船用激光陀螺慣導單軸旋轉系統

可 偉，喬海巖，孟凡強

(中國船舶重工集團公司第三六八廠，河北邯鄲056028)

0 引言

激光陀螺屬于光學陀螺，其最大特點是設計簡單，沒有任何活動部件，啟動時間短，動態范圍廣，尺度因數線性度好，不存在機電干擾等誤差項，并且光學陀螺較其他機械陀螺的一大特點是適用于單軸旋轉調制系統。

船用激光陀螺慣性導航系統［1］最大特點是在長航時應用，其長期導航精度很關鍵，而且作為艦船的核心主慣導設備，其承載著為艦船各武備系統提供基準的職責，故對其長航時位置精度以及姿態誤差穩定性等指標要求很高。基于激光陀螺特點，針對船用慣導應用需求，要求所用激光陀螺指標極高，而精度極高的激光陀螺［2］其成本很難得到控制，并且到工程應用中，其量產存在很大問題。針對以上問題，我們提出了應用較高精度的光學激光陀螺，采用單軸旋轉調制技術手段，在不增加系統成本的基礎上，來提高系統導航精度。

單軸旋轉調制技術是通過對IMU以一定方式旋轉來達到常值漂移補償的，在保證水平慣性器件輸出精度沒有改變的情況下，提高了系統長航時導航精度，尤其是系統位置精度。

1 單軸旋轉調制機理

系統中，單軸旋轉捷聯慣導導航解算原理如圖1所示。

圖1 單軸旋轉激光捷聯慣導系統工作原理Fig.1 Principles of single-axial rotation RLG SINS

系統方案設計中，IMU由3個二頻機抖激光陀螺及3個石英撓性加表構成。旋轉調制機構為速率旋轉及位置鎖定功能轉臺，該轉臺與IMU固聯，并且使得IMU在安裝過程中保證其垂向陀螺敏感軸與轉臺轉軸平行，這樣，固聯的IMU相對于導航坐標系進行旋轉。方案設計中，假設p系為轉動坐標系，n系為導航坐標系［3］，i系為慣性坐標系，b系為船體坐標系。由單軸旋轉慣導系統的工作原理，結合典型捷聯式慣導系統誤差方程，系統誤差傳播方程可描述為

可以看出，方程(1)與傳統典型捷聯慣導系統誤差傳播方程的差異是陀螺及加表輸出誤差量在傳播過程中發生了變換，并且構成的變換陣與時間有關。

方案中，假定在初始時轉動坐標系p系與船體坐標系b系重合，且IMU繞天向軸旋轉，則在任意t時刻，系統旋轉角位置為θ(t)，那么根據上述假設，可得出從船體坐標系b系到旋轉坐標系p系的變換矩陣為

式(3)中，陀螺和加表的實測值在p系上的投影為:

將式(2)～式(4)代入式(5)中，得

由式(6)可得出結論，IMU中水平慣性器件輸出誤差在轉位機構正反轉停過程中被調制，且輸出誤差曲線按周期性規律變化，天向陀螺輸出誤差沒有被調制。

捷聯慣導系統誤差傳播方程中，等效北向和等效天向陀螺漂移會造成解算經度誤差隨時間而發散，因此將陀螺漂移對系統經度誤差的影響單獨列出進行考察。忽略交叉耦合項，靜態下單通道誤差模型為:

其中，εN和▽E為等效北向陀螺漂移和等效東向加速度計偏置。假設陀螺的常值漂移為εx，εy，εz加表零位偏置為▽x，▽y，▽z，則t時刻轉換到導航坐標系上的陀螺和加表零偏可用下式表示:

若僅考慮等效北向陀螺常值漂移，不考慮其余慣性元件輸出誤差、初值誤差及重力加速度誤差，略去航向角誤差。單向通道的誤差方程為:

繞航向軸旋轉后，誤差方程變為:

對式(9)和式(10)作Laplace變換，陀螺常漂視為階躍信號

圖2 北向陀螺漂移與經度誤差關系框圖Fig.2 The relation of north gyro’s bias and longitude error

由圖2求得旋轉系統誤差解析式:

2 旋轉方案設計

根據轉動對稱性要求，單軸旋轉方案采用IMU單位置正反轉停一周期方法實現慣性器件偏差的調制。

控制器控制執行機構使IMU在零位正反轉停循環運動，并在固定位置上停留相同的時間，轉動過程描述如下:

過程1:IMU在零位停留60 s;

過程2:IMU逆時針以6°/s的角速率旋轉1周;

過程3:IMU在零位停留60 s;

過程4:IMU順時針以6°/s的角速率旋轉1周。

圖3 IMU單位置正反轉停示意圖Fig.3 IMU signal-position clockwise and anti-clockwise rotation scheme

基于此種單位置正反轉停［4］的旋轉方式中，通過導航計算中積分作用，使得水平慣性器件常值漂移得以有效抵消，而天向陀螺常值漂移在旋轉過程中并沒有被調制掉。為獲得高精度的激光慣導系統，有關重件陀螺的選型方面，采取了水平軸向慣性器件配置精度略差于天向慣性器件，這樣，即可以節約系統整體成本，又可以充分發揮旋轉調制技術作用，使得最終的系統滿足現代軍方要求，即打造低成本、中高精度及高可靠激光陀螺慣導系統。

3 計算機仿真驗證

驗證條件［5］:靜基座下，陀螺常值漂移0.003°/h，陀螺隨機誤差0.0005°/h，陀螺標度因數穩定性0.466 ppm;加速度計常值偏置20 μg，加速度計標度因數穩定性20 ppm，陀螺組合件和加速度計組合件的安裝誤差均為［0，-2″，2″;2″，0，-2″;-2″，2″，0］。采用單位置轉停方案，旋轉速度6°/s，停止時間Th=60 s。采樣周期1 s，仿真時間24 h。

企業要盡可能地提高會計信息的真實性和完整性，進而提高企業決策的準確性，就要加強企業財務管理，不斷完善企業內控體系。一般來說，會計信息的真實性需要由內部控制制度提供保障，財務管理又對內部控制具有較大影響，所以，強化財務管理可以完善內部控制制度，使財務數據更加準確可靠，能在生產經營決策中發揮更好的作用，能更有效地規避企業經營風險。同時，企業內控體系并不是一成不變的，它會隨著企業的發展不斷變化，財務管理可以通過財務數據發現內控體系中的不足，從而依據這些信息對內控體系進行修改與完善，使內部控制制度能與企業的發展相適應。

仿真結果位置誤差、東向速度誤差、北向速度誤差、水平誤差和航向誤差分別如圖4～圖9所示。在24 h工作時間內，位置誤差小于1.1n mile，水平姿態誤差小于0.01'，航向誤差小于0.3'，速度誤差小于0.06 m/s，可以滿足船用慣導系統精度要求。

圖9 24 h北速誤差曲線Fig.9 The error curve of north velocity in 24 hours

4 系統設計

船用激光陀螺單軸旋轉慣性導航系統主要由慣性裝置、顯控裝置及電源裝置等組成。其中慣性裝置由IMU、單軸轉位機構及緩沖基座組成;顯控裝置由顯控機柜、顯控計算機、加固型導航計算機、DC/DC模塊、控制器、接口線路、減震器組件及對外轉接組件等組成。電源裝置由電源機柜、交直流變換線路、逆變器、蓄電池、充放電線路及隔離變壓器等組成。其組成如圖10所示。

圖10 激光陀螺單軸旋轉慣性導航系統組成Fig.10 Schematic representation of the single-axial rotating inertial navigation system

激光陀螺和加速度計構成的慣性測量組件與載體相對固聯 (可繞方位軸旋轉)，通過導航計算機采集慣性儀表輸出的艦艇線加速度和角速度信息，經導航解算，輸出艦艇位置、速度、航向、縱橫搖和角速度信息。

慣性測量組件繞艦艇航向軸周期性旋轉，使得水平軸慣性儀表常值誤差對位置影響得以周期性抵消。

4.1 慣性測量單元

IMU是整個慣導裝置的核心組件，其性能直接決定整個系統的成敗。在結構布局上，3個機抖激光陀螺各自安裝于磁屏蔽的陀螺盒內，然后3個陀螺通過螺釘正交安裝固定于IMU上。3個石英加速度計是安裝于1個加速度計基座上后，再將加速度計基座固定于IMU本體上，且盡量將加速度計放置于IMU的中心上。IMU集成了慣性元件信號處理線路，在IMU中完成信號預處理后再通過數字接口傳輸到顯控裝置電子線路組件中進行解算。

慣性測量組件與轉位機構通過安裝定位面保證重復安裝精度，慣性測量組件可在海上更換而不須重新標校。

4.2 單軸轉位機構

單軸轉位機構上架設專用光學標校工具，測量設備基線面與艦艇基面的偏差，偏差量在艦船姿態計算中進行校正，無須進行機械調整。

旋轉控制方案設計中，旋轉調制采用交流伺服電機控制系統來實現。控制方案是一個典型的雙閉環控制系統，控制系統采用全數字化。控制方案中，光電碼盤等作為位置、速度反饋元件進行外環閉環。內環采用傳統經典電流閉環控制回路，控制系統原理框圖如圖11所示。

圖11 旋轉捷聯慣導控制系統原理框圖Fig.11 The elements representation of control system in rotation SINS

方案設計中采用交流電機、光電編碼器(含細分盒)及交流電機驅動控制器為核心構建轉位機構。其中，交流電機的轉子與旋轉機構框架進行同軸剛性固連，二者同步轉停。這樣一來，電機與轉位機構的實際轉角以及轉速完全相同，便于后續的信息校對。轉位機構內框設定有定位孔、基準靠面，以保證IMU的安裝精度。

5 結語

系統設計中，根據船用慣導總體設計方案要求，較詳細地介紹了船用激光陀螺單軸旋轉慣導系統［6］總體組成及各分系統構成原理，針對總體性能指標要求，設計了各分系統控制策略，并結合激光陀螺及石英撓性加表特性，利用初始條件進行了系統仿真驗證，仿真結果表明，采用單位置正反轉停的旋轉方案，其長航時導航輸出精度明顯優于同條件下傳統非旋轉情況下激光慣導輸出指標，證實了該方案的可行性，為日后原理樣機的研制提供了良好的研制基礎。

［1］LEVINSON E，GIOVANNI C S.Laser gyro potential for long endurance marine navigation［C］.IEEE Position Location and Navigation Symposium.1980:115-129.

［2］HIBBARD R，WYLIE B，LEVISON E.Sperry marine MK-49，the world best ring laser gyro ships inertial navigation system［C］.JSDE Proceedings，Orlando，FL，November，1996.

［3］許國幀.慣性技術手冊［M］.北京:宇航出版社，1995.

［4］袁保倫，饒谷音.光學陀螺旋轉慣導系統原理探討［J］.國防科技大學學報，2006，(6):76-80.YUAN Bao-lun，RAO Gu-yin.On the theory of optical gyro rotating inertial navigation system［J］.Journal of National University of Defense Technology，2006，(6):76-80.

［5］齊歡，王小平.系統建模與仿真［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［6］張樹俠，孫靜.捷聯式慣性導航系統［M］.北京:國防工業出版社，1992.