2019年, 第18卷, 第2期　刊出日期：2019-04-05

  

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综述与动态
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  微半球谐振陀螺技术研究进展

  石岩, 席翔, 吴学忠, 肖定邦

  导航与控制. 2019, 18(2): 1-8. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.02.001

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  微半球谐振陀螺是一种基于MEMS工艺实现高精度谐振结构制造,进而实现角速率或角度信号测量的新型振动式陀螺。该技术既有望继承传统半球谐振陀螺高精度、长寿命等优点,又兼具了微型化的技术优势,具有极大的发展潜力。目前,微半球谐振陀螺技术处于起步阶段,对其的研究重点主要集中于高精度谐振结构的制造技术。介绍了多种微半球谐振陀螺的制造方法,分析了其技术特点,并结合国内外微半球谐振陀螺技术的发展现状,对其未来发展趋势进行了阐述。
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  金属壳谐振子研究进展

  苏中, 刘宁, 张小宇, 李擎

  导航与控制. 2019, 18(2): 9-15. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.02.002

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  金属壳谐振陀螺是利用驻波的进动特性来敏感输入角速率的一种新型壳体振动陀螺,具有结构简单、功耗低、抗冲击性强、稳定性高等优点,可被广泛应用于中低精度角速度测量领域。金属壳谐振陀螺不仅具有传统陀螺的惯性品质,而且具有抗高过载、量程大的特点,这是其他类型陀螺所不具备的。作为金属壳谐振陀螺的核心部件,金属壳谐振子的性能至关重要。结合金属壳谐振陀螺综述了金属壳谐振子的研究进展,从设计思想、理论建模、结构设计、信号处理等方面进行了讨论,并指出了金属壳谐振陀螺及其谐振子的发展趋势。
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  圆柱壳体振动陀螺技术现状与发展趋势

  席翔, 肖定邦, 吴宇列, 张勇猛, 吴学忠

  导航与控制. 2019, 18(2): 16-19. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.02.003

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  圆柱壳体振动陀螺具有精度高、寿命长、体积小、抗冲击强等突出优点,在精确制导武器尤其是战术武器等装备领域中具有广阔的应用空间,已成为当前振动陀螺的热点研究方向之一。简要介绍了圆柱壳体振动陀螺的发展历程,并对其材料、加工制造和电路控制等方面的关键技术、研究现状进行了梳理。最后,对圆柱壳体振动陀螺的未来发展趋势进行了讨论,并指出0.1(°)/h以下的小型化、高性能圆柱壳体振动陀螺将有广阔的发展空间。
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  MEMS偏航角速度传感器在旋转
  导弹稳定回路中的应用

  于家福, 邢朝洋, 朱政强, 孙鹏

  导航与控制. 2019, 18(2): 20-25. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.02.004

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  在旋转导弹稳定回路中,采用MEMS偏航角速度传感器用于弹体偏航角速度的测量,偏航角速度传感器是旋转导弹控制回路的重要组成部分。提出了一种全新的MEMS偏航角速度传感器技术方案,解决了MEMS偏航角速度传感器正交耦合、力学环境适应性、波形畸变等问题,实现了旋转导弹偏航角速度信号的精确测量。
电路与控制
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  微半球陀螺测控电路国内外现状与关键技术

  谷留涛, 张卫平, 刘朝阳, 田梦雅, 成宇翔

  导航与控制. 2019, 18(2): 26-32. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.02.005

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  微半球陀螺相比于传统的机械陀螺具有更小的尺寸,因此其对温度、湿度、磁场等外界环境的变化更为敏感。为了保证陀螺具有较好的工作表现,需要使外部驱动信号的频率严格锁定于工作模态的中心频率上,且陀螺输出信号幅值恒定。与此同时,由于微半球陀螺信号为微弱信号,故而需要采用微弱信号采集技术及反馈技术对其进行处理,并且通过解调控制算法得到输出信号。阐述了微半球陀螺基本测控电路的国内外发展现状,并从Sigma-delta、模态匹配、正交补偿、温度补偿等角度分析了微半球陀螺测控电路的关键技术。
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  全角模式半球谐振陀螺振型控制与角度检测

  于翔宇, 张岚昕, 段杰, 赵万良

  导航与控制. 2019, 18(2): 33-38. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.02.006

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  传统半球谐振陀螺采用力平衡工作模式,这种模式仅能直接检测实时转速,且动态范围较小,限制了半球谐振陀螺在具有大动态机动特点的应用场景中的使用。相比之下,全角模式半球谐振陀螺通过滞后角与陀螺转动角度之间的比例关系进行角度检测,相比力平衡模式,具有直接角度检测的功能和更大的动态范围。对全角模式半球谐振陀螺进行了研究,介绍了全角模式半球谐振陀螺的控制与信号处理的方法,以及全角模式半球谐振陀螺系统的实现。该系统通过基于相干解调的信号处理算法,实现了谐振振幅参数的解算,通过PI控制器、正交分解及乘法调制实现了跟踪谐振振型进动控制作用,通过谐振振型进动角度解算器直接解算了陀螺的转动角度。通过数字仿真与实物实验结果可知,所介绍的全角模式半球谐振陀螺系统能够实现不依赖于积分运算的角度检测功能,且较之于力平衡模式,其半球谐振陀螺动态范围有了一定程度的提高。
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  用于定位导航授时微终端的SoC系统设计

  黎超, 郭美凤, 周斌, 张嵘, 侯波

  导航与控制. 2019, 18(2): 39-45. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.02.007

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  为了解决遮挡情况下的实时定位问题,美国提出了Micro-PNT方案,我国也提出了定位导航授时微终端(Micro Positioning Navigation and Timing Terminal,MPNTT)方案。定位导航授时微终端集成了卫星导航系统、微惯性测量单元、微型原子钟及处理器系统,可为终端用户提供精确可用、完好及时、连续安全的定位导航服务。介绍了一种用于定位导航授时微终端的SoC系统设计,其包括了基于SoC FPGA的硬件设计和基于GNSS/MIMU的组合导航滤波算法。SoC系统集成了FLASH、SSRAM等存储芯片,通过RS422、RS232、CAN等通信接口接收GNSS、MIMU及外源传感器信息,并在ARM核中完成组合导航算法,以得到导航结果。SoC芯片单片实现了ARM与FPGA的功能,系统集成面积满足小型化需求,为后续移植为ASIC芯片提供了基础。对组合导航滤波算法进行嵌入式软件移植并测试,结果表明:SoC系统单次惯导解算时间为7ms,实测与仿真输出的导航位置差距在0.05m以内,俯仰角差和横滚角差在0.005°以内,航向角差在0.05°以内。本文设计的SoC系统高精度、集成化、可扩展,满足了微终端的要求。
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  基于波长控制的光纤陀螺标度因数温度性能提高方法

  冯文帅, 王巍, 于海成, 赵博辉

  导航与控制. 2019, 18(2): 46-51. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.02.008

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  光纤陀螺的标度因数与光纤环的长度、直径及光源的平均波长有关。在温度条件下,光纤环的长度、直径及光源的平均波长均会发生变化,进而导致光纤陀螺在高低温下的标度因数不同,影响温度环境下的光纤陀螺标度因数的重复性。提出了一种基于光纤陀螺波长控制的标度因数温度性能提高方法,该方法在光源驱动电路的桥式回路中增加了铂电阻组件,从而可自动调节光纤陀螺光源的管芯温度,进而控制光源平均波长的变化,以抵消光纤环有效面积因温度变化而对标度因数产生的影响,提高温度环境下光纤陀螺的标度因数重复性。试验表明,该方法将未补偿情况下光纤陀螺全温范围内的标度因数重复性(1σ)由271×10^-6~280×10^-6减小到了32.5×10^-6~43.5×10^-6,标度因数重复性误差减小了84%~88%,并验证了该方法的有效性。
工艺技术
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  微型化半球陀螺制备工艺发展现状及趋势分析

  庄须叶, 王世和, 李平华, 吕东锋

  导航与控制. 2019, 18(2): 52-60. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.02.009

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  因低噪声、高性能、无磨损的优势,半球陀螺已成为航空、航天领域内的最佳导航陀螺。半球陀螺的微型化是微机电陀螺领域的研究热点,全球各研究单位设计了多种形态的谐振器结构,开发了各具特色的加工工艺,其选用的材质也各不相同,并研制出了形态各异的微半球陀螺结构。对半球陀螺微型化的历程和方式进行了综述,着重对微型化半球陀螺壳体谐振器的结构形态、工艺制备方法和选材进行了对比和分析,并对各微型化途径的特点进行了讨论和展望。
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  基于玻璃-硅复合基板的微系统圆片级三维封装

  苏兆喜, 邢朝洋, 罗斌, 汪子及, 梁栋国, 尚金堂

  导航与控制. 2019, 18(2): 61-68. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.02.010

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  随着微系统追求更小的尺寸、更高的集成度,圆片级三维封装技术已成为未来微系统封装的发展趋势。基于玻璃回流工艺,提出了一种新型圆片级三维封装技术。设计了用于实现单模光纤阵列与玻璃基板上平面光波导之间耦合封装的U型槽阵列,采用高导硅作为垂直电引出,制备了玻璃-硅复合基板,并用玻璃帽实现了封装。玻璃-硅复合基板技术在三维微系统和光电子封装领域中具有重要的应用前景。
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  石英半球谐振子精密加工技术探讨

  徐志强, 刘建梅, 王振, 陈晓磊, 陈效真

  导航与控制. 2019, 18(2): 69-76. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.02.011

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  半球谐振陀螺是一种高精度、高可靠性、长寿命的新型固体振动陀螺,应用前景广阔。作为半球谐振陀螺的核心零件,石英半球谐振子壁薄、形状复杂、对加工精度要求高、制造难度大,而这些因素是制约半球谐振陀螺研制的主要瓶颈。结合半球谐振陀螺的技术发展,分析了半球谐振陀螺的结构类型和特点,介绍了石英半球谐振子的粗磨成型、精密磨削、研磨抛光、化学腐蚀、质量调平、表面镀膜等加工方法及研究进展,提出了未来半球谐振陀螺的研究重点和建议。
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  石英半球谐振子精密成型技术

  马志奎, 赵宏宝, 赵万良, 宋学富, 陈效真

  导航与控制. 2019, 18(2): 77-83. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.02.012

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  石英半球谐振陀螺以其轻质、低功耗、长寿命、高可靠、应用精度范围宽、成本低等优势,引起了惯性技术界的瞩目。半球谐振陀螺的核心器件——石英半球谐振子的成型技术是当前的研究重点。经不断试验和摸索,以范成球面弹性展成为基础,通过均衡磨削原则、磨头最大包络原则和三阶段37道工序的精细优化工艺流程,较好地实现了高精度微应力硬脆石英谐振子异形薄壁件的成型,形成了专用的结构成型中心,为石英半球谐振陀螺的核心半球谐振子球壳成型开创了一条可行途径。
测试与可靠性
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  极端瞬态力作用下金属壳谐振陀螺结构强度分析

  刘宁, 苏中, 张小宇

  导航与控制. 2019, 18(2): 84-88. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.02.013

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  金属壳谐振陀螺是利用驻波的进动特性来敏感输入角速率的一种新型壳体振动陀螺,其具有结构简单、功耗低、抗冲击性强、稳定性高等优点,可被广泛应用于中低精度角速度测量领域。针对极端瞬态力作用下金属壳谐振陀螺的结构强度进行了研究,在分析其工作原理和基本数学模型的基础上,利用有限元仿真方法,在通用炮射环境条件下进行了分析。通过仿真计算,给出了金属壳谐振陀螺的结构强度分析结果,验证了其抗过载能力。
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  硅半球深腔结构无损检测技术

  庄须叶, 丁景兵, 曹卫达, 吴梦茹

  导航与控制. 2019, 18(2): 89-95. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.02.014

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  半球深腔的加工质量是决定硅基MEMS半球陀螺精度的关键因素之一,及时检测半球深腔的形貌参数并将其反馈至加工过程,是确保高性能MEMS半球陀螺研制成功的重要措施。由于硅半球深腔的深度较大,台阶仪和光学显微成像系统无法对半球深腔的形貌特征进行有效测量。因此,需要将硅深腔结构剖开后采用扫描电镜(SEM)进行检测。这种检测方式时间周期长,且属于破坏性的样本检测,效率和测试精度都较低。提出以硅半球深腔为模具,利用PDMS铸模将硅半球深腔的结构尺寸和表面形貌转移到PDMS凸起的半球模型上,通过检测PDMS半球模型的尺寸结构和表面形貌,即可反推出硅半球深腔的尺寸特征。经实验验证,脱模后的PDMS模型可以准确地反映出半球深腔的尺寸信息,测量结果的不确定度小于5‰,有效解决了硅半球深腔无损检测的难题。
组合导航
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  GPS/BDS组合定位精度分析

  艾力·库尔班, 唐旭, 何秀凤, 郭俊文

  导航与控制. 2019, 18(2): 96-104. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.02.015

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  随着定位技术的不断发展及多系统导航定位技术的逐步推广,多系统组合导航定位已经成为了GNSS导航定位领域中的主要发展趋势。主要阐述了GPS/BDS组合相对定位的观测方程和数学模型,并根据实测数据对比分析,从卫星可见性、精度因子、定位精度和均方根误差等方面对GPS、BDS及GPS/BDS组合定位系统的定位性能、定位精度进行了比较。研究结果表明,较单一的GPS和BDS系统定位,采用GPS/BDS组合定位可有效提高卫星可见数目和DOP值,且稳定性更好。GPS/BDS组合定位的定位精度也明显优于单一系统,这对GNSS高精度导航定位具有重要的参考价值。
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  改进的Sage-Husa自适应滤波算法在MEMS航姿参考系统中的应用

  路小燕, 杨柳庆, 郭锦, 杨硕, 王博豪

  导航与控制. 2019, 18(2): 105-112. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.02.016

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  针对经典Kalman滤波和扩展Kalman滤波融合算法存在的计算量大、精度低、实时性差的缺点,引入了改进的Sage-Husa自适应扩展Kalman滤波算法。该算法对经典扩展Kalman滤波算法进行了自适应改进,并在此基础上利用加权渐消记忆法获取了遗忘因子,并通过预测残差得出了最优解。同时,用调整有偏增益估计的措施来保证系统噪声预测方差矩阵与噪声预测方差矩阵的对称性和正定性,对滤波器发散进行了有效的抑制,减少了算法的计算量。实验结果表明,该算法有效改善了可靠性、精确性及自适应能力。