光纖捷聯航姿誤差分析及應用的研究

何欣 周磊

摘? 要：本文主要介紹了光纖捷聯航姿常見的誤差分析，并對誤差修正的方法進行簡單的論述，重點闡述了機載姿態航向系統上光纖捷聯航姿的應用。

關鍵詞：光纖捷聯航姿、光纖陀螺、誤差分析、溫度補償、濾波方法

1.引言

光纖陀螺與傳統的機械陀螺相比，具有結構簡單、性能穩定、動態范圍寬、瞬時響應、可承受較大過載、價格相對較低、壽命長等優點，受到世界各國廠家和用戶的普遍關注，發展迅速。近年來，我國的光纖陀螺技術快速發展，越來越多的姿態設備選用新的光纖陀螺作為主要的姿態部件。目前，中低精度水平上的光纖陀螺已實現了工程化應用。隨著光纖陀螺技術的飛速發展，除了更高的精度要求，產品的制作難度及制作成本也越來越低，適用性也愈來愈高，使得基于光纖陀螺的捷聯慣性系統的實際應用價值越來越高。

本文針對光纖捷聯航姿的內部與外部可能會導致誤差的因素進行研究，著力于緊密結合飛機實際應用的需求，對可以提高機載姿態航向系統的精度及穩定性的方法進行闡述。

2.光纖捷聯航姿

2.1.光纖捷聯航姿的特點

光纖捷聯航姿與其他慣性系統相比，具有以下優點：

a.由于光纖捷聯航姿的核心部件光纖慣性測量組件，是由三個單軸光纖陀螺和加速度計構成，內部沒有運動部件，因此具有壽命長、可靠性高、重量輕等優點;

b.啟動時間短，對機械環境的適應性高，動態范圍寬，且平均無故障時間長;

c.系統構成和制作工藝相對簡單，成本相對較低;

d.光纖捷聯航姿因光纖陀螺對環境溫度敏感的特性在使用時也存在其特殊之處，例如特意的提高或者降低光纖陀螺對環境的靈敏度可使其用在完全不同的領域。

2.2.機載姿態航向系統的組成及工作原理

姿態航向系統由光纖捷聯航姿組件和磁傳感器組成，采用光纖速率陀螺和撓性擺式加速度計來感測飛機飛行過程中沿機體三個軸向上的運動角速率和線加速度信號，接收磁傳感器感測的兩個水平軸向上的地磁信號，經電子線路量化、修正后傳輸給航姿解算板，進行磁航向、姿態解算。將解算結果、工作狀態字、故障字等數字信號通過HB6096、ARINC407接口發送至機上交聯設備。

3.誤差分析

3.1.姿態航向系統內部產生的誤差

為保證姿態航向系統的導航精度，必須減小系統的測量誤差，而影響測量誤差的原因有很多，就誤差本身而言，則可分為非隨機誤差和隨機誤差。

3.1.1.詳細分析

設W為光纖陀螺組件的輸出信號，A為加速度計組件的輸出信號，關于誤差的計算可以建立兩者的關系如下：

式中，W為光纖陀螺組件的測量真值，ΔW為非隨機誤差，W為隨機誤差;A為加速度計組件的測量真值，ΔA為非隨機誤差，A為隨機誤差。本文只闡述非隨機誤差，故隨機誤差可等效為均值為零的白噪聲。一般認為非隨機誤差由零位偏差、安裝誤差和標度因數組成。

在工程應用中，通常會采用速率標定法來標定陀螺組件的安裝誤差和標度因數誤差。試驗前，光纖陀螺組件安裝在速率轉臺上，并使陀螺組件的標定軸與速率轉臺輸入軸重合，可選擇以下三種安裝方式。

其中，Oxyz表示機體坐標系，OXYZ表示速率轉臺坐標系，OX為速率轉臺輸入軸，圖像分別為地球自轉角速度和轉臺輸入角速率，L為當地緯度。

通過相關計算公式即可算出安裝誤差和標定誤差。對于光纖陀螺機構，零位偏差具有特殊性，具體表現為，溫度會引起光纖陀螺組件零偏的變化。

3.1.2.分析結果及措施

通過對光纖系統內部產生的誤差進行分析可得到以下結論：

a.光纖陀螺的精度首先取決于硬件的制造水平，包含材料、工藝及原理上的改進;

b.在目前的硬件及制造工藝的限制下，誤差補償是提高光纖陀螺精度的最有效的途徑，為誤差補償的關鍵必須準確的取得誤差的參數值，所以試驗臺的好壞及試驗流程的規范度，嚴重的影響了產品出廠前的精度保持;

c.誤差補償的核心為軟件算法，通過更全面數學模型、最優化的計算方法來得到更精準的誤差補償，例如在發現溫度對光纖陀螺有影響后，除了通過對光纖陀螺進行全狀態溫度補償的同時，又加入了對加速度計的溫度補償，對軟件算法的進一步優化，使得光纖陀螺的精度進一步提高;

d.及時裝訂正確的緯度信息也可降低系統誤差。

3.2.姿態航向系統外部產生的誤差

姿態航向系統在機上的安裝，與機上其他設備的交聯及機上的標定工作，都直接影響了姿態航向系統的精度和穩定性。

3.2.1.詳細分析

3.2.1.1.姿態航向系統在機上的安裝誤差

根據機上的安裝位置不同，安裝精度參差不齊，例如在機身中部設備艙中安裝，在機身架水平的情況下，正常安裝只能保證大致的航向，較準的俯仰角，較準的橫滾角。而安裝在駕駛艙中，在機身架水平的情況下，通過激光跟蹤儀，正常安裝就能保證較準的航向，較準的俯仰角，較準的橫滾角。

3.2.1.2.姿態航向系統與機上交聯設備之間產生的誤差

a.交聯信號受到干擾

干擾來源可分為兩類：

① 設備本身受到機上電磁環境的影響

② 通過機上線纜引入的噪聲干擾

b.系統配套的磁傳感器安裝誤差及傳感器本身的誤差所帶來的誤差

光纖捷聯航姿組件工作在磁航向模式時，通過磁傳感器感應的地磁方向來修正陀螺航向，將修正后的信號作為光纖捷聯航姿組件輸出的磁航向，因此，當引入磁傳感器安裝誤差時，會導致姿態航向系統輸出的磁航向存在誤差。

3.2.2.分析結果及措施

通過對姿態航向系統與機上交聯設備之間產生的誤差進行分析可得到以下結論：

a.針對在機上安裝所產生的誤差是不可避免的，一般工程應用中都可以通過飛機架水平時，對姿態航向系統進行初始的安裝誤差裝訂，利用外部基準使陀螺部件給出自己的安裝誤差，既降低了工作難度，又提高了工作效率及安裝誤差標定的準確度。

b.針對機上高密度的電磁環境對光纖陀螺及線纜的影響，使得數據采集及信號輸出時都會伴隨大的干擾，導致信號不穩，精度降低，一般對應的處理方法則是使用濾波電路及濾波算法，合理的增加濾波電路及濾波算法可有效的解決外部帶來的干擾噪聲問題。一般機上電纜的處置為使用屏蔽線纜、屏蔽電連接器以及電纜收頭處進行屏蔽處理。

c.針對機上磁傳感器的本身誤差、安裝誤差，通過羅差校正的方法去修正誤差。

d.針對飛機在飛行過程中因緯度變化產生的誤差，一般可通過手動或自動的方式及時裝訂緯度信息來修正誤差，因為姿態航向系統為獨立的系統，所以只能通過手動的方式來裝訂即時緯度信息，具體為通過飛行前緯度修正及飛行中緯度修正。

4.總結及展望

隨著光纖陀螺的實用化技術走向成熟，由光纖陀螺構成的捷聯慣性系統在軍用和民用領域都得到了廣泛應用，本文簡述了光纖陀螺的特點及發展前景，并結合機載姿態航向系統對光纖陀螺在使用中的誤差進行分析討論，并找出合理可行的減少誤差的方法。

總之，本文的工程實踐特色較為明顯，算法研究與實際應用相結合，為今后以光纖陀螺作為主要姿態導航部件的使用提供了重要的參考價值，同時為今后實際應用中遇到的誤差問題提供了合理可行的排除方法。