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半球谐振陀螺误差分析与测试方法设计

冯士伟  
【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。


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