可 偉，喬海巖，孟凡強(qiáng)

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第三六八廠，河北邯鄲056028)

0 引言

激光陀螺屬于光學(xué)陀螺，其最大特點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，沒有任何活動(dòng)部件，啟動(dòng)時(shí)間短，動(dòng)態(tài)范圍廣，尺度因數(shù)線性度好，不存在機(jī)電干擾等誤差項(xiàng)，并且光學(xué)陀螺較其他機(jī)械陀螺的一大特點(diǎn)是適用于單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制系統(tǒng)。

船用激光陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)［1］最大特點(diǎn)是在長(zhǎng)航時(shí)應(yīng)用，其長(zhǎng)期導(dǎo)航精度很關(guān)鍵，而且作為艦船的核心主慣導(dǎo)設(shè)備，其承載著為艦船各武備系統(tǒng)提供基準(zhǔn)的職責(zé)，故對(duì)其長(zhǎng)航時(shí)位置精度以及姿態(tài)誤差穩(wěn)定性等指標(biāo)要求很高?；诩す馔勇萏攸c(diǎn)，針對(duì)船用慣導(dǎo)應(yīng)用需求，要求所用激光陀螺指標(biāo)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(yīng)用中，其量產(chǎn)存在很大問題。針對(duì)以上問題，我們提出了應(yīng)用較高精度的光學(xué)激光陀螺，采用單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)手段，在不增加系統(tǒng)成本的基礎(chǔ)上，來(lái)提高系統(tǒng)導(dǎo)航精度。

單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)是通過對(duì)IMU以一定方式旋轉(zhuǎn)來(lái)達(dá)到常值漂移補(bǔ)償?shù)?，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(tǒng)長(zhǎng)航時(shí)導(dǎo)航精度，尤其是系統(tǒng)位置精度。

1 單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制機(jī)理

系統(tǒng)中，單軸旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)慣導(dǎo)導(dǎo)航解算原理如圖1所示。

圖1 單軸旋轉(zhuǎn)激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)工作原理Fig.1 Principles of single-axial rotation RLG SINS

系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中，IMU由3個(gè)二頻機(jī)抖激光陀螺及3個(gè)石英撓性加表構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)調(diào)制機(jī)構(gòu)為速率旋轉(zhuǎn)及位置鎖定功能轉(zhuǎn)臺(tái)，該轉(zhuǎn)臺(tái)與IMU固聯(lián)，并且使得IMU在安裝過程中保證其垂向陀螺敏感軸與轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸平行，這樣，固聯(lián)的IMU相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。方案設(shè)計(jì)中，假設(shè)p系為轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系，n系為導(dǎo)航坐標(biāo)系［3］，i系為慣性坐標(biāo)系，b系為船體坐標(biāo)系。由單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的工作原理，結(jié)合典型捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差方程，系統(tǒng)誤差傳播方程可描述為

可以看出，方程(1)與傳統(tǒng)典型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)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(fā)生了變換，并且構(gòu)成的變換陣與時(shí)間有關(guān)。

方案中，假定在初始時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系p系與船體坐標(biāo)系b系重合，且IMU繞天向軸旋轉(zhuǎn)，則在任意t時(shí)刻，系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)角位置為θ(t)，那么根據(jù)上述假設(shè)，可得出從船體坐標(biāo)系b系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系p系的變換矩陣為

式(3)中，陀螺和加表的實(shí)測(cè)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(jié)論，IMU中水平慣性器件輸出誤差在轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)正反轉(zhuǎn)停過程中被調(diào)制，且輸出誤差曲線按周期性規(guī)律變化，天向陀螺輸出誤差沒有被調(diào)制。

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差傳播方程中，等效北向和等效天向陀螺漂移會(huì)造成解算經(jīng)度誤差隨時(shí)間而發(fā)散，因此將陀螺漂移對(duì)系統(tǒng)經(jīng)度誤差的影響單獨(dú)列出進(jìn)行考察。忽略交叉耦合項(xiàng)，靜態(tài)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(jì)偏置。假設(shè)陀螺的常值漂移為εx，εy，εz加表零位偏置為▽x，▽y，▽z，則t時(shí)刻轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)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(zhuǎn)后，誤差方程變?yōu)?

對(duì)式(9)和式(10)作Laplace變換，陀螺常漂視為階躍信號(hào)

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

由圖2求得旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)誤差解析式:

2 旋轉(zhuǎn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱性要求，單軸旋轉(zhuǎn)方案采用IMU單位置正反轉(zhuǎn)停一周期方法實(shí)現(xiàn)慣性器件偏差的調(diào)制。

控制器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)使IMU在零位正反轉(zhuǎn)停循環(huán)運(yùn)動(dòng)，并在固定位置上停留相同的時(shí)間，轉(zhuǎn)動(dòng)過程描述如下:

過程1:IMU在零位停留60 s;

過程2:IMU逆時(shí)針以6°/s的角速率旋轉(zhuǎn)1周;

過程3:IMU在零位停留60 s;

過程4:IMU順時(shí)針以6°/s的角速率旋轉(zhuǎn)1周。

圖3 IMU單位置正反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)停［4］的旋轉(zhuǎn)方式中，通過導(dǎo)航計(jì)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(zhuǎn)過程中并沒有被調(diào)制掉。為獲得高精度的激光慣導(dǎo)系統(tǒng)，有關(guān)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(jié)約系統(tǒng)整體成本，又可以充分發(fā)揮旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)作用，使得最終的系統(tǒng)滿足現(xiàn)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(dǎo)系統(tǒng)。

3 計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證

驗(yàn)證條件［5］:靜基座下，陀螺常值漂移0.003°/h，陀螺隨機(jī)誤差0.0005°/h，陀螺標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性0.466 ppm;加速度計(jì)常值偏置20 μg，加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性20 ppm，陀螺組合件和加速度計(jì)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(zhuǎn)停方案，旋轉(zhuǎn)速度6°/s，停止時(shí)間Th=60 s。采樣周期1 s，仿真時(shí)間24 h。

企業(yè)要盡可能地提高會(huì)計(jì)信息的真實(shí)性和完整性，進(jìn)而提高企業(yè)決策的準(zhǔn)確性，就要加強(qiáng)企業(yè)財(cái)務(wù)管理，不斷完善企業(yè)內(nèi)控體系。一般來(lái)說(shuō)，會(huì)計(jì)信息的真實(shí)性需要由內(nèi)部控制制度提供保障，財(cái)務(wù)管理又對(duì)內(nèi)部控制具有較大影響，所以，強(qiáng)化財(cái)務(wù)管理可以完善內(nèi)部控制制度，使財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠，能在生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策中發(fā)揮更好的作用，能更有效地規(guī)避企業(yè)經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，企業(yè)內(nèi)控體系并不是一成不變的，它會(huì)隨著企業(yè)的發(fā)展不斷變化，財(cái)務(wù)管理可以通過財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)內(nèi)控體系中的不足，從而依據(jù)這些信息對(duì)內(nèi)控體系進(jìn)行修改與完善，使內(nèi)部控制制度能與企業(yè)的發(fā)展相適應(yīng)。

仿真結(jié)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(shí)間內(nèi)，位置誤差小于1.1n mile，水平姿態(tài)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(dǎo)系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)

船用激光陀螺單軸旋轉(zhuǎn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)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(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)及緩沖基座組成;顯控裝置由顯控機(jī)柜、顯控計(jì)算機(jī)、加固型導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、DC/DC模塊、控制器、接口線路、減震器組件及對(duì)外轉(zhuǎn)接組件等組成。電源裝置由電源機(jī)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(zhuǎn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成Fig.10 Schematic representation of the single-axial rotating inertial navigation system

激光陀螺和加速度計(jì)構(gòu)成的慣性測(cè)量組件與載體相對(duì)固聯(lián) (可繞方位軸旋轉(zhuǎn))，通過導(dǎo)航計(jì)算機(jī)采集慣性儀表輸出的艦艇線加速度和角速度信息，經(jīng)導(dǎo)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(cè)量組件繞艦艇航向軸周期性旋轉(zhuǎn)，使得水平軸慣性儀表常值誤差對(duì)位置影響得以周期性抵消。

4.1 慣性測(cè)量單元

IMU是整個(gè)慣導(dǎo)裝置的核心組件，其性能直接決定整個(gè)系統(tǒng)的成敗。在結(jié)構(gòu)布局上，3個(gè)機(jī)抖激光陀螺各自安裝于磁屏蔽的陀螺盒內(nèi)，然后3個(gè)陀螺通過螺釘正交安裝固定于IMU上。3個(gè)石英加速度計(jì)是安裝于1個(gè)加速度計(jì)基座上后，再將加速度計(jì)基座固定于IMU本體上，且盡量將加速度計(jì)放置于IMU的中心上。IMU集成了慣性元件信號(hào)處理線路，在IMU中完成信號(hào)預(yù)處理后再通過數(shù)字接口傳輸?shù)斤@控裝置電子線路組件中進(jìn)行解算。

慣性測(cè)量組件與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)通過安裝定位面保證重復(fù)安裝精度，慣性測(cè)量組件可在海上更換而不須重新標(biāo)校。

4.2 單軸轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)

單軸轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)上架設(shè)專用光學(xué)標(biāo)校工具，測(cè)量設(shè)備基線面與艦艇基面的偏差，偏差量在艦船姿態(tài)計(jì)算中進(jìn)行校正，無(wú)須進(jìn)行機(jī)械調(diào)整。

旋轉(zhuǎn)控制方案設(shè)計(jì)中，旋轉(zhuǎn)調(diào)制采用交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂品桨甘且粋€(gè)典型的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用全數(shù)字化。控制方案中，光電碼盤等作為位置、速度反饋元件進(jìn)行外環(huán)閉環(huán)。內(nèi)環(huán)采用傳統(tǒng)經(jīng)典電流閉環(huán)控制回路，控制系統(tǒng)原理框圖如圖11所示。

圖11 旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)慣導(dǎo)控制系統(tǒng)原理框圖Fig.11 The elements representation of control system in rotation SINS

方案設(shè)計(jì)中采用交流電機(jī)、光電編碼器(含細(xì)分盒)及交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器為核心構(gòu)建轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)。其中，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)框架進(jìn)行同軸剛性固連，二者同步轉(zhuǎn)停。這樣一來(lái)，電機(jī)與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的實(shí)際轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)速完全相同，便于后續(xù)的信息校對(duì)。轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)內(nèi)框設(shè)定有定位孔、基準(zhǔn)靠面，以保證IMU的安裝精度。

5 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)船用慣導(dǎo)總體設(shè)計(jì)方案要求，較詳細(xì)地介紹了船用激光陀螺單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)［6］總體組成及各分系統(tǒng)構(gòu)成原理，針對(duì)總體性能指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)了各分系統(tǒng)控制策略，并結(jié)合激光陀螺及石英撓性加表特性，利用初始條件進(jìn)行了系統(tǒng)仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，采用單位置正反轉(zhuǎn)停的旋轉(zhuǎn)方案，其長(zhǎng)航時(shí)導(dǎo)航輸出精度明顯優(yōu)于同條件下傳統(tǒng)非旋轉(zhuǎn)情況下激光慣導(dǎo)輸出指標(biāo)，證實(shí)了該方案的可行性，為日后原理樣機(jī)的研制提供了良好的研制基礎(chǔ)。

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