具有相同性能的長壽命陀螺[4]。

本文在傳統(tǒng)力反饋模式半球陀螺的基礎(chǔ)上，對降低陀螺噪聲的方法進(jìn)行了介紹。

1 噪聲的影響因素分析

1.1 諧振子參數(shù)的影響

力反饋模式下的駐波進(jìn)動方程為

(1)

式中：ω0為諧振子頻率;Q為諧振子品質(zhì)因數(shù);Δcc和Δcs分別為半球諧振子相隔45°的兩個主軸的頻率裂解值;α為諧振子進(jìn)動系數(shù);Ω為外界輸入角速率;θ為振型角;Cp為控制系統(tǒng)。由式(1)可知，Q、頻率裂解值(Δc)及Cp都對陀螺噪聲存在影響。

Q值的損耗主要是諧振子石英材料內(nèi)摩擦阻尼和金屬化薄膜阻尼，阻尼損耗表現(xiàn)為駐波在阻力作用下波幅的不穩(wěn)定性，陀螺性能表現(xiàn)為零位波動和噪聲大。

Δc主要由諧振子殼體質(zhì)量和剛度分布不完全對稱產(chǎn)生，其值取決于制造工藝中不對稱的誤差量，在有頻率裂解存在的情況下，諧振子有兩個不同的振動頻率，由此合成的駐波振動會產(chǎn)生波動，導(dǎo)致陀螺輸出噪聲大。

由于存在機械加工誤差、材料缺陷、密度分布不均勻性，加工后的諧振器與理想模型具有較大差異，其振動模態(tài)包含多種高階振動的復(fù)雜振動模態(tài)。隨著陀螺精度的提高，這些高階振動的影響逐漸明顯，為實現(xiàn)低噪聲目標(biāo)，需要降低這些高階振動模態(tài)的影響。為了控制振子振動并獲得精確的振動信號，需要通過金屬化工藝為絕緣的諧振子表面鍍膜，使其具有良好的導(dǎo)電性。膜層的質(zhì)量直接影響諧振子的力學(xué)特性，當(dāng)諧振子表面膜層厚度不均勻時，會造成質(zhì)量分布誤差，振子原有的振動形態(tài)會發(fā)生變化導(dǎo)致振動頻率分裂[5]。

為了獲得具有良好性能的諧振子，需要提高加工精度及諧振子金屬化成膜工藝，減小制造工藝對Q和Δc的影響，從而使陀螺實現(xiàn)低噪聲性能。

1.2 控制系統(tǒng)參數(shù)的影響

圖1為半球陀螺控制系統(tǒng)框圖。圖中H為反饋電路的傳遞函數(shù)，Kb為敏感頭信號增益，G0、G1為電子線路信號增益，V為陀螺輸出噪聲，其表達(dá)式為

V=A0KbG0G1

(2)

式中A0為駐波振幅。

隨著離退休工作的氛圍進(jìn)一步濃厚，廣大干部職工的思想認(rèn)識得到進(jìn)一步提高，各級領(lǐng)導(dǎo)的責(zé)任意識進(jìn)一步增強。原洛陽石化公司離退辦主任權(quán)西京同志，光榮當(dāng)選“感動石化”十大人物，在洛陽石化公司產(chǎn)生強大反響，激發(fā)了工作人員敬業(yè)愛崗的工作熱情。廣大在職人員主動作為的自覺性、積極性空前高漲，良性互動的根基更加牢固。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

Kb、G0、G1的分配中，優(yōu)先提高Kb和G0，降低G1，有利于降低噪聲。通過選用低噪聲和高輸入阻抗的放大器可以提高Kb值。

陀螺的驅(qū)動信號為高壓信號，檢測信號尤其是波節(jié)點信號為微弱信號，需要對檢測信號做好屏蔽處理，以減小外界信號對它的干擾。此外，對檢測信號進(jìn)行差分處理可提高其抗干擾能力。在整個信號處理回路增益保持一致的前提下，在陀螺控制系統(tǒng)的較前級(見圖1中虛框部分)適當(dāng)增大放大倍數(shù)有利于降低環(huán)路噪聲。

1.3 電子線路的影響

理想電阻的熱噪聲為

(3)

式中：K為玻耳茲曼常數(shù)；T為開氏溫度；R為電阻值；Δf為帶寬。

在功耗滿足要求的前提下，降低運放電路中電阻值，可以降低陀螺噪聲。

開關(guān)電源也會對陀螺噪聲產(chǎn)生影響。開關(guān)電源主要為電磁干擾噪聲(整流諧波、開關(guān)頻率、高速電流和電壓瞬變產(chǎn)生)，通過電源線以共模或差模形式向外傳導(dǎo)，并向空間輻射。通過在開關(guān)電源后增加線性電源，可降低開關(guān)電源的噪聲影響。

2 改進(jìn)措施及效果

通過以上分析得出，降低陀螺噪聲的主要途徑有優(yōu)化諧振子性能、優(yōu)化控制系統(tǒng)參數(shù)、改進(jìn)信號處理方式及降低電路熱噪聲。優(yōu)化諧振子性能包括提高Q和降低Δc。優(yōu)化控制系統(tǒng)參數(shù)主要是在整個信號處理回路增益保持一致的前提下，在陀螺控制系統(tǒng)的較前級適當(dāng)增大放大倍數(shù)。電子線路降低噪聲主要是在功耗滿足要求的前提下，降低運放電路中電阻值，同時在開關(guān)電源后增加線性電源，降低開關(guān)電源的噪聲影響。

(4)

陀螺噪聲(?)為

(5)

式中：ωi為陀螺原始輸出；N=2 400為原始數(shù)據(jù)個數(shù)。

圖2 常規(guī)半球陀螺的噪聲

圖3 低噪聲半球陀螺的噪聲

根據(jù)式(5)可得常規(guī)半球陀螺的?=0.123 (°)/h，低噪聲半球陀螺的?=0.059 (°)/h。優(yōu)化設(shè)計后的噪聲為優(yōu)化前的48%。

圖4、5分別為常規(guī)及低噪聲半球陀螺的Allan方差曲線。Allan方差擬合得到的常規(guī)半球陀螺的角度隨機游走為0.000 524 (°)/h1/2，低噪聲半球陀螺的角度隨機游走為0.000 282 (°)/h1/2，優(yōu)化設(shè)計后的角度隨機游走為優(yōu)化前的53.8%。

圖4 常規(guī)半球陀螺的Allan方差曲線

圖5 低噪聲半球陀螺的Allan方差曲線

3 結(jié)束語

通過對陀螺敏感器、控制系統(tǒng)及電子線路的優(yōu)化設(shè)計，顯著降低了半球陀螺的噪聲。實測結(jié)果表明，改進(jìn)后的陀螺噪聲為0.059 (°)/h(1σ)，角度隨機游走為2.82×10-4(°)/h1/2，噪聲降低到優(yōu)化設(shè)計前的50%左右，證明了優(yōu)化設(shè)計的有效性。改進(jìn)設(shè)計后的噪聲與美國Northrop Grumman公司HRG130P半球諧振陀螺基本型的噪聲水平相當(dāng)，與HRG130P的高精度型尚有一定差距。

半球陀螺長壽命、高可靠的特性結(jié)合低噪聲的優(yōu)勢，能夠很好地滿足遙感、地球觀測及科學(xué)實驗等對精確定向有較高要求的衛(wèi)星的需要。