半球谐振陀螺误差分析与测试方法设计

论文摘要

半球谐振陀螺（Hemispherical Resonator Gyro）,是一种极具发展前景的新型高精度陀螺,是航空和航天飞行器捷联惯导系统中最有前景的敏感器件,是未来高精度、长寿命陀螺的发展方向。其结构特点和较高的技术指标决定了其可在兵器、航空、航天等多种领域得到广泛应用,特别是在环境卫星、通信卫星、空间站、月球探测、太空天文望远镜和深空探测等空间应用中,它无疑是最佳的选择,具有广阔的应用前景。首先,本文分析了半球谐振陀螺的结构与优势,介绍了其在空间任务中的应用实例,总结了国内外的研究现状和不足,确立了本文的研究方向。然后讨论了半球谐振陀螺仪的基本理论,在基希霍夫-李雅夫假设下利用布勃诺夫-加廖尔金法推导了半球谐振子的环形模型运动方程,介绍了谐振子品质因数的概念,推导了谐振子环形模型位置激励和信息采集系统工作原理,分析了半球谐振陀螺的误差源,为进一步的工作打下基础。其次,本文介绍了半导体器件的噪声源特性和Allan方差概念,在此基础上针对半球谐振陀螺仪的随机噪声特性分别设计了不同陀螺同频率采样、同一陀螺变频率采样和24位置拟合等实验,根据Allan方差和数字信号处理的相关理论识,分析了国产半球谐振陀螺的各项指标与性能,总结了其存在的不足,并利用Allan方差法将国产新老型号半球谐振陀螺进行了对比,得出了国产半球谐振陀螺精度虽有较大提高但爆裂噪声仍不可忽视的结论。然后,结合谐振子二阶振型推导了半球谐振陀螺的激励与信号检测系统工作原理和谐振子质量不平衡对振动的敏感性,通过MATLAB仿真分析了激励电极和拾振电极环向分布角位置误差、拾振电极和激励电极角位置对准误差、组合检测角位置误差和谐振子质量不平衡对振动的敏感性等因素对陀螺的输出产生的影响。最后,本文研究了半球谐振陀螺误差辨识的测试方法与手段,从理论上推导了激励与信号检测系统角位置误差、谐振子质量前三次谐波偏差和重力相关性漂移的测定原理。根据实验室现有的条件,重点进行了比力相关性漂移的测定实验,实验结果表明目前国产半球谐振陀螺受比力的影响仍然不可忽视。同时,对在极轴翻滚实验中发现的陀螺输出受绕谐振子径向角速度影响的现象进行了标定实验,得出了国产半球谐振陀螺的质量平衡工艺和谐振子焊接工艺还有待提高的结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 半球谐振陀螺简介
• 1.2.1 半球谐振陀螺与其它陀螺的比较
• 1.2.2 HRG的典型应用
• 1.3 国内外半球谐振陀螺技术的发展状况
• 1.3.1 美国半球谐振陀螺技术的发展
• 1.3.2 俄罗斯半球谐振陀螺技术的发展
• 1.3.3 其他国家与地区研究情况
• 1.3.4 国内半球谐振陀螺的研究状况
• 1.4 本文主要研究内容及章节安排
• 第2章 半球谐振陀螺理论基础
• 2.1 布勃诺夫—加廖尔金法
• 2.1.1 泛函分析初步知识
• 2.1.2 布勃诺夫-加廖尔金法的物理含义及应用
• 2.2 半球谐振子的运动方程
• 2.2.1 半球壳几何方程的基希霍夫-李雅夫假设
• 2.2.2 半球谐振子二阶振型的描述
• 2.2.3 固态波陀螺谐振子的环形模型
• 2.3 半球谐振子的品质因数
• 2.4 半球谐振陀螺的激励系统与信号采集系统
• 2.4.1 谐振子的位置激励
• 2.4.2 半球谐振陀螺的信息采集系统
• 2.5 半球谐振陀螺误差源统计
• 2.6 本章小结
• 第3章 半球谐振陀螺仪随机误差分析
• 3.1 信号检测基础知识
• 3.2 系统的噪声源分析
• 3.2.1 电阻的热噪声
• 3.2.2 PN结散弹噪声
• 3.2.3 1/f噪声
• 3.2.4 爆裂噪声
• 3.2.5 环境干扰噪声
• 3.3 Allan方差的基本知识
• 3.3.1 Allan方差的定义
• 3.3.2 Allan方差的辨识精度
• 3.3.3 Allan方差的频域意义
• 3.4 半球谐振陀螺仪主要随机误差源的Allan方差分析
• 3.4.1 量化噪声
• 3.4.2 角度随机游走
• 3.4.3 零偏不稳定性
• 3.4.4 速率随机游走
• 3.4.5 速率斜坡
• 3.4.6 指数相关噪声（马尔科夫噪声）
• 3.4.7 正弦噪声
• 3.4.8 各个过程的联合作用
• 3.5 Allan方差测试方法设计
• 3.6 半球谐振陀螺仪的功率谱分析
• 3.7 不同陀螺同频率采样Allan标准差与Allan方差辨识
• 3.8 同一陀螺变频率采样Allan标准差与Allan方差辨识
• 3.9 16#陀螺10Hz频率采样下的陀螺24 位置曲线拟合实验
• 3.10 半球陀螺研制进展
• 3.11 本章小结
• 第4章 半球谐振陀螺仪工艺误差分析
• 4.1 激励与闭环检测基本原理
• 4.2 激励与闭环检测误差分析
• 4.2.1 激励电极环向分布角位置误差
• 4.2.2 激励电极和拾振电极不对准产生的误差
• 4.2.3 幅度稳定电极角位置不对准产生的偏差
• 4.2.4 组合检测模式拾振电极不对准误差分析
• 4.3 半球谐振陀螺仪振动漂移误差分析
• 4.3.1 纵向振动引起的输出误差
• 4.3.2 横向振动引起的输出误差
• 4.4 本章小结
• 第5章 半球谐振陀螺仪几个误差的测试技术研究
• 5.1 半球谐振陀螺的标定实验
• 5.1.1 半球谐振陀螺一次模型标定实验设计
• 5.1.2 输出电压与角速率的平方的关系
• 5.2 拾振电极和激励电极角位置误差的测试技术研究
• 5.3 质量偏差谐波系数的振动实验辨识方法
• 5.3.1 一次、三次谐波系数的辨识原理
• 5.3.2 二次谐波的辨识原理
• 5.4 半球谐振陀螺与比力有关漂移的测定
• 5.4.1 实验操作步骤
• 5.4.2 实验数据处理
• 5.5 半球谐振陀螺其他轴角速度对陀螺输出的影响
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文
• 致谢