固态振动陀螺代表一种重要的惯性技术，它不仅具有所有的惯性品质，而且与传统的机电类陀螺和光电类陀螺相比，只有它能够实现小型化，同时还具有成本低、尺寸小、重量轻、可靠性高等优点。随着科学技术的发展和市场需求的推动，高精度、长寿命和微型化的固态振动陀螺将在惯性技术领域中占有越来越重要的地位。它和加速度计一起构成的惯性测量组合，可以同时输出多个方向的角速度、角加速度和角位移，是完成姿态控制，安全导航和舰船稳定等多种惯性测量的核心器件，用途相当广泛。对固态振动陀螺的研究与应用开发已经成为近年来的研究热点。但是，已研制的固态振动陀螺受其设计和制作水平的限制，其综合性能指标不高，目前灵敏度在0.01～0.03°/s之间，而且零位稳定性，特别是温漂稳定性方面较差，因此一直被研究者划归中、低精度传感器行列，只能应用于中、低精度的测量。 作为惯性仪表的核心，固态振动陀螺的综合性能是决定系统性能的主要因素，必须对固态振动陀螺从器件和系统两个方面加以研究，才能获得惯性仪表性能的全面提高。因此，在军事和民用领域对高精度、高可靠性、低成本、小体积和长命惯性仪表的需求日益增长和在国外对该类技术进行严格封锁情况下，如何从器件级到系统级全面掌握和创新具有诸多潜能的固态振动陀螺及系统应用技术，具有十分重要的学术价值和现实意义。 论文以北京某空军机载姿态测量参考系统和大庆油田有限责任公司试油试采分公司的陀螺寻北测斜仪研制项目为应用背景展开研究。制作、封装和测试了振梁式固态振动陀螺，提出了以试制陀螺为核心的航空姿态仪动态测量精度优化算法和方位测井寻北仪快速寻北算法，从理论和实验两方面对上述算法进行了研究，并成功实现了试制陀螺的高精度集成化工程应用。 论文主要研究内容如下： 1.从理论上分析了振梁式固态振动陀螺的基本驱动模态和敏感模态，推导了其动力学模型，并对振动梁的结构进行了详细的有限元分析。在此基础上优化了陀螺机械结构和传感单元尺寸方案、改进了振动粱的节点支撑结构、增加了陀螺的抗冲击、抗振动性能。 2.根据陀螺的信号处理模型，在原有陀螺接口电路基础上，设计和制作了高集成度，宽带宽，同时具有高精度数字信号输出的接口电路。采用厚膜电路将模拟和数字信号处理模块集成在20×20mm2的电路板上，减小了陀螺体积并优化了电路的增益稳定性和温度稳定性，频率响应达到45Hz。 3.在对各种测试数据进行分析基础上，反复修改和优化了设计方案和工艺，最终获得了高性能和低成本的实验样机。试制陀螺具有非常高的机械品质因素Q值，达6000，相应的谐振频率达5670.3Hz；灵敏度达到0.001°/s；具有较高的零位稳定性：短期稳定性达0.01°/s，中期为0.2°/s，长期为0.6°/s；同时传感器对加速度和振动不敏感。综合数据表明试制陀螺性能可与部分光纤陀螺相媲美，而造价只有光纤陀螺的1/5～1/3。在大量实验基础上我们还获得了制作该型陀螺所特有的工艺技术。 4.陀螺是构成组合惯性仪表的核心。经过技术改进完成的试制陀螺在精度和抗冲击性能方面已经具备了构建高精度姿态测量仪的基础，但零位输出随时间和温度的非线性变化是降低试制陀螺动态测量精度最主要的原因。论文结合应用开发实例，针对陀螺零位输出与时间和温度存在的多值对应关系，提出了一种非线性误差的三维空间建模理论，并将灰色RBF神经网络理论应用于陀螺误差的全温补偿。试验证明，运用新的误差补偿算法可使陀螺零位漂移方差均值降至0.0004°/s，偏差降低至原采样数据标准差的30.8﹪。基于该算法实现的航空姿态仪动态零位补偿技术提高了系统测量精度。研制的姿态仪静态精度达到±0.1°，动态精度达到1°(rms)，并具有低成本，小体积的优势。 5.采用试制的高灵敏度陀螺，完成了针对石油勘探测井的陀螺方位测井寻北仪研究，提出了初始粗定位和小角度非等间距逼近的寻北方案，研制了以试制陀螺为核心的方位寻北仪，并提出了小波滤波结合小角度逼近的快速寻北算法。陀螺的方位角测量精度达到±0.5°，寻北时间不超过125s。仿真分析、硬件实测和试用单位的使用结果证实了寻北方案和算法的有效性，并在成本、体积、抗冲击性能和温度特性等多项技术指标上与现有在运行系统比较具有优势，从而实现了固态振动陀螺在整体性能和应用领域上的一次突破和创新。