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百年来科学技术的爆炸式飞跃，海陆空天事业的迅猛发展对惯性技术提出了越来越高的要求，成为惯性技术进步的巨大推动力；而惯性技术的进步，又推动了海陆空天事业的发展，成为其不可或缺的关键技术之一。
海鹰资讯<惯性世界>栏目，旨在为大家分享关于惯性的科普知识，讲述惯性技术领域最新的研究进展及其在海、陆、空、天等领域的应用。欢迎大家多多关注！
赛峰电子与防务公司（前称为萨基姆公司）是20世纪60年代欧洲第一家为航天运载器提供完整INS的公司。1965年11月，成功引导了Diamant发射器首飞，并在低地球轨道发射一颗45 kg卫星，使法国成为继苏联和美国之后世界第三大航天强国。
图1 Diamant 航天运载器
之后，赛峰集团为更多数量的航天器装备了复杂度和精度日益提高的INS，包括法国具有震慑意义的战略弹道导弹。
近来，赛峰集团的产品进入了未来欧洲航天运载器的广阔前景分析之列，超越了当前的Ariane一代，并提出了一种内置故障操作的冗余型分布式方案，此方案[1]具有超过常规三元组设计的多个传感器，使核心部分的INS冗余设计，能够在单个单元中同时满足航天运载器所要求的高精度和高可靠性。然而，这种先进的一体化封装设计超越了Ariane 6的要求极限，需要发射器电子设备的主要结构进行改变才能充分发挥该方案的所有优势。
因此，赛峰集团不得不重新思考产品战略来设计下一代航天运载器用INS SpaceNaute系列，并被选中为Ariane 6服务。此外，必须考虑额外的任务要求，包括如超同步转移轨道（GTO+）的高椭圆转移轨道苛刻的环境条件（恶劣的温度变化和辐射水平）。这些轨道需要较长的任务时间（通常长达10 h或更多，取决于发射纬度范围）和更高的高度，所有条件都要求惯性测量单元（IMU）和相关电子设备具有更强的抗辐射性能。
惯性技术权衡分析
作为欧洲惯性技术的领军者，赛峰集团主导了大部分惯性技术产品，每种产品都有其优缺点，对于不同的应用场合，必须进行权衡分析从而选择最佳的技术产品。
航天运载器惯导系统要求导航级传感器，而最先进的导航级陀螺技术是非常少的：
机械陀螺技术，例如动力调谐陀螺（DTG）仍在使用但是现在已经过时了。
具有光明前景的微机电（MEMS）陀螺仍然不能达到所要求的精度。
RLG是至今为止最为广泛的技术，被大量应用于商用和军用飞行器，也是现行航天运载器最主流的技术产品。
FOG正主要发展其在新型商业和工业中的应用，但是有记录显示在卫星和发射器中也有所应用。
HRG是一种高科技新兴技术，仅被少数公司掌握，应用于深空任务或者长寿命卫星等高端场合。
为满足未来航天运载器（包括Ariane 6）的要求，更为先进的陀螺技术不断出现，这些技术将会在RLG，FOG和HRG产品中选择。为比较三种技术的关键参数进行了详细的权衡分析。
首先分析了关键的惯性性能指标参数：零偏稳定性、标度因数误差和角度随机游走。
RLG的唯一限制是它的角随机游走，归根于其机械抖动偏频方式，该方式本用于消除两束反向激光束之间存在的锁区。角度随机游走持续影响着原基准相位，对于航天运载器而言这并没有太大影响，因为几个角分的误差是在可接受范围内的。
FOG的一个主要缺点是其相对较差的标度因数特性，比RLG精度低十倍。此外，由于其传感元件（即光纤环）的复杂结构，长期稳定性和传感轴失准稳定性无法达到许可范围，故它们不能与RLG相提并论。
HRG惯性性能与谐振子内弯曲波的驱动方式直接相关，所以其性能是可以提升的，现有大部分产品主要由电子特性驱动。HRG能够挑战RLG的性能，而且角度随机游走已经达到了某种FOG产品的水平。
综上所述，这三项技术中的任何一种都不能直接由于其惯性性能的缺点而被淘汰。尽管如此，RLG和HRG将更容易实现面向性能的设计。
图2通过主要性能参数（3是更高级别）总结了相应技术等级。
图2 陀螺技术的主要惯性性能指标
下一步评估惯导系统方案的竞争力需要更深入地分析陀螺仪在航天运载器所处恶劣环境中的性能特征，因为抗恶劣环境适应性也是一个关键要求。即使某种方法有时候可以保护传感器免受环境侵害（例如使用超大弹性体悬架来应对剧烈的振动），但这种方法通常会引起更严重的系统问题，而且还需要额外的成本。
FOG可以在强环境压力下生存，但在环境侵害（通常是振动、剧烈冲击和温度变化）中精度会显著降低。这与引发光纤干涉仪内部非互易性光纤环的非均匀性有直接关系，比如零偏。空间抗辐射性可以通过在保偏光纤中加入适当的掺杂剂实现。
图3根据它们的环境抗扰度总结了技术评级（3是更高级别）。可以看出，RLG和HRG是确保INS环境免疫力的最佳选择。
图3 陀螺技术环境免疫力
最后，航天运载器惯导系统方案的竞争力也考虑质量和体积标准，因为空间应用通常会强制节省质量。
基于Sagnac效应的FOG和RLG需要更大尺寸的干涉仪才能保证导航级性能，这导致了FOG的线圈特别冗长（但光纤并不是很重）、RLG的微晶玻璃特别厚重。
另一方面，HRG极为紧凑，质量很轻，通常仅为光学陀螺的十分之一。
图4通过SWaP特性概要的说明了各产品的技术等级（3是最高值），通过SWaP特性可以看出HRG是最佳选择。
图4 陀螺技术SWaP特性
这种综合分析包含了以解析法进行的实际性能分析，而这仍表明HRG是运载火箭的最佳技术选择。虽然数以百计的HRG基系统已集成在卫星姿态和轨道控制系统（AOCS）上，并且已经从地球表面飞行进入各种轨道上，也完成过诸多深空任务，但它的唯一缺点是此技术从来没有在航天运载器制导中使用过。
HRG工作原理
哥氏振动陀螺（CVG）基于以下原理：谐振子在同一平面内持续共振，即使支撑平台旋转。
HRG是遵循几个主要工作原理的CVG：
谐振子是完全轴对称的，以便在平衡、固有频率和阻尼各向同性方面表现出优良的特性。实际上，谐振子为保持完全平衡必须进行精准调谐。
谐振子通过振动节点与它的支撑面连接，以确保谐振子与外界之间最优解耦。
由于电极位于谐振子附近，故弯曲波受控于静电力。
为所需能量最小，弯曲波以全角模式控制，这种模式使得电子器件、探测器和执行器引起的误差达到最小。此外，这种模式使其有非常好的标度因数（基于布莱恩系数），并提高了测量范围。
HRG谐振子的性能优化：
它的拓扑结构是半球外壳，使每一克谐振材料对弯曲能量的存储能有最佳作用，半球顶部的杆用于固定整个外壳。
它由非晶态熔融石英制成，具有最佳的各向同性（无结晶方向）和最小的能量消耗（无内耗）。
谐振电极的金属涂层必须尽可能薄，以减少金属内部的能量消耗。
优化结果中HRG表现出优异的性能，但最有趣的是性能优劣与谐振子尺寸大小无关，与谐振子的品质因数Q（或者它的时间常数）和电力驱动的弯曲波质量有关。
图5 经典半球电极/赛峰集团的扁平电极
经典HRG的主要缺点是制造成本与高精度制造工艺和电极装配技术密切相关，而为了在两部件之间产生各向同性的半球隙装配工艺必须使谐振子与电极支撑完全匹配。赛峰集团用创新性设计解决了这个缺点，将电极放置在平面内，同时在谐振子的赤道平面上产生静电力，半球外壳和电极板的装配就成为了一个二维平面上的问题。
凭借其分布性设计，赛峰集团的HRG可以以更经济的方式制造，而且性能可以供应大众市场。
图6 赛峰集团的HRG
赛峰集团的HRG产品特性
赛峰集团HRG产品性能是可调的，从20 mm谐振子到质量低于50 g的产品，不同的性能可以通过定制所驱动的弯曲波来实现。电子器件是HRG性能水平的主要贡献者。图6所示为典型导航级HRG配置。
图7所示为HRG的零偏在包括老化效应在内的全温度范围的优良表现。
图7 赛峰集团HRG产品的零偏稳定性
全角模式在标度因数误差方面有优越的特性，因为它们与布莱恩系数的稳定性有直接联系，如图8所示。
图8 Safran集团HRG产品的标度因数稳定性
角度随机游走和零偏稳定性可以从图9所示的Allan方差看出。
图9 赛峰集团HRG的Allan方差图
需要注意的是，测试时间太短而不能表现零偏稳定性（最小值没有超过测试时间步长）。
赛峰集团的HRG主要惯性性能参数主要为：
长时间零偏稳定性: 0.005 (°)/h (RMS);
标度因数误差：1 ppm (RMS);
角度随机游走：0.0002 (°)/h1/2 (RMS)。
赛峰集团的HRG受益于其优良特性已经在诸多产品中得到广泛应用。由法国科学家Gaspard-Gustave de Coriolis命名，一个专业从事HRG生产的工厂于2012年成立。
图10 赛峰集团的Corioliis工厂
这家工厂自2014年起全面投产，且制造速率不断提高，仅2017年生产超过一千套HRG基系统。
SpaceNaute系列产品的特性
经过欧洲航天局（ESA）监督的公开竞争后，SpaceNaute系列产品已经被Ariane集团选中用于Ariane 6计划，该计划目前正在研发中，其首次飞行定于2020年7月。
SpaceNaute旨在使各种任务中的航天运载器完全自主和精确导航、制导和控制（GNC），包括在要求最高的超同步转移轨道（GTO+）中卫星发射任务。SpaceNaute使得具备多引擎再点火技术的高复杂、长航时的任务成为可能，例如深空探测。
SpaceNaute精度要求由航天运载器在轨道参数、姿态、速度和位置决定，图11~12描述了GTO+任务概况。
图11 GTO+ 轨迹
图12 GTO+轨道中的比力
可以看出飞行阶段十分长，因此，在助推阶段环境压力引起的潜在导航零偏将会极大影响全程导航精度或卫星的入轨精度。
由于没有可用的外部辅助设施，SpaceNaute系列产品的精度只能取决于惯性传感器，同时还要考虑任务期间环境压力的影响。
在早期开发阶段，为确保在恶劣环境中系统性能的稳定性，已经在SpaceNaute惯性传感器组件（ISA）进行了特殊的测试。ISA由三个HRG和三个高等级赛峰产摆式加速度计A600组成。这6个传感器安装在刚性结构上，通过精密设计的弹性悬浮元件使传感器与高频噪声扰动机械隔离，此方式可将5000 g剧烈冲击降至150 g。这种设计可使SpaceNaute在导航性能不明显退化情况下承受以下力学环境：
5000 g的剧烈冲击；
27 g RMS的随机振动。
SpaceNaute是专门为GTO+任务设计的，在该任务中会受到暴露的太空辐射（质子和重离子流）。该系列产品继承了由熔融石英制成的HRG谐振子的自然空间抗辐射性，这种属性已经被广泛应用于卫星导航姿态和轨道控制系统（AOCS）专用的赛峰产RYYS20型号陀螺仪上。
在GTO+任务的飞行阶段，由于HRG的优良标度因数性能，可以在不降低总体导航精度的情况下实现飞行器绕轴线的永久性旋转运动。
还应注意，SpaceNaute产品设计可以实现陀螺仪在发射台上进行自对准，免去了由外部设备传入方位角的要求。罗经对准（或寻北）主要是通过敏感地球自转角速度在水平面上的投影来确定，由于外界风速导致发射器在发射平台上形成圆锥运动而使得寻北十分困难，这些干扰运动可以在0.4 Hz水平达到30 cm的幅值。尽管如此，该产品仍然能够在几十分钟内完成精确对准。
综上所述，SpaceNaute受益于赛峰产HRG的性能，可以提供一套高精度、低成本和SWaP最优的解决方案，并且其质量仅为相近竞争产品的一半。
图13 SpaceNaute主要参数
图14 SpaceNaute的CAD视图
结束语
如本文所述，赛峰集团的HRG具有优异的精度、可靠性和SWaP特性，是航天运载器的理想技术产品。同时在不影响导航精度的前提下，SpaceNaute在航天运载器重量优化方面取得重大突破。
更为先进的解决方案也成为可能。但Ariane 6并不是促使该解决方案成熟的时机，因为发射器电子设备需要专用架构来充分利用由这种创新架构提供的故障检测和隔离（FDI）能力。
期待这种解决方案可以在下一代Ariane计划中实现，并且具备良好FDI能力的单惯导系统可以替换双惯导系统，还能有效提高任务成功概率。
同时，赛峰集团正在研究一项更具吸引力的、用于可重复利用飞行器使用的经济性GNC解决方案，该方案将INS和基于视觉概念以及GNSS的两种或三种方式组合。因此，凭借5年的传承，赛峰集团准备成功引领最先进和可重复利用的消费级运载火箭。
本文选自《国外惯性技术信息》2018年第4期
《国外惯性技术信息》（双月刊）由北京海鹰科技情报研究所承办，旨在及时反映国外惯性技术的最新研究成果及应用情况。刊物主要刊登国外惯性仪表、惯性系统、惯性导航、惯性制导、惯性测试等方面的相关技术及应用信息，为我国惯性技术的发展提供信息支撑，促进我国惯性技术的创新与发展。
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编辑：桐桐，圆圆