半球谐振陀螺是建立在哥式效应原理上的典型高精度振动陀螺。纯固态力平衡半球谐振陀螺天然具备高可靠性和长寿命等优点,已在航天领域得到应用。随着工业技术的发展,半球谐振子振动性能不断提高,兼具大动态范围和高可靠性特点的速率积分半球谐振陀螺的性能日益攀升。由于同等精度条件下,速率积分半球谐振陀螺在体积、功耗、成本及可靠性方面显著优于其它类型陀螺,受到了陆、海、空、天等领域的广泛关注。本文以平板电极式速率积分半球谐振陀螺为研究对象,着重解决半球谐振陀螺表头综合模型建模、半球谐振子振动性能测试与质量调平、速率积分模式驻波控制及其漂移补偿等问题,可为半球谐振陀螺研制提供借鉴。论文研究内容如下:1.以弹性薄壳理论及拉格朗日方程为基础,推导了含多种轴系偏角误差的非理想半球谐振子运动模型。建立了含装配倾角、倾角方位角及平均装配间距等多种参数的半球谐振子装配模型。基于拉格朗日方程及线性阻抗分压原理分别建立了半球谐振子静电激励模型及振动检测模型。以上模型综合形成二件式平板电极半球谐振陀螺表头综合模型,综合模型的准确性通过实验得到了验证。2.分析了半球谐振子振动性能影响因素,基于典型数据讨论了熔融石英半球谐振子振动特性。推导了谐振子频率裂解信号模型,基于非线性优化方法设计了谐振子品质因数、频率裂解及刚性轴角等核心振动性能参数同步辨识方案,并对参数辨识精度进行了系统性分析。设计并实现了半球谐振子振动性能测试系统,利用实物实验对测试系统及所提出测试方案进行了验证。3.推导了含环向变密度参数的非理想谐振子运动模型,揭示了环向质量分布前四阶谐波成份对谐振子频率裂解的影响机理。建立了离子束球面质量去除函数,提出了谐振子环向谐波质量去除方法及相应评价方法,并进一步形成半球谐振子质量调平技术。在对环向谐波质量去除工艺关键参数进行优化后,利用离子束刻蚀系统进行了半球谐振子实物调平实验。4.基于驻波分时激励、检测方案,解决了平板电极半球谐振陀螺振动激励及检测问题。优化了速率积分模式驻波解调方法与多回路控制方案,在降低控制回路运算量的同时提高了其动态性能。提出了基于矢量控制的驻波方位角主动驱动控制方案,解决了高精度驻波进动控制问题。建立了驱动及检测失准误差作用下谐振子驻波进动速率模型,揭示了控制环路增益差异引起驻波漂移机理,并实现了振动检测通道增益差异辨识及补偿技术。利用实物实验对所提出的控制与补偿方案进行了系统性验证。论文中所形成的表头综合模型精准描述了多误差参数作用下半球谐振陀螺响应特性,可为陀螺研制提供理论支撑与仿真验证手段;所实现的半球谐振子振动性能参数同步辨识技术消除了谐振子本征频率漂移对测试的影响,显著提高了频率裂解与刚性轴角辨识精度及效率,是高精度质量调平的必要条件;所实现的基于环向谐波质量去除的谐振子离子束质量调平技术达到了亚毫赫兹级质量调平精度,是高精度半球谐振陀螺表头研制的核心环节;所改进的驻波多回路控制方案提高了速率积分模式驻波动态性能,所提出的驻波方位角主动驱动控制方案解决了高精度驻波进动控制问题,同时,利用所实现的检测通道增益差异辨识及补偿技术可有效消除驻波进动速率测量误差,显著提升陀螺零偏稳定性。