極小尺寸卻能實現極高精度的半球諧振慣導

電子發燒友網報道（文/李寧遠）眾所周知，慣性導航系統中有一核心器件陀螺儀，陀螺儀的精度直接決定了慣導系統的整體精度。陀螺儀經過多年的技術更迭，現在應用較多有激光陀螺儀、光纖陀螺儀、MEMS陀螺儀和半球諧振陀螺儀。

半球諧振陀螺儀，是目前關注度較多的陀螺儀發展技術路線，因其極為優異的SWaP特性以及超高的可靠性在很多陀螺儀應用有特殊的優勢。

基于哥式振動效應的半球諧振陀螺儀

基于牛頓經典力學以動力調諧陀螺儀為代表的是第一代陀螺儀，隨后第二代陀螺儀基于薩格納克效應，典型代表是激光陀螺和光纖陀螺，其特點是反應時間短、動態范圍大、可靠性高，當然成本也不低。

到第三代陀螺儀，有兩個不同技術路線的代表性產品，除了我們熟知的MEMS技術路線，另一個就是基于哥式振動效應的半球諧振陀螺儀。半球諧振陀螺儀，簡稱HRG，是哥式振動陀螺儀中的高精度代表。

半球諧振陀螺儀HRG由激勵與檢測電極和半球諧振子組成。半球諧振子的制備影響到整個陀螺儀的精度，它是一種對制備工藝、材料要求極高的部件，諧振子的加工精度和材質的均勻性都會對其核心參數Q值有巨大影響。如何保證半球諧振子的高Q值，是制備半球諧振陀螺儀HRG的核心命題。

對材料、工藝和理論要求都如何嚴苛的陀螺儀又有著哪些獨特的優勢呢？首先半球諧振陀螺儀HRG在精度上沒有任何可以置疑的地方，它的隨機漂移可以達到10-4°/hr量級，一些半球諧振陀螺儀精度甚至已經超過了光學陀螺儀。

而且它的高精度并不依賴更大的體積，不會導致模塊重量增加空間受限，這就是它SWaP特性中的Size和Weight。

而且，半球諧振陀螺儀HRG的功耗低壽命長。這要得益于半球諧振陀螺儀HRG本身結構的內部密閉性就很好，而且又沒有摩擦部件，是公認的壽命最長的陀螺儀。這也讓它在精密應用上大有用武之地。

半球諧振陀螺儀HRG能在很小的體積下實現很高的精度，加之其結構能抗沖擊抗輻射，在很多軍工，精密機械領域優勢明顯。當然，半球諧振陀螺儀也存在著動態范圍偏小、應用范圍普適性不足等問題。

半球諧振陀螺儀的應用受限困境正在好轉

長期以來半球諧振陀螺儀的應用場景都十分有限，加之高品質半球諧振子制造難度大，成本高，導致該項技術并未得到大范圍應用。僅從國內的數據來看，據QYR的調研，2022年國內半球諧振陀螺儀市場規模在1.97億元，預計2029年可以達到2.76億元，并不是一個很大的市場。

為了解放半球諧振陀螺儀受限的應用場景，關注這一領域的各國研究團隊正在想辦法降低半球諧振陀螺儀的批量生產難度和高昂成本，并解決動態范圍小的問題，讓其應用范圍不再狹窄。

有一個路線就是將MEMS技術應用到半球諧振陀螺儀制備中，美國正在推進這一領域的研究，在制備工藝上應用MEMS技術，有望大大降低半球諧振陀螺儀的制作成本，體積也能夠進一步減小。

國內不少科研院所也在積極開展新型半球諧振陀螺儀的研究工作，持續攻克半球諧振子工藝、控制環路、信號提取及補償等關鍵技術，推動半球諧振陀螺儀繼續向高精度、大動態、低成本、小型化方向發展。

小結

更低的成本、更高的精度、更小的體積是陀螺儀以及基于陀螺儀的慣性導航系統未來的發展趨勢，雖然半球諧振陀螺儀想要推廣到民用上來短時間內是不可能的，但其獨特的特性具有非常大的潛力，在未來進一步的發展中有望革新慣導系統。