半球谐振陀螺星载惯性测量单元设计与实现

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和零偏稳定性（1）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。     

一种半球谐振陀螺振幅控制方法

振幅控制是半球谐振陀螺正常工作的基础,同时振幅控制的稳定性也直接影响陀螺的性能指标。针对半球谐振陀螺振幅控制问题开展研究。首先,推导了驱动力与陀螺振动幅度的传递函数,建立了振幅控制的被控对象模型;其次,提出了一种半球谐振陀螺的起振方法;然后根据已有研究设计了一种半球谐振陀螺振幅控制回路方案,并推导出振幅控制回路的闭环传递函数;最后,采用基于数字电子器件的全数字控制方式对振幅控制回路进行硬件电路实现。实验结果表明研究的振幅控制回路的幅值控制稳定性优于0.5 ppm,完全满足陀螺性能指标对振幅控制稳定度的要求。     

基于轨迹图法的半球谐振陀螺动力学模型描述

谐振子弹性系数和阻尼系数的不对称是引起半球谐振陀螺漂移的主要原因。根据半球谐振陀螺的动力学模型,用轨迹图法对谐振子的振动特性进行了研究。轨迹图直观地反映了谐振子的振动特性。当谐振子处于理想状态并且有角速率输入时,谐振子的轨迹图是以一定的角速率进动的标准椭圆。谐振子的非理想性严重影响陀螺的正常工作。当谐振子弹性系数不对称时,谐振子的轨迹图会发生明显变形。阻尼系数的不对称会导致振动平面向最低阻尼轴漂移。因此,消除弹性系数和阻尼系数不对称的影响对提高半球谐振陀螺的精度有重要意义。     

缺陷半球壳谐振子振动特性的研究

半球壳谐振子是新型半球谐振陀螺的敏感部件,本文主要研究这种谐振子有某种缺陷时的振动特性。所得结论可为选择半球谐振子提供一定的理论依据。     

半球谐振陀螺真空度要求分析

空气阻尼是影响半球谐振陀螺精度的重要因素,直接影响了其核心零件谐振子的品质因数Q。首先,根据半球谐振陀螺的工作原理和结构特点,研究了在不同真空度环境下、克努森系数K_n不同取值范围内空气阻尼对半球谐振陀螺的作用;进而,推导出相应的空气阻尼计算公式,计算出谐振子的Q值,得出了高精度谐振陀螺必须工作在K_n10的分子流阶段,在此阶段Q值关于真空度的对数曲线等比例提高。最后通过某型半球谐振陀螺进行实验验证,实验结果与理论分析计算相吻合,验证了理论分析的正确性。为半球谐振陀螺的真空设计提供理论依据。     

基于二维质点振动模型的半球谐振陀螺谐振子进动分析

半球谐振陀螺是基于固体波的进动效应进行角速度检测的一种全固态陀螺。为分析半球谐振子中固体波的进动效应,基于虚功原理,建立了理想条件下半球谐振陀螺谐振子中固体波进动的动力学模型。针对进动波的动力学模型过于复杂、难于分析的缺陷,提出采用相似系统的分析方法,将该动力学模型等效为二维空间质点的简谐振动模型;采用快变量与慢变量分离的方法,对等效模型进行了参数分析,通过与实际的半球谐振陀螺信号处理系统采集的李沙育图形进行对比,验证了等效简谐振动模型的有效性和正确性。     

检测信号非线性引起的全角半球谐振陀螺漂移模型

通过半球谐振子与电极所构成电容间距的改变来敏感驻波位置的方法会导致检测信号产生非线性失真,进而引起全角半球谐振陀螺产生漂移。针对这一问题,提出了一种用于描述这种漂移的数学模型,并进行了仿真分析。首先,详细阐述了电容变间距检测的原理,并分析了存在于检测信号中的非线性误差来源;然后,根据驻波位置的解调原理建立了检测信号非线性引起全角半球谐振陀螺产生漂移的数学模型;最后,通过转台实验和Simulink程序仿真分别验证了八次谐波信号的来源以及误差数学模型的正确性。实验结果表明,检测信号非线性会导致陀螺产生与角度八次谐波相关的误差项,当外界输入转速为400°/s时,八次谐波项归一化幅值为四次谐波项归一化幅值的14.52%。仿真结果表明,八次谐波误差的幅值与半球谐振子的振幅间距比呈高阶多项式正相关,与驻波的转速呈线性正相关。所提出的数学模型为全角半球谐振陀螺八次谐波误差的分析与补偿提供了理论依据。     

基于RLS算法的全角模式半球谐振陀螺自补偿控制

针对全角模式半球谐振陀螺驻波的非线性漂移严重影响陀螺输出精度，且该漂移会受温度、驻波位置、老化程度等因素影响的问题，提出了一种基于递归最小二乘（RLS）算法的半球谐振陀螺自补偿控制方法，分析了全角模式半球谐振陀螺的输出误差补偿机理，基于RLS算法，推导出了误差自补偿控制过程表达式，并进行了仿真和实验验证，结果表明经自补偿后陀螺输出偏移峰峰值从0.0104°/s降至0.0013°/s。实验证明所提方法能够有效地抑制全角模式陀螺驻波的非线性漂移，实现对陀螺自身状态的监测和实时补偿，可提高全角模式半球谐振陀螺的输出精度，并增强陀螺的长期稳定性以及环境适应性。     

基于电极模态切换的半球谐振陀螺自校准方法

针对因受加工技术、加工条件以及外部环境因素等影响,半球谐振陀螺在力平衡模式下输出零偏稳定性及重复性变化较大的问题,提出一种基于模态切换的陀螺自校准方法。基于半球谐振陀螺二阶振动模态机理,建立理想状态下谐振子运动方程,并分析推导了谐振子在阻尼不均和频率裂解等非理想因素影响下的运动模型和参数控制方程。根据谐振陀螺输出漂移特性,提出了一种基于电极功能切换的半球谐振陀螺自校准方法。通过相关实验,分析比较了电极模态切换前后陀螺输出稳定性及重复性,实验结果表明,陀螺零偏稳定性提升1.8倍以上,陀螺零偏重复性提升90.5%,所提方法能有效估计及补偿陀螺漂移,提高半球谐振陀螺输出的稳定性和重复性。     

半球谐振陀螺滤波评价系统

由于制造技术、组装过程和一些其它不确定因素,半球谐振陀螺不可避免的存在噪声源。介绍了半球谐振陀螺的工作原理和闭环检测理论,探讨了半球谐振陀螺的主要误差源,指出了在线滤波器用于半球谐振陀螺随机噪声滤波存在的一些问题。为了达到最佳的滤波效果,滤波评价系统采用 Allan 方差作为检验滤波性能的标准。比较了低通滤波、小波滤波和粒子滤的滤波性能,证明了该系统的有效性。     

基于DSP实现的数字化闭环光纤陀螺

提出一种基于高速数字信号处理专用DSP芯片使用的数字化闭环光纤陀螺系统方案,并着重讨论其数字快速算法的实现。这种快速算法采用多抽样率数字信号系统中抽取的高效结构实现,能够在保证系统的实时性和精度的条件下,极大地减少了DSP系统的运算量和存储量。     

On flexural vibration of hemispherical shell

This paper makes detailed analyses for the flexural vibration(frequency)of the hemispherical shell and presents the varying laws of frequency with the varying boundary angles and the wall thickness of the above shell.It is an important value to develop the instrument,such as hemispherical resonator gyro(HRG),whose sensing component is a hemispherical shell.     

硅微机械陀螺传感器信号的检测方法

硅微机械陀螺是近几年发展起来的一种新型惯性元件。由于其巨大的军事和民用价值,各国均将研制过程中的关键技术列为高度机密。本文对硅微机械陀螺的关键技术之一 传感器信号的检测方法进行了探讨。提供了几种硅微机械陀螺传感器信号的检测方法,并对这几种检测方法进行了比较。     

小波分析在捷联惯导陀螺信号滤波中的应用

介绍了小波变换和多分辨率分析理论。针对捷联惯导系统中光纤陀螺输出信号的特点，对其进行小波变换，去除信号中高频部分的噪声，从而抑制了陀螺的随机漂移。通过仿真实验，肯定了使用小波分析算法对陀螺输出信号进行滤波消噪处理的可行性。在实际用于捷联惯导系统中的实验结果表明，有效地提高了系统的精度。     

Amplitude control contour in a hemispherical resonator gyro with automatic compensation for difference in <Emphasis Type="Italic">Q</Emphasis>-factors

For the normal operation of a hemispherical resonator gyro, its circuit must contain a control contour maintaining the resonator vibrations in the form of a standing wave with a prescribed amplitude. A turn of the basement leads to a turn of the standing wave, which permits using the resonator as a gyro. A turn of the standing wave may arise without a turn of the basement if the resonator has difference in Q-factors, i.e., if the damping constant of the standing wave depends on its orientation. This is one important source of device errors. Some information about the difference in Q-factors can be obtained by analyzing how the control signal maintaining the prescribed amplitude depends on the wave orientation. The larger the damping constant, the larger control signal is required to maintain the wave with the largest amplitude.In the present paper, we consider a version of the amplitude control contour in which the control signal maintaining the amplitude is supplemented with signal compensating for difference in Q-factors of the resonator. The compensating signals are produced by time integration of the control signal multiplied by certain trigonometric functions of the wave orientation angle. In this case, we decrease the level of dynamic errors of the amplitude maintenance contour, which arise in the usual circuit with each change of the wave orientation in the resonator, and simultaneously eliminate the drift caused by difference in Q-factors.     

三浮陀螺仪漂移模型的建立及MATLAB实现

基于时序分析理论,介绍了三浮陀螺仪漂移数据处理与模型建立的过程,给出了各步骤所得到的结果及相关结论。充分利用 MATLAB 在矩阵计算、数据处理和信号处理领域的优势,设计了一套较为完整的建模软件,有效提高了模型的精度和可靠性,并减少了建模的计算量。     

关于陀螺信号处理中小波基选取的研究

在建立陀螺漂移的数学模型的基础上，使用不同的小波基对陀螺输出信号进行多尺度小波分解，去除由噪声产生的小波系数，从而达到消除噪声的目的。从不同小波基的滤波效果来看，双正交样条小波Biorl.5具有较好的去噪效果，从而也验证了小波对称性在陀螺信号去噪中的重要性。     

激光陀螺抖动偏频解调与微小角速度检测

—本文讨论了激光陀螺抖动偏频解调与微小角速度检测的主要技术难点。针对难点，在整周期采样解调基础上提出了脉冲边沿触发鉴相解调方案，同时对该方案的合理性进行了详细分析和理论证明。文章最后指出，该方案对大角速度的高精度检测同样适用。     

Geometrical nonlinearity stabilizes a wave solid-state gyro

It was recognized long ago that quasi-harmonic standing waves in a thin-walled axisymmetric resonator, mounted on a rotating platform, are subject to a precession. This significant phenomenon is naturally associated with a concept of a solid-state wave gyro, or an inertial instrument used to measure angular rotation rate, as if any wave may be interpreted as a material particle moving in a rotating frame of reference. Because there are no typical mechanical parts, these wave sensors can be utilized with a lot of advantages. To run such a gyro in vita, one should excite and keep on by certain means a standing wave in the thin-walled axisymmetric resonator. Up to now, there are known two ways how to do it, and namely, using either external or parametric resonant mechanisms of excitation. Although both cases necessarily require an additional feedback control device in order to stabilize instable or other parasite oscillations of the resonator. This paper, following the study of nonlinear waves in a thin circular ring, demonstrates that the solid-state wave gyro may be naturally stabilized just at the expense of the geometrical nonlinearity by combining advantages of both the positional resonant excitation and the parametric resonance.     

捷联系统陀螺静态漂移参数标定

本文研究了捷联惯性组件中螺静态漂移参数的标定问题,首先对陀 螺静态漂移误差进行了捷模,并在此基础上研究了陀螺的标度因数、安装误差系数及静态漂移系数的标定方法,文中给出了具体的实验方法和数据处理方法。理论分析表明本文所述方法能够有效地分离出捷联陀螺各项静态漂移参数。