雙通道光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)的設(shè)計與實現(xiàn)

張陽艷，李星善，胡華峰，施麗娟，豐 彪，鄧衛(wèi)林，徐孔贊

(1.湖北航天技術(shù)研究院總體設(shè)計所，武漢 430040； 2.湖北三江航天紅峰控制有限公司，孝感 432000)

0 引言

光纖陀螺慣導(dǎo)具有全固態(tài)、壽命長、可靠性高、隱蔽性好、自主性高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海及武器裝備領(lǐng)域[1-3]。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)提出了更高的要求，一方面，要求精度越來越高，從戰(zhàn)術(shù)級、導(dǎo)航級向戰(zhàn)略級轉(zhuǎn)變[4-5]；另一方面，要求動態(tài)性能越來越好，能適應(yīng)各種復(fù)雜的振動、沖擊等惡劣環(huán)境[6-7]。但是，隨著精度的提高，動態(tài)性能將下降，嚴(yán)重制約了光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用。

為解決這一問題，文獻(xiàn)[8]提出了一種基于微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)陀螺輔助的增大閉環(huán)光纖陀螺動態(tài)范圍的方法，利用MEMS陀螺輸出信息，判斷閉環(huán)光纖陀螺輸出對應(yīng)的干涉條紋級數(shù)，修正閉環(huán)光纖陀螺輸出，從而提高其動態(tài)范圍。該方法需要提前完成MEMS陀螺和主光纖陀螺安裝偏差角的標(biāo)定，同時由于MEMS陀螺精度較低，導(dǎo)致判斷光纖陀螺干涉條紋級數(shù)存在誤差。文獻(xiàn)[9]提出了采用跨條紋的工作方式增大陀螺的量程，但是也存在一些不足，如必須設(shè)定陀螺的啟動速率范圍、陀螺所敏感的角速度也要根據(jù)陀螺的單條紋量程提前給定等。

本文提出了一種雙通道光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)設(shè)計方案，可根據(jù)實際應(yīng)用需求選擇通道。在常用的慣性導(dǎo)航場景中，光纖陀螺慣導(dǎo)需要先進(jìn)行自對準(zhǔn)以獲得當(dāng)前的初始姿態(tài)，自對準(zhǔn)完成后再進(jìn)入導(dǎo)航模式。自對準(zhǔn)模式下，產(chǎn)品一般處于靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)，精度要求高，動態(tài)性能要求不高。導(dǎo)航模式下，產(chǎn)品動態(tài)性能要求高，精度要求相對不高。因此，通過合理選擇通道，可以滿足實際應(yīng)用需求。

1 基本原理

1.1 光纖陀螺工作原理

光纖陀螺是基于Sagnac效應(yīng)的一種全固態(tài)角速度傳感器，由于數(shù)字閉環(huán)檢測方案具有動態(tài)范圍大、標(biāo)度因數(shù)誤差小等優(yōu)點，是目前主流的數(shù)字閉環(huán)方案[10-12]。當(dāng)光纖環(huán)轉(zhuǎn)動時，輸入角速率Ω在兩束反向傳播的光束中產(chǎn)生的相位差為

(1)

其中，L為光纖長度；D為光纖環(huán)直徑；λ0為光源波長；c0為光傳播速度。從式(1)可以看出，為提高光纖陀螺的精度，需要增大光纖環(huán)直徑或增加光纖長度，但是隨之帶來的問題是光纖陀螺的量程縮小。光纖陀螺的單條紋量程可以用式(2)表示[9]

(2)

以某高精度光纖陀螺基本參數(shù)為例，光源波長λ0為1550nm，光纖長度L為3000m，光纖環(huán)直徑D為120mm，光傳播速度c0為3×108m/s，則有

(3)

從式(3)可以看出，該光纖陀螺的單條紋測量范圍為±37(°)/s，不滿足高動態(tài)環(huán)境使用要求。從式(2)可以看出，可以通過減少光纖長度或光纖環(huán)直徑來提高測量范圍。

1.2 IF轉(zhuǎn)換電路工作原理

IF轉(zhuǎn)換電路是基于電荷平衡的原理[13-15]，當(dāng)積分電路的積分電壓超過設(shè)定電壓時，比較電路控制開關(guān)電路選擇正恒流源或負(fù)恒流源對積分電路進(jìn)行充放電，從而達(dá)到電荷平衡。邏輯控制電路將比較電路的輸出和頻標(biāo)信號，并進(jìn)行與運算，得到脈沖數(shù)的輸出。

IF轉(zhuǎn)換電路中輸出量程和分辨率之間是相互矛盾的，在頻標(biāo)頻率一定的情況下，輸出量程越大，IF轉(zhuǎn)換電路的標(biāo)度因數(shù)越小，對應(yīng)的分辨率越低。在實際測試中發(fā)現(xiàn)，電路設(shè)計的頻標(biāo)頻率越高，線性度越差，因此頻標(biāo)頻率不能無限制增加，目前比較成熟的方案頻率一般不超過512kHz[16]。因此，可以設(shè)計一種雙通道的IF轉(zhuǎn)換電路，一路分辨率較高但是量程較小，另一路分辨率較低但是量程較大，可根據(jù)實際應(yīng)用進(jìn)行合理選擇。

2 雙通道光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)以上原理，本文設(shè)計了一種雙通道光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，基本組成框圖如圖1所示，主要由結(jié)構(gòu)本體、大陀螺、小陀螺、加速度計、大陀螺采集電路、小陀螺采集電路、溫度傳感器、雙通道IF轉(zhuǎn)換電路、電源管理模塊和導(dǎo)航計算機板等部分組成。大光纖陀螺和小光纖陀螺同時測量本體的角速度信息，加速度計測量本體的加速度信息，并分別通過陀螺采集電路和IF轉(zhuǎn)換電路得到數(shù)字敏感信號送至導(dǎo)航計算機板。導(dǎo)航計算機板是慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心控制單元，主要完成慣導(dǎo)的整機數(shù)據(jù)處理和通信，包括通道選擇處理，陀螺、加速度計的數(shù)據(jù)采集，溫度補償功能，自對準(zhǔn)、導(dǎo)航功能，以及對外通信功能。

2.2 大小光纖陀螺設(shè)計

在實際應(yīng)用中選擇通道時，應(yīng)盡量保證2個通道的安裝方位一致。加速度計部分，2個通道為共用表頭，安裝方位一致。陀螺部分，2個通道的安裝偏差主要由光纖環(huán)決定，因此設(shè)計采用單軸雙敏感環(huán)方案：大小陀螺共用一個光纖環(huán)，通過光纖長度和光纖環(huán)等效直徑的不同實現(xiàn)大小陀螺不同的精度。光源共用多通道放大自發(fā)輻射(Amplified Spon-taneous Emission, ASE)光源，其他耦合器、Y波導(dǎo)、探測器及閉環(huán)處理電路部分獨立設(shè)計，其組成示意圖如圖2所示。閉環(huán)處理電路主要包括前置放大、A/D轉(zhuǎn)換、處理器、D/A轉(zhuǎn)換和驅(qū)動放大等電路構(gòu)成。探測器輸出的電信號經(jīng)過前置放大器后，再進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并在數(shù)字邏輯電路內(nèi)進(jìn)行閉環(huán)處理，完成后將調(diào)制信號與反饋信號疊加輸出到D/A轉(zhuǎn)換器，并施加到Y(jié)波導(dǎo)上，完成閉環(huán)，閉環(huán)處理結(jié)果即為陀螺的輸出。

圖1 慣導(dǎo)系統(tǒng)組成原理圖Fig.1 Schematic diagram of the inertial navigation system

圖2 大小光纖陀螺組成示意圖Fig.2 Schematic diagram of the large and small fiber optic gyroscope

2.3 雙通道加速度計設(shè)計

雙通道加速度計主要由雙通道IF轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)。傳統(tǒng)的IF轉(zhuǎn)換電路主要由恒流源、積分電路、比較電路、開關(guān)電路和邏輯控制電路等部分組成。雙通道IF轉(zhuǎn)換電路在傳統(tǒng)IF轉(zhuǎn)換電路的基礎(chǔ)上，增加了電流分流和通道選擇功能，其組成示意圖如圖3所示。電流輸入信號I經(jīng)過精密分流電路后得到電流I1和I2，其中I1>I2。邏輯控制電路根據(jù)外部的通道選擇信號選擇不同的通道，然后進(jìn)行后續(xù)積分處理，輸出對應(yīng)通道的脈沖數(shù)。電流I1>I2，表明I1通道分辨率較高但是量程較小，I2通道分辨率較低但是量程較大，可根據(jù)實際應(yīng)用進(jìn)行選擇。

圖3 雙通道IF轉(zhuǎn)換電路組成示意圖Fig.3 Schematic diagram of the dual-channel IF conversion circuit

2.4 軟件算法設(shè)計

雙通道光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)軟件主要包括上電初始化、自檢、狀態(tài)準(zhǔn)備、通道選擇、對準(zhǔn)和導(dǎo)航解算等功能，工作流程如圖4所示。

1)上電后慣導(dǎo)先進(jìn)行相關(guān)初始化，隨后進(jìn)入準(zhǔn)備模式；

2)在準(zhǔn)備模式下接收到對準(zhǔn)指令(含導(dǎo)航方式：自動進(jìn)入導(dǎo)航或者手動進(jìn)入導(dǎo)航)后，慣導(dǎo)選擇高精度通道(對應(yīng)大陀螺和高分辨率加速度計組合)，進(jìn)入對準(zhǔn)模式；

3)在對準(zhǔn)模式下接收到對準(zhǔn)指令，則重新進(jìn)入對準(zhǔn)模式；

4)若為自動導(dǎo)航方式，在對準(zhǔn)完成后自動選擇大量程通道(對應(yīng)小陀螺和大量程加速度計組合)，并進(jìn)入導(dǎo)航模式；

5)若為手動導(dǎo)航方式，在對準(zhǔn)模式下僅在接收到導(dǎo)航指令后才選擇大量程通道，并進(jìn)入導(dǎo)航模式；

6)在導(dǎo)航模式下接收到對準(zhǔn)指令，則重新選擇高精度通道，進(jìn)入對準(zhǔn)模式。

圖4 慣導(dǎo)系統(tǒng)工作流程圖Fig.4 Work flow chart of the inertial navigation system

慣導(dǎo)系統(tǒng)具有自對準(zhǔn)和導(dǎo)航功能，并能夠?qū)崟r輸出角速度、線加速度、速度、位置和姿態(tài)等信息。在包含陣風(fēng)、發(fā)動機振動、人員上下車等環(huán)境下，陀螺儀和加速度計的輸出信號中包含了因載體擺動而產(chǎn)生的誤差信息，如果不及時補償這種誤差，將直接影響對準(zhǔn)精度。

為提高慣導(dǎo)的對準(zhǔn)精度和環(huán)境適應(yīng)性，設(shè)計采用了一種新的抗擾動慣性系自對準(zhǔn)算法。該算法針對各種擾動環(huán)境下慣性系對準(zhǔn)時因慣性器件偏差及外界擾動帶來的比力干擾導(dǎo)致離散化解算對準(zhǔn)精度差的問題，通過對整個對準(zhǔn)過程中的視速度進(jìn)行多項式擬合，并利用擬合后的視速度代替容易受擾動引起跳變的單周期輸出，相較于傳統(tǒng)慣性系粗對準(zhǔn)方案能明顯提升對準(zhǔn)精度。

為提高慣導(dǎo)的導(dǎo)航精度，綜合采用了桿臂誤差補償、圓錐誤差補償、劃槳誤差補償?shù)榷囗椦a償算法,提高了慣導(dǎo)的導(dǎo)航精度。

3 樣機研制與試驗驗證

3.1 雙通道光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)樣機

雙通道光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)樣機實物如圖5所示，慣導(dǎo)外形尺寸為382mm×245mm×245mm，質(zhì)量小于20kg。

圖5 雙通道光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)樣機實物圖Fig.5 The prototype of dual-channel FOG strapdown inertial navigation system

3.2 系統(tǒng)級標(biāo)定試驗驗證

雙通道光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)樣機放置于高精度雙軸轉(zhuǎn)臺進(jìn)行系統(tǒng)級標(biāo)定試驗。樣機根據(jù)測試設(shè)備的控制指令進(jìn)行通道選擇，先選擇高精度通道，進(jìn)行第一次標(biāo)定試驗，再選擇大量程通道，進(jìn)行第二次標(biāo)定試驗，試驗結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，2個通道的安裝誤差偏差都在10-5量級，表明2個通道安裝方位一致性很好。對比加速度計標(biāo)度因數(shù)，高精度通道約為大量程通道的6倍，具有更高的分辨率。大小陀螺的零位和標(biāo)度因數(shù)為獨立參數(shù)，不具備對比性。

3.3 量程和陀螺精度試驗驗證

加速度計量程試驗采用離心機測試，先選擇高精度通道，依次增加離心機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)發(fā)現(xiàn)加速度計輸出為滿量程時停止試驗，再選擇大量程通道，用同樣的方法進(jìn)行測試，得到樣機的加速度計量程。陀螺量程試驗用單軸溫箱轉(zhuǎn)臺進(jìn)行測試，測試方法類似，通過依次增加轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速得到陀螺樣機的最大量程。陀螺精度試驗將樣機放置于大理石平臺，先選擇高精度通道靜態(tài)采集2h，再選擇大量程通道靜態(tài)采集2h，并重復(fù)多次計算重復(fù)性。試驗結(jié)果如表2所示。

表1 樣機系統(tǒng)級標(biāo)定試驗結(jié)果

表2 樣機量程和陀螺精度試驗結(jié)果

3.4 高動態(tài)振動環(huán)境試驗驗證

將樣機安裝在振動臺上進(jìn)行振動環(huán)境試驗，考核產(chǎn)品在高動態(tài)復(fù)雜力學(xué)環(huán)境下的適應(yīng)性。圖6所示為樣機振動試驗減振前后響應(yīng)頻譜，可以看出減振效果較好，高頻部分響應(yīng)得到有效抑制，峰值頻率集中在74Hz左右，為減振器的諧振頻率。振動過程中由于高分辨率加速度計通道會超過使用量程，選擇大量程加速度計通道，大小陀螺通道可同時輸出，振動精度如表3所示。可以看出，大小陀螺工作正常，但小陀螺振動精度優(yōu)于大陀螺，表明其動態(tài)環(huán)境適應(yīng)性更好。此外，結(jié)果表明，在低動態(tài)環(huán)境下，大小陀螺可以作為冗余設(shè)計，提升了慣導(dǎo)的可靠性。

圖6 樣機振動試驗減振前后響應(yīng)頻譜圖Fig.6 Response spectrum before and after vibration absorber during vibration test

表3 樣機振動試驗結(jié)果

3.5 動態(tài)跑車試驗驗證

為考核雙通道光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)樣機的導(dǎo)航精度，進(jìn)行了動態(tài)跑車試驗。試驗選擇孝感某路線相對較直的東西路段和南北路段，距離為5～10km。試驗前，準(zhǔn)備試驗車、工裝、樣機、采集設(shè)備、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)接收設(shè)備等，跑車試驗實物如圖7所示。

圖7 跑車試驗實物圖Fig.7 Physical diagram of vehicle test

跑車試驗流程：慣導(dǎo)先預(yù)通電2min，然后選擇高精度通道并啟動對準(zhǔn)，對準(zhǔn)時間為3min，對準(zhǔn)完成后選擇大量程通道并啟動導(dǎo)航，跑車時間在5min左右，試驗中采集全程GPS信息作為基準(zhǔn)信息。跑車試驗共進(jìn)行10次循環(huán)，其中東西向6次，南北向4次，試驗結(jié)果如表4所示，圓概率誤差(Circular Error Probability, CEP)統(tǒng)計結(jié)果9.5m，驗證了產(chǎn)品的性能。

表4 跑車試驗結(jié)果

4 結(jié)論

針對光纖陀螺慣導(dǎo)精度和動態(tài)性能相互矛盾的問題，本文從實際應(yīng)用需求出發(fā)，通過試驗發(fā)現(xiàn),在自對準(zhǔn)模式下，產(chǎn)品一般處于靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)，精度要求高，動態(tài)性能要求不高，而在導(dǎo)航模式下，產(chǎn)品動態(tài)性能要求高，精度要求相對不高。因此，提出了一種雙通道光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，可根據(jù)需要靈活選擇高精度通道或大量程通道。通過對基本原理、系統(tǒng)組成的介紹和樣機研制、試驗驗證的考核，證明了該方案的可行性，為其他光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)提供了新的設(shè)計思路。