SERF陀螺仪研究进展及关键技术

SERF(Spin Exchange Relaxation Free)陀螺仪利用电子自旋在惯性空间的定轴性敏感载体转动信息,具有超高精度、小体积的特点,已成为国内外惯性技术领域的研究热点之一.本文介绍了SERF陀螺仅的基本原理,回顾了SERF陀螺仪的国内外发展历程,指出SERF陀螺仪发展需要解决原子气室抗弛豫、核自旋磁场补偿闭环和高精度的信号检测三个关键技术,并展望了SERF陀螺仪在未来潜在的应用前景.     

大量程MEMS陀螺仪在高速旋转导弹上的应用

弹旋频率是影响旋转导弹制导精度的主要因素之一.本文提出了一种弹旋频率测量用大量程MEMS陀螺仪技术方案,开展了大量程MEMS陀螺仪在旋转导弹上的应用研究,解决了大量程MEMS陀螺仪在偏心安装、较大力学环境下提高测量精度等问题,通过了飞行试验验证,实现了旋转导弹弹旋频率的精确测量.     

超声悬浮陀螺仪技术

本文分析了机械式高精度陀螺仪的悬浮支撑方式,和静电悬浮相比,超声悬浮支承力大,陀螺容易实现较高的角动量,并且超声悬浮技术没有静电击穿的问题,工艺实现要求低,可靠性高。在此基础上重点探讨了超声悬浮陀螺的机理、可实现性和关键技术,提出研制超声悬浮陀螺具有重要的工程应用价值。     

基于MEMS陀螺的风洞模型水平姿态动态测量与精度评估

风洞实验对模型的水平姿态实时动态测量精度的要求不断提高,微小型飞行器模型、高精度的激光陀螺、光纤陀螺惯性测量单元往往在体积、质量方面受到限制,而单一的MEMS系统在水平姿态测量精度方面通常难以达到要求。采用高精度石英挠性加速度计替代MEMS加速度计,与MEMS陀螺进行组合测量。针对加速度计I/F转换脉冲量化及陀螺漂移对动态测量精度的影响,提出了一种基于速度观测Kalman滤波的水平姿态动态测量算法,以提高风洞实验中模型水平姿态的测量精度。提出了在三轴飞行模拟转台上,利用高精度激光陀螺捷联惯导系统的测量结果作为基准进行动态精度评估的方法,解决了安装误差、时间同步等因素对评估精度的影响。通过与其他几种惯性水平姿态测量方法进行精度对比,验证了该算法的技术优势。     

半球谐振陀螺技术发展概述

半球谐振陀螺是惯导级的固体振动陀螺,其高精度、高可靠性和长寿命的 特点非常适应空间应用。在国外空间应用中已取得了巨大的成功,国内半球谐振陀螺仪 已通过飞行试验,验证了其性能可满足工程应用的要求,目前正在开展半球谐振陀螺应 用技术与高精度、小型化惯性测量组合的技术研究,拓展应用领域。概述了半球谐振陀 螺的基本原理、国内外技术发展情况、相关关键技术以及技术发展方向。     

超流体陀螺仪的发展概况与研究进展

超流体陀螺基于低温物理量子理论发展,有望成为新一代高精度陀螺仪的重要方向.通过对超流体陀螺的研究现状进行调研和分析,阐述了主要的几类超流体陀螺的原理和特点,分析了超流体陀螺的发展前景.对于基于交流(AC)约瑟夫森效应的超流体陀螺的灵敏度以及温度和体积上的优势展开了分析,并针对前期研究中的原理方案设计、加工和制冷技术以及误差分析等问题提出了思考并进行了展望,旨在加强国内研究者的交流,进一步促进新陀螺技术的发展.     

基于卫星和星敏感器的冗余激光惯组在轨标定

采用高精度卫星导航速度、位置信息以及星敏感器提供的姿态信息设计十表冗余捷联惯组的标定模型,包含陀螺和加速度计的零次项和标度因数,对卫星和星敏感器辅助的冗余激光陀螺捷联惯组进行实时在轨标定.利用标准Kalman滤波和Sage-Husa自适应滤波作为估计算法,对十表冗余捷联惯组参数进行在线估计.数值仿真结果表明:参数标定精度均在7％以内,是一种实时的在轨标定方法,满足误差补偿要求.冗余惯组在轨标定方法为航天器高精度定姿和定轨提供了一种理论参考.     

半球谐振陀螺研究现状与发展趋势

半球谐振陀螺是基于哥氏效应测量角速度的新型固态陀螺,具有结构简单、精度高、功耗低、寿命长、可靠性好、抗空间辐射等优点,是捷联惯性导航系统的理想陀螺仪,在宇航领域具有独特的应用优势。半球谐振陀螺的理论精度不受量子尺寸效应限制,是高精度、微型化陀螺的重要发展方向之一。首先介绍了半球谐振陀螺的基本工作原理,其次介绍了半球谐振陀螺的发展历程,综述了半球谐振陀螺的国内外研究现状,最后对半球谐振陀螺的发展趋势进行了展望。     

战术导弹用MEMS陀螺仪研制进展及关键技术

MEMS陀螺仪具有体积小、质量轻、启动快、可靠性高、价格低、易于大批量生产、能承受恶劣环境条件等突出优势,可广泛应用于防空导弹、反坦克导弹、便携式导弹、航空制导炸弹等制导武器.介绍了MEMS陀螺仪的基本原理、发展现状,分析了战术导弹对MEMS陀螺仪的应用需求,指出了MEMS陀螺仪在战术导弹型号应用中需解决微机械加工工艺、全温性能指标、复合力学环境等关键技术问题,对MEMS陀螺仪在战术导弹中的应用具有指导意义.     

高端MEMS固体波动陀螺的发展与应用

总结了固体波动陀螺的发展历程,分析了从固体波动陀螺到MEMS陀螺的演化过程.通过对MEMS谐振环陀螺的演化与研制历程进行分析,预测未来高端MEMS陀螺发展方向,推动我国高端MEMS环形固体波动陀螺的研究与应用.     

MEMS冗余惯组小幅值故障检测的PCA算法设计和优化

当组成冗余惯组的陀螺为MEMS陀螺,而故障又为幅值比较小的阶跃故障时(仿真发现,阶跃故障幅值为陀螺噪声方差的10倍左右大小时),使用以往的PCA故障检验方法,陀螺噪声会造成故障检测的困难.针对这种情况,提出了MEMS冗余惯组小幅值故障检测的PCA(Principal Component Analysis)算法设计和优化的方法,在以往PCA算法的基础上结合假设检验算法,考虑了陀螺噪声的影响,降低了MEMS陀螺噪声对故障检测的影响.通过仿真验证,证实了本文算法比以往PCA算法具有更高的检测准确性和灵敏度,这对于提高整个系统的可靠性具有重要意义.     

MEMS环形谐振陀螺闭环系统建模、仿真与参数分析

针对一款数字可配置的MEMS环形谐振陀螺,对陀螺表头和信号处理电路进行数学建模,推导陀螺检测系统指标参数与机电特性参数之间数学关系,为可配置ASIC电路提供理论支撑.通过对实测表头数据和理论模型数据进行对比分析,验证了模型的有效性与准确性.     

MEMS陀螺静态误差补偿方法研究

针对典型MEMS陀螺静态误差大、 影响工程上使用的难题,提出基于时间序列模型的Kalman滤波方法.通过对典型MEMS陀螺数据进行分析,提取其趋势项,进行周期检验与相关性分析,建立时间序列模型;针对建立的时间序列模型,提出利用Kalman滤波方法,消除零位不稳定性.仿真及试验结果表明,该解算方法能够有效补偿MEMS陀螺静态误差,显著提升其静态指标.     

Theory of Errors of a Multigimbal, Elastically Supported, Tuned Gyroscope

An elastically supported, tuned gyroscope is a complex device, but experience has shown that it can be represented by mathematical models by means of which practically all of its characteristic errors can be analyzed and predicted with good accuracy. The gyro angular transfer function, derived in [1], serves as an excellent basis of evaluation of errors due to asymmetries of the gimballing system and effects of rotor angular offsets. The gyro translational transfer function, derived in this paper, may be used in the analysis of errors caused by linear acceleration inputs.     

基于综合指标的最优冗余陀螺配置确定方法

陀螺是航天器控制系统中的关键姿态敏感器,其主要采取冗余措施进行配置。针对航天器控制系统设计中如何进行陀螺冗余配置的问题,提出了一种确定最优冗余陀螺配置的方法,该方法综合考虑了系统的可靠性、精度、成本代价等综合指标。首先,以工程中普遍采用的陀螺斜置式为对象,系统性给出了陀螺斜置式的安装结构,并以测量误差最小为目标确定出确定安装数目下的最优陀螺冗余安装结构。其次,结合实际工程经验对陀螺冗余配置的综合性能指标进行详细系统的分析。然后,利用优化评价方法以综合指标为基础对不同安装数目下的陀螺冗余安装结构进行综合评价,确定出陀螺冗余配置的最优安装数目,即最优冗余陀螺配置。最后,利用该方法对实际工程中的斜置式陀螺冗余配置进行分析和计算。结果表明,当陀螺的安装数目为7时为最优冗余配置,该结论对实际工程具有理论指导作用。     

Magnetically suspended MEMS spinning wheel gyro

A concept of a magnetically suspended spinning wheel gyro is described. The gyro is based on a patented, planar magnetic actuator and position sensor configuration with a gyro wheel that is rotated by a multi-phase electromagnetic spin motor. The motor and actuator/sensor configurations, in addition to providing the necessary forces to suspend the spinning wheel, are amenable to fabrication using some of the developing MEMS fabrication technologies, making batch fabrication of the gyro possible. This provide the capability for high production yield in high volume through the use of batch processing, without the need for skilled hand labor, resulting in high yields, high reliability, and low cost of ownership. The gyro concept is described in detail. The high-speed rotation of the wheel, somewhat smaller than a dime, can produce an angular momentum much larger than that of the Coriolis force based MEMS gyros now receiving intensive development, and is expected to provide considerably higher performance than currently available from this class of instrument. Two axes of angular rate information and three axes of acceleration information are provided by the control loops that center the wheel within the case. Thus, two such magnetically suspended spinning wheel gyros can be used to implement a complete IMU, and can also provide redundancy in three of the five degrees of freedom     

一种高精度MEMS陀螺仪g值敏感系数误差的标定方法

针对高精度MEMS陀螺仪存在g值敏感系数误差的问题,设计了一种基于16位置的g值敏感系数标定方法,并建立了相应的误差模型。实验表明,该方法能够有效地减少MEMS陀螺仪因加速度所引起的g值敏感系数误差,在经过误差补偿之后能够较好地表征出地球自转角速率,提高了MEMS陀螺仪在动态情况下的测量精度和性能,具有较好的参考和研究意义。     

旋转调制微机电惯性系统方案研究

微机电惯性系统具备小体积优势，但现阶段系统精度仍在消费级与战术级之间。研究了旋转调制技术在微机电惯性系统中的应用，探讨了基于PCB小型化电机的微旋转方案，并开展了单轴旋转调制验证试验，以探索旋转调制技术对微机电惯性系统性能的提升作用。结果表明，在微机电陀螺精度约为2(°)/h的条件下，该方案能够实现约0.2n mile/10min的导航精度，相较于同等惯性器件条件下的捷联式系统，精度提高了不止1个数量级，证明了该方案能够有效提高微机电惯性系统的精度。     

MEMS陀螺仪的高精度标定方法

为了提高微机电(MEMS)陀螺仪的测量精度，研究了一种同时标定陀螺非正交误差和加速度敏感漂移误差的标定方法。设计了16位置的转台标定方案，分别以地球自转角速率和重力加速度作为角速率和加速度激励源，利用两组角速率数据迭代求解非正交误差和加速度敏感漂移误差，并以陀螺仪对地球自转角速率的敏感误差作为校正效果的评估依据。试验结果表明，该方法能够有效校正MEMS陀螺仪的非正交误差和加速度敏感漂移误差，提高了陀螺仪的测量精度，且易于工程实现。