雙通道光纖陀螺捷聯慣導的設計與實現

張陽艷，李星善，胡華峰，施麗娟，豐 彪，鄧衛林，徐孔贊

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

0 引言

光纖陀螺慣導具有全固態、壽命長、可靠性高、隱蔽性好、自主性高等優點，被廣泛應用于航空、航天、航海及武器裝備領域[1-3]。隨著技術的進一步發展，對光纖陀螺慣導系統提出了更高的要求，一方面，要求精度越來越高，從戰術級、導航級向戰略級轉變[4-5]；另一方面，要求動態性能越來越好，能適應各種復雜的振動、沖擊等惡劣環境[6-7]。但是，隨著精度的提高，動態性能將下降，嚴重制約了光纖陀螺慣導系統的應用。

為解決這一問題，文獻[8]提出了一種基于微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)陀螺輔助的增大閉環光纖陀螺動態范圍的方法，利用MEMS陀螺輸出信息，判斷閉環光纖陀螺輸出對應的干涉條紋級數，修正閉環光纖陀螺輸出，從而提高其動態范圍。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定，同時由于MEMS陀螺精度較低，導致判斷光纖陀螺干涉條紋級數存在誤差。文獻[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，如必須設定陀螺的啟動速率范圍、陀螺所敏感的角速度也要根據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慣導設計方案，可根據實際應用需求選擇通道。在常用的慣性導航場景中，光纖陀螺慣導需要先進行自對準以獲得當前的初始姿態，自對準完成后再進入導航模式。自對準模式下，產品一般處于靜態或準靜態，精度要求高，動態性能要求不高。導航模式下，產品動態性能要求高，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效應的一種全固態角速度傳感器，由于數字閉環檢測方案具有動態范圍大、標度因數誤差小等優點，是目前主流的數字閉環方案[10-12]。當光纖環轉動時，輸入角速率Ω在兩束反向傳播的光束中產生的相位差為

(1)

其中，L為光纖長度；D為光纖環直徑；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為例，光源波長λ0為1550nm，光纖長度L為3000m，光纖環直徑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，不滿足高動態環境使用要求。從式(2)可以看出，可以通過減少光纖長度或光纖環直徑來提高測量范圍。

1.2 IF轉換電路工作原理

IF轉換電路是基于電荷平衡的原理[13-15]，當積分電路的積分電壓超過設定電壓時，比較電路控制開關電路選擇正恒流源或負恒流源對積分電路進行充放電，從而達到電荷平衡。邏輯控制電路將比較電路的輸出和頻標信號，并進行與運算，得到脈沖數的輸出。

IF轉換電路中輸出量程和分辨率之間是相互矛盾的，在頻標頻率一定的情況下，輸出量程越大，IF轉換電路的標度因數越小，對應的分辨率越低。在實際測試中發現，電路設計的頻標頻率越高，線性度越差，因此頻標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，可以設計一種雙通道的IF轉換電路，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，可根據實際應用進行合理選擇。

2 雙通道光纖陀螺捷聯慣導系統設計

2.1 系統組成

根據以上原理，本文設計了一種雙通道光纖陀螺捷聯慣導系統，基本組成框圖如圖1所示，主要由結構本體、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轉換電路、電源管理模塊和導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轉換電路得到數字敏感信號送至導航計算機板。導航計算機板是慣導系統的核心控制單元，主要完成慣導的整機數據處理和通信，包括通道選擇處理，陀螺、加速度計的數據采集，溫度補償功能，自對準、導航功能，以及對外通信功能。

2.2 大小光纖陀螺設計

在實際應用中選擇通道時，應盡量保證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決定，因此設計采用單軸雙敏感環方案：大小陀螺共用一個光纖環，通過光纖長度和光纖環等效直徑的不同實現大小陀螺不同的精度。光源共用多通道放大自發輻射(Amplified Spon-taneous Emission, ASE)光源，其他耦合器、Y波導、探測器及閉環處理電路部分獨立設計，其組成示意圖如圖2所示。閉環處理電路主要包括前置放大、A/D轉換、處理器、D/A轉換和驅動放大等電路構成。探測器輸出的電信號經過前置放大器后，再進入A/D轉換器，轉換為數字信號，并在數字邏輯電路內進行閉環處理，完成后將調制信號與反饋信號疊加輸出到D/A轉換器，并施加到Y波導上，完成閉環，閉環處理結果即為陀螺的輸出。

圖1 慣導系統組成原理圖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 雙通道加速度計設計

雙通道加速度計主要由雙通道IF轉換電路實現。傳統的IF轉換電路主要由恒流源、積分電路、比較電路、開關電路和邏輯控制電路等部分組成。雙通道IF轉換電路在傳統IF轉換電路的基礎上，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。邏輯控制電路根據外部的通道選擇信號選擇不同的通道，然后進行后續積分處理，輸出對應通道的脈沖數。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，可根據實際應用進行選擇。

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

2.4 軟件算法設計

雙通道光纖陀螺捷聯慣導系統軟件主要包括上電初始化、自檢、狀態準備、通道選擇、對準和導航解算等功能，工作流程如圖4所示。

1)上電后慣導先進行相關初始化，隨后進入準備模式；

2)在準備模式下接收到對準指令(含導航方式：自動進入導航或者手動進入導航)后，慣導選擇高精度通道(對應大陀螺和高分辨率加速度計組合)，進入對準模式；

3)在對準模式下接收到對準指令，則重新進入對準模式；

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

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

6)在導航模式下接收到對準指令，則重新選擇高精度通道，進入對準模式。

圖4 慣導系統工作流程圖Fig.4 Work flow chart of the inertial navigation system

慣導系統具有自對準和導航功能，并能夠實時輸出角速度、線加速度、速度、位置和姿態等信息。在包含陣風、發動機振動、人員上下車等環境下，陀螺儀和加速度計的輸出信號中包含了因載體擺動而產生的誤差信息，如果不及時補償這種誤差，將直接影響對準精度。

為提高慣導的對準精度和環境適應性，設計采用了一種新的抗擾動慣性系自對準算法。該算法針對各種擾動環境下慣性系對準時因慣性器件偏差及外界擾動帶來的比力干擾導致離散化解算對準精度差的問題，通過對整個對準過程中的視速度進行多項式擬合，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，相較于傳統慣性系粗對準方案能明顯提升對準精度。

為提高慣導的導航精度，綜合采用了桿臂誤差補償、圓錐誤差補償、劃槳誤差補償等多項補償算法,提高了慣導的導航精度。

3 樣機研制與試驗驗證

3.1 雙通道光纖陀螺捷聯慣導樣機

雙通道光纖陀螺捷聯慣導樣機實物如圖5所示，慣導外形尺寸為382mm×245mm×245mm，質量小于20kg。

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

3.2 系統級標定試驗驗證

雙通道光纖陀螺捷聯慣導樣機放置于高精度雙軸轉臺進行系統級標定試驗。樣機根據測試設備的控制指令進行通道選擇，先選擇高精度通道，進行第一次標定試驗，再選擇大量程通道，進行第二次標定試驗，試驗結果如表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。對比加速度計標度因數，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度因數為獨立參數，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速，當發現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臺進行測試，測試方法類似，通過依次增加轉臺轉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采集2h，再選擇大量程通道靜態采集2h，并重復多次計算重復性。試驗結果如表2所示。

表1 樣機系統級標定試驗結果

表2 樣機量程和陀螺精度試驗結果

3.4 高動態振動環境試驗驗證

將樣機安裝在振動臺上進行振動環境試驗，考核產品在高動態復雜力學環境下的適應性。圖6所示為樣機振動試驗減振前后響應頻譜，可以看出減振效果較好，高頻部分響應得到有效抑制，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?？梢钥闯觯笮⊥勇莨ぷ髡?，但小陀螺振動精度優于大陀螺，表明其動態環境適應性更好。此外，結果表明，在低動態環境下，大小陀螺可以作為冗余設計，提升了慣導的可靠性。

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

表3 樣機振動試驗結果

3.5 動態跑車試驗驗證

為考核雙通道光纖陀螺捷聯慣導樣機的導航精度，進行了動態跑車試驗。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，準備試驗車、工裝、樣機、采集設備、全球定位系統(Global Positioning System，GPS)接收設備等，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：慣導先預通電2min，然后選擇高精度通道并啟動對準，對準時間為3min，對準完成后選擇大量程通道并啟動導航，跑車時間在5min左右，試驗中采集全程GPS信息作為基準信息。跑車試驗共進行10次循環，其中東西向6次，南北向4次，試驗結果如表4所示，圓概率誤差(Circular Error Probability, CEP)統計結果9.5m，驗證了產品的性能。

表4 跑車試驗結果

4 結論

針對光纖陀螺慣導精度和動態性能相互矛盾的問題，本文從實際應用需求出發，通過試驗發現,在自對準模式下，產品一般處于靜態或準靜態，精度要求高，動態性能要求不高，而在導航模式下，產品動態性能要求高，精度要求相對不高。因此，提出了一種雙通道光纖陀螺捷聯慣導系統，可根據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系統提供了新的設計思路。