集成化微型半球陀螺技术研究

1

作者 魏琦 周斌 +3 位作者 张益楠 杨峰 王涵 林丙涛 《压电与声光》 北大核心 2025年第4期622-627,共6页

针对微型半球陀螺测控电路的小型化使用需求,通过高精度载波调制与Σ-Δ模数转换技术实现高精度电容检测,通过多级Σ-Δ调制和动态权重平均技术实现高精度力反馈,采用CPU结合硬件加速器实现闭环控制、正交误差抑制、温度补偿的软件算法... 针对微型半球陀螺测控电路的小型化使用需求,通过高精度载波调制与Σ-Δ模数转换技术实现高精度电容检测,通过多级Σ-Δ调制和动态权重平均技术实现高精度力反馈,采用CPU结合硬件加速器实现闭环控制、正交误差抑制、温度补偿的软件算法,解决了微型半球陀螺高精度、集成化、小型化测控难题,研制出了高精度的微型半球陀螺力反馈测控应用特定集成电路(ASIC)。在室温条件下,对采用该ASIC的微型半球陀螺进行了性能测试,实测陀螺零偏稳定性达到0.06(°)/h,量程为±5(°)/s,带宽为5 Hz。较传统的分立测控电路,陀螺的SWaP性能有明显提升。 展开更多

关键词 微型半球陀螺 力反馈 测控技术 ASIC

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半球谐振陀螺噪声特征研究 被引量：1

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作者 张挺 方海斌 +1 位作者 卜继军 雷霆 《压电与声光》 北大核心 2025年第3期496-499,共4页

半球谐振陀螺在航天器姿态控制领域应用广泛。针对航天器对陀螺噪声的要求,采用Allan方差分析了半球谐振陀螺的噪声组成,并与光纤陀螺、MEMS陀螺进行了对比。Allan方差分析结果表明,半球谐振陀螺的噪声以量化噪声为主,角度随机游走的成... 半球谐振陀螺在航天器姿态控制领域应用广泛。针对航天器对陀螺噪声的要求,采用Allan方差分析了半球谐振陀螺的噪声组成,并与光纤陀螺、MEMS陀螺进行了对比。Allan方差分析结果表明,半球谐振陀螺的噪声以量化噪声为主,角度随机游走的成分很少,而光纤陀螺和MEMS陀螺的噪声由角度随机游走组成,基本无量化噪声。因此,降低半球谐振陀螺的噪声应从降低量化噪声入手。通过调整电路参数降低了陀螺噪声,证实了措施的有效性,同时为进一步降低半球谐振陀螺噪声指明了研究方向。 展开更多

关键词 半球谐振陀螺 噪声 ALLAN方差 量化噪声

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星用半球谐振陀螺姿态敏感器设计与抗辐照研究

3

作者 王涵 方海斌 +3 位作者 周强 彭凯 雷霆 苏鹤鸣 《压电与声光》 北大核心 2025年第4期637-643,共7页

基于三件套结构的半球谐振陀螺开展星用姿态敏感器的研制。采用FPGA“一拖三”的数字控制电路结构和力平衡控制模式对空间正交的3轴陀螺进行控制,完成角速度测量,实现了零偏稳定性优于0.003(°)/h,陀螺输出噪声<1.3×10^(-4)... 基于三件套结构的半球谐振陀螺开展星用姿态敏感器的研制。采用FPGA“一拖三”的数字控制电路结构和力平衡控制模式对空间正交的3轴陀螺进行控制,完成角速度测量,实现了零偏稳定性优于0.003(°)/h,陀螺输出噪声<1.3×10^(-4)(°)/s,标度因数非线性度<20×10^(-6)的技术指标。针对空间粒子的辐照损伤问题,进行了姿态敏感器电路结构和系统控制的抗辐射加固设计,并通过辐照试验完成了对姿态敏感器抗辐照性能的验证。 展开更多

关键词 半球谐振陀螺 姿态敏感器 力平衡 总剂量 单粒子

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半球谐振陀螺标度因数稳定性研究

4

作者 张挺 方海斌 +1 位作者 卜继军 李建朋 《压电与声光》 北大核心 2025年第4期628-631,共4页

标度因数的稳定性对半球谐振陀螺的测量精度有很大的影响。为提升半球谐振陀螺的标度因数稳定性,讨论了半球谐振陀螺标度因数的影响因素,分析了电路增益、温度和电荷迁移对标度因数的影响。经理论分析及测试数据表明,温度变化会影响电... 标度因数的稳定性对半球谐振陀螺的测量精度有很大的影响。为提升半球谐振陀螺的标度因数稳定性,讨论了半球谐振陀螺标度因数的影响因素,分析了电路增益、温度和电荷迁移对标度因数的影响。经理论分析及测试数据表明,温度变化会影响电路增益及谐振频率,进而影响标度因数,半球谐振陀螺的标度因数与温度成线性关系。电荷迁移对标度因数同样具有显著影响,其进行及恢复过程均非常缓慢,且难以进行建模补偿。通过电极优化设计,可将标度因数的变化量降低几十倍,大幅提升了标度因数的稳定性。 展开更多

关键词 半球谐振陀螺 标度因数稳定性 电路增益 温度 电荷迁移

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半球谐振陀螺快速启动技术研究 被引量：4

5

作者 方海斌 雷霆 +2 位作者 卜继军 周强 韩世川 《压电与声光》 CAS 北大核心 2022年第3期488-490,共3页

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... 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。 展开更多

关键词 半球谐振陀螺 误差源 快速启动

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半球谐振陀螺星载惯性测量单元设计与实现 被引量：6

6

作者 孙一为 解伟男 +3 位作者 薛智文 韩世川 伊国兴 王泽宇 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2022年第2期148-153,共6页

半球谐振陀螺是一种新型固体振动陀螺,具备功耗低、寿命长、稳定性高等特点,可完美适应卫星的姿态控制。针对微小卫星应用需求,利用半球谐振陀螺构建了星载惯性测量单元。首先,通过测量单元硬件结构设计,对其内部空间进行优化,并通过力... 半球谐振陀螺是一种新型固体振动陀螺,具备功耗低、寿命长、稳定性高等特点,可完美适应卫星的姿态控制。针对微小卫星应用需求,利用半球谐振陀螺构建了星载惯性测量单元。首先,通过测量单元硬件结构设计,对其内部空间进行优化,并通过力学特性及力学试验仿真分析,验证其机械可靠性。其次,针对微小卫星应用环境优化半球谐振陀螺电路设计,提高惯性测量单元可靠性。最后,力学环境试验结果表明,三轴半球谐振陀螺的零偏稳定性均优于0.1°/h,敏感器件满足标度因数非线性度≤500ppm和零偏稳定性≤0.1°/h(1σ)的要求,实现了满足微小卫星应用需求的低成本、小体积、高可靠的半球谐振陀螺星载惯性测量单元。 展开更多

关键词 半球谐振陀螺 惯性测量单元 微小卫星应用 力学环境试验

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用于精确定向的低噪声半球陀螺设计 被引量：5

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作者 方海斌 韩世川 +2 位作者 彭凯 雷霆 周闯 《压电与声光》 CAS 北大核心 2020年第6期884-886,共3页

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... 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。 展开更多

关键词 精密定向 半球谐振陀螺 低噪声

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半球谐振陀螺总剂量辐照效应性能研究 被引量：2

8

作者 周强 方海斌 +1 位作者 简福斌 杨勇 《压电与声光》 CAS 北大核心 2021年第6期869-872,共4页

半球谐振陀螺是一种高可靠的哥氏振动陀螺,在宇航领域有广泛的应用前景。该文研究了在空间辐照环境下总剂量辐照效应对半球谐振陀螺性能的影响,分析了总剂量辐照效应对半球谐振陀螺不同功能模块的影响,包括陀螺敏感头、信号检测电路及... 半球谐振陀螺是一种高可靠的哥氏振动陀螺,在宇航领域有广泛的应用前景。该文研究了在空间辐照环境下总剂量辐照效应对半球谐振陀螺性能的影响,分析了总剂量辐照效应对半球谐振陀螺不同功能模块的影响,包括陀螺敏感头、信号检测电路及控制电路,并进行了总剂量辐照试验验证。结果表明,100 krad(Si)的总剂量辐照对半球谐振陀螺的性能无明显影响,半球谐振陀螺的抗辐照能力能够满足高轨道航天器的应用需要。 展开更多

关键词 半球谐振陀螺 总剂量效应 信号检测电路 抗辐照

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半球陀螺零偏的在轨标定 被引量：1

9

作者 方海斌 周强 +3 位作者 覃施甦 方针 彭慧 韩世川 《压电与声光》 CSCD 北大核心 2014年第6期903-906,共4页

研究了半球陀螺零偏的在轨标定,提出了轨道计算法和Kalman滤波法两种方法。在卫星姿态指向确定的情况下,可采用轨道计算法对半球陀螺进行零偏标定;Kalman滤波法则必须首先建立准确的数学模型和状态方程。轨道计算法所需的条件少,可操作... 研究了半球陀螺零偏的在轨标定,提出了轨道计算法和Kalman滤波法两种方法。在卫星姿态指向确定的情况下,可采用轨道计算法对半球陀螺进行零偏标定;Kalman滤波法则必须首先建立准确的数学模型和状态方程。轨道计算法所需的条件少,可操作性好,但精度不如Kalman滤波法。通过对陀螺输出进行滤波降噪处理,可较大程度地提高轨道计算法的精度。半球陀螺在某型卫星上的实际运行数据,证实了这两种方法的可行性。 展开更多

关键词 半球谐振陀螺 零偏在轨标定 轨道计算法 Kalman滤波法 标定精度

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检测误差对半球谐振陀螺进动因子的影响分析 被引量：1

10

作者 韩世川 林翠平 +2 位作者 陈婷婷 雷霆 卜继军 《压电与声光》 CAS 北大核心 2023年第2期226-230,共5页

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... 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。 展开更多

关键词 半球谐振陀螺(HRG) 全角(WA)模式 进动因子 检测误差

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惯组减振系统设计及试验研究 被引量：4

11

作者 罗华 肖凯 +2 位作者 余鲲 芶志平 宋军 《压电与声光》 CAS 北大核心 2021年第3期402-405,共4页

根据惯组减振技术要求,利用金属减振器设计减振系统。通过试验验证了减振系统的减振效果,并对惯组动态性能进行了测试。试验结果表明,沿惯组3个轴向的减振效率均在29%以上,其中z向减振效率达到53%。对于挠性加速度计较为敏感的500 Hz频... 根据惯组减振技术要求,利用金属减振器设计减振系统。通过试验验证了减振系统的减振效果,并对惯组动态性能进行了测试。试验结果表明,沿惯组3个轴向的减振效率均在29%以上,其中z向减振效率达到53%。对于挠性加速度计较为敏感的500 Hz频率点,振动传递率均小于30%,振动量级在0.053 g^(2)/Hz(g=9.8 m/s^(2))以下。安装减振器后,陀螺带宽大于50 Hz,角速率延时约为5 ms;加速度计带宽大于80 Hz,说明减振器对系统动态性能影响不大。此外,研究还发现金属减振器轴向减振效率较周向减振效率低。 展开更多

关键词 惯组 金属减振器 减振系统 试验

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平台惯导系统中的半球谐振陀螺 被引量：2

12

作者 余波 周强 +3 位作者 方针 方海斌 简福斌 韩世川 《压电与声光》 CSCD 北大核心 2017年第4期494-497,共4页

半球谐振陀螺仪(HRG)是一种高精度、高可靠、长寿命的新型固体振动陀螺仪。为了使陀螺可适用于平台惯导系统的应用,通过对半球陀螺控制电路的改进,提高了半球陀螺的动态特性、带宽、精度等性能指标,测试结果表明,半球陀螺的动态测量范... 半球谐振陀螺仪(HRG)是一种高精度、高可靠、长寿命的新型固体振动陀螺仪。为了使陀螺可适用于平台惯导系统的应用,通过对半球陀螺控制电路的改进,提高了半球陀螺的动态特性、带宽、精度等性能指标,测试结果表明,半球陀螺的动态测量范围达到-60^+60(°)/s;带宽扩展到≥75 Hz;漂移达到0.06(°)/h,满足了平台惯导系统的应用需求。 展开更多

关键词 半球谐振陀螺仪 平台惯导系统 动态特性 带宽 控制电路 漂移

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重力场对半球谐振陀螺性能的影响

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作者 方仲祺 方海斌 +2 位作者 雷霆 谭品恒 韩世川 《压电与声光》 CAS 北大核心 2020年第6期871-874,共4页

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... 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。 展开更多

关键词 半球谐振陀螺 重力场 动力学仿真 陀螺测试

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瑕疵半球谐振子频率分歧修正

14

作者 周闯 彭凯 +2 位作者 方海斌 谭品恒 方仲祺 《压电与声光》 CAS 北大核心 2021年第3期413-416,420,共5页

针对半球谐振陀螺仪中半球谐振子频率分歧修正难题,该文提出在谐振子唇缘端固有刚性轴上去除四点修正方法。首先通过COMSOL有限元仿真建立瑕疵与固有刚性轴之间的关系,得到只有在固有刚性轴上才可以准确修正谐振子频率分歧。其次通过谐... 针对半球谐振陀螺仪中半球谐振子频率分歧修正难题,该文提出在谐振子唇缘端固有刚性轴上去除四点修正方法。首先通过COMSOL有限元仿真建立瑕疵与固有刚性轴之间的关系,得到只有在固有刚性轴上才可以准确修正谐振子频率分歧。其次通过谐振子二维弹簧-阻尼运动方程求解谐振子运动轨迹,并通过MATLAB仿真得到李萨如图,由图可知,在阻尼较小的情况下,用自由振动法可以快速准确地找到固有刚性轴。再通过COMSOL有限元仿真验证了在半球谐振子固有刚性轴重轴唇缘位置4个正交对称区域,可以修正由质量瑕疵造成的频率分歧。结果表明,通过实验辨识得到谐振子频率分歧及瑕疵位置,可以为后续使用飞秒激光器进行刻蚀调平提供研究基础,实现飞秒激光调平。 展开更多

关键词 半球谐振陀螺仪 半球谐振子 固有刚性轴 频率分歧

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