我國的科學技術在不斷發展，在科學技術水準不斷提升的今天，導航技術越來越受到人們的重視，而慣性導航更是其中重要的組成部分。目前，慣性導航系統行業正在飛速發展。随着慣性導航系統在航天航空、機器人控制、雷達等領域的大規模應用，慣性導航系統存在很大的發展空間。
慣性導航系統是一種不依賴外部設施的導航系統，它利用加速度計和陀螺儀測得的載體相對于慣性空間的比力和角速度，求得載體的位置、速度和姿态。但是，它的主要缺點是定位誤差會随時間增長。
影響慣性導航系統精度的重要因素---陀螺儀
慣性導航系統具有高度的自主能力和抗幹擾能力，可以提供完備、連續及高資料更新率的導航資訊，在航空、航天、航海等領域都得到了廣泛應用。慣性導航系統的核心為慣性測量單元（Inertial measurement unit，IMU，主要由三軸陀螺儀和三軸加速度計組成），IMU的性能直接影響系統精度，其中，陀螺儀主要影響系統姿态角度精度，加速度計影響速度與位置精度，然而因解算時加速度需與角度分量作乘，是以姿态角度誤差也是速度和位置誤差的來源之一，即陀螺儀的性能可影響整個導航系統的所有名額。由于在長時間純慣性導航系統中，陀螺儀零位造成的位置誤差為随時間變化的線性曲線，加速度計造成的誤差為随時間變化的振蕩曲線。是以，對于長時間純慣性導航系統來說，陀螺儀的性能尤其重要。
石英微機械陀螺儀的原理
近些年來，MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）技術的革新推動了微機械陀螺儀的快速發展，微機械陀螺儀根據結構材料的不同，可以分為矽陀螺和非矽陀螺，在非矽陀螺中石英陀螺是最重要的一種。石英材料品質因子高，有良好的壓電效應，不需要複雜的結構即可實作陀螺的控制和檢測，絕緣性好，可以防止漏電流帶來的影響，溫度穩定性好，可靠性高，工作時間長。
石英音叉陀螺屬于振動陀螺，采用調諧音叉式結構，利用石英晶體的彈性性質、壓電效應和逆壓電效應檢測角速度帶來的科氏力信号，經過信号處理，轉為直流電壓，進而實作角速度的測量。
石英MEMS陀螺儀的工作原理如圖 1所示。石英MEMS慣性陀螺儀利用其關鍵敏感元件——雙端石英MEMS音叉上的驅動電極（位于驅動叉指）和檢測電極（位于檢測叉指）來實作驅動模态的激勵和檢測模态信号的敏感性。在驅動電極上施加頻率同驅動模态頻率比對的恒幅交變電壓信号激勵陀螺儀産生驅動模态下的振動。當有角速度ω輸入時，在科氏效應的作用下，産生與輸入角速度方向和振動方向垂直的科氏力，使音叉在檢測模态下振動，在壓電效應作用下，檢測電極上産生輸出信号。該信号經過濾波放大、同步解調和低通濾波放大等，輸出的電壓信号即為角速度信号。
圖 1石英MEMS陀螺儀的工作原理框圖
石英微機械陀螺儀在慣性導航系統的應用及意義
目前，利用國内生産的石英MEMS陀螺儀（如圖 2）已被用于研制慣性導航系統。慣性導航系統的部件組成如圖 3。經過與高精度光纖慣導進行跑車對比試驗，得到純慣性解算姿态誤差（30s，1σ）分别為滾轉0.13°、偏航0.28°、俯仰0.22°，位置誤差（30s，1σ）分别為X向10.56m、Y向2.45m、Z向8.19m的結果，驗證了石英微機械陀螺儀組成的慣性導航系統的可行性。
圖 2石英MEMS陀螺儀
圖 3慣性導航系統部件示意圖
基于石英微機械陀螺儀的慣性導航系統，憑借其自身體積小、價格低、功耗低、環境适應性好以及在GNSS信号盲區或者複雜環境可提供持續可靠的定位的優點，非常适應在未來的各類資訊化場景中各類載體的智能化、小型化和數字化發展的趨勢。随着未來石英MEMS材料工藝與制造技術不斷提升，高精度石英MEMS陀螺儀必将在精确制導、無人車、商業航天和微型飛行器等領域起到極為重要的作用。
本文作者：北京晨晶電子有限公司 劉洋
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