全角(WA)模式的半球谐振陀螺(HRG)进动因子只与球壳谐振子的物理尺寸有关, 但由于读出电极非正交耦合及间隙失配、检测电路增益误差等检测误差, 导致进动因子的周向一致性退化。该文首先对理想半球谐振陀螺的进动因子进行了理论推导, 然后针对检测误差对进动因子的影响进行了分析, 结合具体的全角模式控制电路与算法, 提出了检测误差的校正方法, 最后通过实验验证了该校正方法的有效性。实验结果表明,进动因子的周向一致性提升了2个数量级。

针对陀螺高精度小型化需求, 该文设计了一种微半球陀螺结构, 建立微半球陀螺三维有限元模型, 研究了微半球谐振子结构对称性对陀螺性能的影响规律。提出了谐振子圆度及1~4阶质量不对称误差的评价方法, 实现了谐振子制造工艺优化, 优化后的谐振子圆度误差≤2 μm, 在此基础上研制了微半球陀螺样机。结果表明, 封装后陀螺样机的周向品质因数(Q)值分布为(9.024~9.183)×105, 均匀性为±0.87%; 速率模式下, 陀螺量程为±20 (°)/s时, 陀螺零偏不稳定性为0.013 8 (°)/h, 角度随机游走为0.006 8 (°)/h, 展现了高结构对称性微半球陀螺的性能潜力。

半球谐振陀螺是一种新型振动陀螺仪, 在装备领域有着广泛的应用前景。制造误差、干扰源及工作环境的变化影响了半球谐振陀螺的快速启动性能。该文分析了半球谐振陀螺输出的影响因素, 讨论了谐振子品质因数(Q)值特性、装配、温度及信号干扰对快速启动性能的影响, 并针对敏感器制造和信号处理进行了优化改进。结果表明, 优化改进后的半球谐振陀螺可在通电3 min内达到稳定, 相比改进前的大于1 h有显著提升。

提出了一种微半球谐振子分次吹制工艺新方法, 通过增加第二次旋转吹制的方式, 以补偿第一次吹制过程中由于温度场不均匀性造成的谐振子对称度误差。设计了微半球陀螺整体工艺方案,并制作了硼硅酸玻璃材质的微半球谐振子及陀螺样品, 测试结果表明, 分次吹制后的谐振子频差由单次吹制的30~60 Hz降至10 Hz以内。经与力平衡控制电路联调, 陀螺零偏不稳定性为8.2 (°)/h。

半球谐振陀螺是一种高精度、长寿命的新型振动陀螺仪。为设计具备良好角速率测量精度和低噪声特性的半球陀螺及满足航天器精确定向和姿态控制需求, 该文分析了半球陀螺噪声产生的机理, 讨论了谐振子参数、控制系统参数及电子线路对半球陀螺噪声的影响, 并针对敏感器和电子线路进行了优化设计。结果表明, 优化设计后的半球陀螺噪声及角度随机游走显著降低, 约为改进前的50%, 与美国Northrop Grumman公司HRG130P半球谐振陀螺基本型的噪声水平基本相当。

半球谐振陀螺是唯一能达到惯导级精度的振动陀螺, 其谐振子振动状态可能受外界环境条件影响而发生改变, 使陀螺信号输出不稳定。为研究半球谐振陀螺对不同方向重力场的敏感性, 分析了重力场引起半球谐振陀螺信号输出改变的机理, 使用有限元法(FEM)对谐振子进行了结构刚度及锚点损耗两个维度的动力学仿真分析, 并开展相应测试验证分析结论。结果表明, 不同方向的重力场对半球谐振陀螺的性能无明显影响。