穩定環境下的高精度光纖捷聯慣導精度探索研究

陶 冶,李海軍,徐海剛

(1. 海軍研究院，北京 100161;2. 北京自動化控制設備研究所，北京 100074)

0 引言

在國外，潛用慣導和水面型慣導一直是分2個系列單獨發展。潛用慣導對陀螺的性能要求最高，一般要結合電磁計程儀、配合電子海圖信息，在重力異常和強洋流區域系統工作于三階阻尼模式，其他區域工作于Kalman阻尼模式，目的是抑制舒拉周期振蕩誤差對慣導性能的影響，提高長周期導航精度[1-2]。目前國外實際應用的最高精度水下型慣導是靜電陀螺慣導，靜電陀螺精度優于十萬分之一，且噪聲極小、角度隨機游走可忽略，但陀螺熱穩定時間長、對準3d左右才能發揮出理想的高精度。如何替代結構復雜、維護成本昂貴的靜電慣導，更好地滿足武器等用戶的需求是近年來慣性導航領域面臨的突出和現實問題。美國立頓公司利用霍尼韋爾成熟的高精度激光陀螺、采用雙軸旋轉調制方案，實現了慣導14d的重調周期，推算激光慣導自主定位精度優于2nmile/14d。但采用旋轉調制方案在機理上存在鋸齒形速度誤差，難以滿足高精尖用戶速度和姿態匹配傳遞對準的需要。法國IXBLUE公司光纖陀螺及慣導系統處于國際領先地位，近期一項試驗表明，純捷聯光纖慣導在溫箱環境下實現了優于0.4nmile/38d的定位精度，對應的光纖陀螺的精度達到4.7×10-6(°)/h，充分顯示了光纖陀螺捷聯慣導系統的精度潛力。這主要是通過穩定的溫度環境克服光纖陀螺全溫環境劣勢，充分發揮了光纖陀螺長期穩定性好的特點[3]。在此基礎上，本文跟蹤開展了高精度光纖陀螺慣導系統研究，通過分析光纖陀螺的數據可以發現，其在穩定環境條件下的精度水平要明顯優于溫度變化等非穩定環境。因此，本文研制了一套高精度光纖陀螺捷聯慣導系統，并在溫箱中進行恒溫條件下的精度測試，旨在探索溫度穩定條件下高精度光纖陀螺捷聯慣導系統的精度潛力。

1 光纖陀螺慣導系統設計方案

光纖陀螺慣導系統在實際使用過程中的磁場及溫度環境對系統精度的影響較大。為了給光纖陀螺提供一個較為穩定的使用環境，在系統設計時需要重點考慮系統的磁場環境及溫度環境，為此采取多項技術措施確保系統精度可以達到實際要求，包括：基于多層磁屏蔽的磁場誤差抑制、基于多腔結構設計的溫度隔離、基于定溫與變溫相結合的多級溫度誤差補償等技術[4-6]。

1.1 系統結構

系統的結構設計主要考慮給陀螺儀及加速計提供一個較為穩定的環境。為此，在結構上采取分腔設計，即將陀螺儀及加速度計構成的組合放在一個單獨的腔體內，而慣導系統相關的二次電源板及信息處理電路等配套電路放在另外一個腔體內。這樣，作為系統熱量的主要來源，電源板及信息處理電路在系統工作時產生的熱量對慣性組合中的陀螺儀及加速度計的影響將降至最低，陀螺儀及加速度計在系統工作時的溫升將被控制在一個很小的范圍之內。系統的結構示意圖如圖1所示。

圖1 慣導系統結構Fig.1 The structure of SINS

1.2 系統組成

光纖陀螺捷聯慣導系統主要包括高精度三軸一體光纖陀螺、高精度石英撓性加速度計以及配套的二次電源轉換電路板和綜合信息處理電路等組成，如圖2所示。其中二次電源板主要完成光纖陀螺、加速度計以及其他配套電路所需電源的二次轉換，信息處理電路的功能包括完成內部光纖陀螺和加速度計數據的采集，同時完成與外界相關設備的通信等功能。在完成系統設計之后，需要重點研究光纖陀螺以及加速度計的溫度特性，并對相關誤差進行有效補償，具體方法在第2節介紹。

圖2 系統組成Fig.2 The composition of SINS

2 光纖陀螺溫度特性

2.1 溫度影響分析

光纖陀螺的基本結構包括光路和電路兩部分。光路部分包括：超發射激光二極管SLD光源、單模耦合器、Y波導、光纖環圈、光電轉換探測器等；電路部分包括前置放大模塊、A/D模塊、邏輯模塊(FPGA)、D/A轉換及驅動模塊、光源驅動和溫控模塊、測溫模塊等。溫度對光纖陀螺內部的各個元器件都可能產生影響，在器件級，通常研究不同器件受溫度的影響特性，并采取針對性的措施，不斷改善不同溫度下器件的性能[7-8]。而對于已經成型的光纖陀螺，如果要想進一步提高其輸出精度，可以在系統級對輸出進行進一步補償。

2.2 溫度補償方法

為了減小陀螺輸出精度受環境溫度的影響，目前較為常用的方法是在系統級進行溫度標定，即基于光纖陀螺整體輸出情況隨溫度的變化進行研究，提出基于各種數學建模方法的補償技術對光纖陀螺的輸出進行補償[9-11]。溫度標定方法通常是將陀螺放在溫箱中，設定溫箱以一定的速率在低溫和高溫之間往返幾次，再利用陀螺的輸出結果與溫度數據進行擬合，利用擬合結果對陀螺輸出進行補償。

圖3所示為溫度標定時的溫度變化情況，可以看出進行了2次-40°～+60°的溫度變化過程。圖4所示為在經過溫度標定之后，對陀螺輸出進行補償前后的曲線情況，可以很明顯看出，在沒有進行溫度補償時，陀螺輸出數值明顯存在較大變化；而經過溫度標定補償之后，陀螺輸出受溫度變化的影響不再那么明顯，輸出精度提高了近1個數量級。目前不同單位生產的光纖陀螺不論是在器件級還是在系統級都會進行溫度的補償，通常經過溫度補償后陀螺的輸出精度可以提高數倍。

圖3 溫度曲線Fig.3 The temperature curve

圖4 陀螺輸出補償前后對比曲線Fig.4 The curve of gyroscope output before and after compensation

同時可以看出，在經過溫度補償后，陀螺的輸出精度仍然不能滿足艦船等需要長時間導航的高精度應用場合。在這種情況下，如果要進一步提高系統的精度只能采取兩種方法，一是采用更高精度的光纖陀螺，二是在系統級進一步消除陀螺漂移對系統導航精度的影響。而光纖陀螺的精度性能受研究水平及加工工藝的影響，短期內很難提高；而在系統上減小陀螺漂移對系統導航精度的影響，可以采用旋轉調制技術，利用不同方向陀螺漂移的對稱影響，減小對系統級精度的影響，這也是目前的一個熱點研究方向。

旋轉調制慣導系統雖然具有一定的精度優勢，且目前已經取得了一些實際應用，但是相對于捷聯慣導系統，其在可靠性、維修性、系統成本以及尺寸質量等方面不占優勢。如果以捷聯的結構同樣取得旋轉調制慣導系統的精度水平，那么將把兩者的優勢結合于一身。

2.3 恒溫條件下的陀螺特性

2.2節分析了經過溫度補償的光纖陀螺精度水平有較大幅度的提升，但是補償后的剩余誤差相對于高精度應用領域仍然無法接受，也就是說陀螺精度仍然會受溫度變化的影響。上面都在分析溫度變化時光纖陀螺的輸出精度，下面分析溫度穩定條件下光纖陀螺的精度水平。

光纖陀螺在實驗室條件下測試獲得的精度會明顯優于實際工程應用的精度，這從一方面說明光纖陀螺的精度水平容易受外界環境的影響，而另一方面也同樣說明光纖陀螺在環境穩定的條件下會表現出較好的精度水平。

圖5所示為某型高精度光纖陀螺在試驗室條件下測試時溫度變化曲線，可以看出剛上電時，陀螺溫度慢慢上升，在近2h后穩定在0.4°的區間范圍內。圖6所示為對應的陀螺輸出曲線，可以看出當陀螺溫度穩定在0.4°區間時，陀螺輸出的曲線明顯較為平穩，陀螺的輸出精度可以優于0.001(°)/h(100s平均)以內，可以看出在溫度穩定時，陀螺的輸出也會非常穩定。

圖5 高精度光纖陀螺測試溫度曲線Fig.5 The test temperature curve of high accuracy fiber optic gyroscope

圖6 高精度光纖陀螺測試輸出曲線Fig.6 The output curve of high accuracy fiber optic gyroscope

3 穩定環境下的精度探索

利用高精度光纖陀螺研制了一套捷聯慣導系統樣機，將該樣機放入溫箱中，設定溫箱溫度為恒溫40°。在系統溫度穩定后，首先對系統進行一組4h以上的長時間測試，利用該條次數據完成對系統在40°條件下的天向陀螺漂移及加表零偏等誤差的估計，在補償各項估計誤差后，對系統進行1.0h的初始對準，然后進入純慣性導航，導航時間在7～17d，共進行3個條次測試。

測試的導航結果如表1所示，可以看出，測試的最大誤差小于3nmile，該精度甚至優于利用同精度的光纖陀螺研制的雙軸旋轉調制系統。通過分析恒溫條件下的陀螺輸出數據，在溫度穩定時，陀螺輸出精度優于0.0002(°)/h，甚至達到0.0001(°)/h，而該陀螺在常溫溫度未穩定條件下的輸出精度只能達到0.002(°)/h。可以看出，溫度穩定時，陀螺輸出精度將提高1個數量級以上。

表1 試驗時導航結果

圖7和圖8所示分別為條次1試驗時的位置誤差曲線以及實驗時的系統溫度曲線，由圖7可以看出，北向位置誤差最大值在1500m左右，東向位置誤差最大值為4500m左右，而在10d內誤差都在1nmile以內。系統溫度穩定在44.50°～44.58°之間，由于系統存在一定的溫升，因此系統溫度略高于溫箱設定溫度。由圖8系統的溫度曲線可以看出，由于存在白天和黑夜的變化導致溫箱外界環境溫度的變化，使溫箱內溫控精度受到影響，因此系統敏感到的溫度也存在一定的波動，且呈一定的周期變化。

圖7 條次1導航結果Fig.7 The navigation result of data No.1

圖8 條次1溫度曲線Fig.8 The temperature curve of data No.1

由數據可知，溫箱的實際溫控精度在0.1°左右，且隨外界環境存在一定的周期變化。而依據以往系統的設計經驗，系統級溫控可以將內部溫度精確控制到0.02°左右。而當環境溫度進一步穩定時，陀螺的輸出精度將有進一步提高的空間，系統的精度水平也將有一定的提升，這正是下一步的研究方向。

上面對溫度穩定下的陀螺輸出精度進行了詳細分析，而加速度計的精度水平同樣會影響到系統的精度水平。經過數據分析發現，在溫度穩定條件下，加速度計會表現出穩定的精度水平，其零偏穩定性可優于5μg，這也確保了系統的長時間導航精度。

4 工程應用問題

穩定環境下的高精度光纖捷聯慣導系統如果要實現工程應用，還有很多工程問題需要面對和解決，主要包括：系統溫度穩定所需要的準備時間，慣性器件誤差的重復性問題等。實際應用中需要面對的各種工程問題并不影響目前對研究方向的探索。下面對這2個問題進行簡單的分析和說明。

1)準備時間

系統如果要開始工作必須是在內部環境穩定的條件下，而系統內部溫度穩定通常需要幾個小時的時間，這個時間對于高精度慣導系統的應用場合來說是可以接受的，目前靜電陀螺慣導系統的準備時間可能需要十幾個小時，甚至幾十個小時。因此對于高精度的應用場合，溫度穩定所需要的準備時間不是主要問題。

2)器件誤差重復性

以上主要是針對器件誤差的穩定性進行了分析。而由慣性器件的特點可知，系統的重復性與穩定性基本處于相同的量級，也就是說器件誤差穩定性好的情況下，其重復性精度也會很高，因此只需在前期完成對系統器件常值誤差的補償即可。具體情況還需進一步分析和驗證，特別是長期穩定性問題。

5 結論

本文針對需要長時間高精度慣性導航的應用領域，對環境穩定條件下的光纖陀螺捷聯慣導系統的系統精度進行了探索研究。首先分析了光纖陀螺受溫度影響的精度特性、溫度補償方法及效果，重點研究了溫度穩定條件下光纖陀螺的精度水平，發現在溫度穩定時，陀螺的輸出精度可以有大幅度的提升。據此，利用研制的高精度光纖陀螺捷聯慣導系統在溫箱中進行環境穩定條件下的驗證試驗，結果表明在溫控精度0.1°的條件下，系統精度可達1mile/10d，而當溫控精度進一步提高時，系統精度有望同步提升，最后分析了工程應用時需要解決的工程問題，后續將提高溫控精度，進一步探索環境穩定條件下的高精度光纖捷聯慣導系統精度潛力。

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