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(shè)備研究所，北京 100074)

0 引言

在國外，潛用慣導(dǎo)和水面型慣導(dǎo)一直是分2個(gè)系列單獨(dú)發(fā)展。潛用慣導(dǎo)對陀螺的性能要求最高，一般要結(jié)合電磁計(jì)程儀、配合電子海圖信息，在重力異常和強(qiáng)洋流區(qū)域系統(tǒng)工作于三階阻尼模式，其他區(qū)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(dǎo)性能的影響，提高長周期導(dǎo)航精度[1-2]。目前國外實(shí)際應(yīng)用的最高精度水下型慣導(dǎo)是靜電陀螺慣導(dǎo)，靜電陀螺精度優(yōu)于十萬分之一，且噪聲極小、角度隨機(jī)游走可忽略，但陀螺熱穩(wěn)定時(shí)間長、對準(zhǔn)3d左右才能發(fā)揮出理想的高精度。如何替代結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)成本昂貴的靜電慣導(dǎo)，更好地滿足武器等用戶的需求是近年來慣性導(dǎo)航領(lǐng)域面臨的突出和現(xiàn)實(shí)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(zhuǎn)調(diào)制方案，實(shí)現(xiàn)了慣導(dǎo)14d的重調(diào)周期，推算激光慣導(dǎo)自主定位精度優(yōu)于2nmile/14d。但采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制方案在機(jī)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(tài)匹配傳遞對準(zhǔn)的需要。法國IXBLUE公司光纖陀螺及慣導(dǎo)系統(tǒng)處于國際領(lǐng)先地位，近期一項(xiàng)試驗(yàn)表明，純捷聯(lián)光纖慣導(dǎo)在溫箱環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于0.4nmile/38d的定位精度，對應(yīng)的光纖陀螺的精度達(dá)到4.7×10-6(°)/h，充分顯示了光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度潛力。這主要是通過穩(wěn)定的溫度環(huán)境克服光纖陀螺全溫環(huán)境劣勢，充分發(fā)揮了光纖陀螺長期穩(wěn)定性好的特點(diǎn)[3]。在此基礎(chǔ)上，本文跟蹤開展了高精度光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)研究，通過分析光纖陀螺的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，其在穩(wěn)定環(huán)境條件下的精度水平要明顯優(yōu)于溫度變化等非穩(wěn)定環(huán)境。因此，本文研制了一套高精度光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，并在溫箱中進(jìn)行恒溫條件下的精度測試，旨在探索溫度穩(wěn)定條件下高精度光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度潛力。

1 光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中的磁場及溫度環(huán)境對系統(tǒng)精度的影響較大。為了給光纖陀螺提供一個(gè)較為穩(wěn)定的使用環(huán)境，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮系統(tǒng)的磁場環(huán)境及溫度環(huán)境，為此采取多項(xiàng)技術(shù)措施確保系統(tǒng)精度可以達(dá)到實(shí)際要求，包括：基于多層磁屏蔽的磁場誤差抑制、基于多腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的溫度隔離、基于定溫與變溫相結(jié)合的多級溫度誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)[4-6]。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮給陀螺儀及加速計(jì)提供一個(gè)較為穩(wěn)定的環(huán)境。為此，在結(jié)構(gòu)上采取分腔設(shè)計(jì)，即將陀螺儀及加速度計(jì)構(gòu)成的組合放在一個(gè)單獨(dú)的腔體內(nèi)，而慣導(dǎo)系統(tǒng)相關(guān)的二次電源板及信息處理電路等配套電路放在另外一個(gè)腔體內(nèi)。這樣，作為系統(tǒng)熱量的主要來源，電源板及信息處理電路在系統(tǒng)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量對慣性組合中的陀螺儀及加速度計(jì)的影響將降至最低，陀螺儀及加速度計(jì)在系統(tǒng)工作時(shí)的溫升將被控制在一個(gè)很小的范圍之內(nèi)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 慣導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of SINS

1.2 系統(tǒng)組成

光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)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(jì)以及配套的二次電源轉(zhuǎn)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(jì)以及其他配套電路所需電源的二次轉(zhuǎn)換，信息處理電路的功能包括完成內(nèi)部光纖陀螺和加速度計(jì)數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)完成與外界相關(guān)設(shè)備的通信等功能。在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)之后，需要重點(diǎn)研究光纖陀螺以及加速度計(jì)的溫度特性，并對相關(guān)誤差進(jìn)行有效補(bǔ)償，具體方法在第2節(jié)介紹。

圖2 系統(tǒng)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(jié)構(gòu)包括光路和電路兩部分。光路部分包括：超發(fā)射激光二極管SLD光源、單模耦合器、Y波導(dǎo)、光纖環(huán)圈、光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換及驅(qū)動模塊、光源驅(qū)動和溫控模塊、測溫模塊等。溫度對光纖陀螺內(nèi)部的各個(gè)元器件都可能產(chǎn)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(jīng)成型的光纖陀螺，如果要想進(jìn)一步提高其輸出精度，可以在系統(tǒng)級對輸出進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)償。

2.2 溫度補(bǔ)償方法

為了減小陀螺輸出精度受環(huán)境溫度的影響，目前較為常用的方法是在系統(tǒng)級進(jìn)行溫度標(biāo)定，即基于光纖陀螺整體輸出情況隨溫度的變化進(jìn)行研究，提出基于各種數(shù)學(xué)建模方法的補(bǔ)償技術(shù)對光纖陀螺的輸出進(jìn)行補(bǔ)償[9-11]。溫度標(biāo)定方法通常是將陀螺放在溫箱中，設(shè)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(jié)果與溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，利用擬合結(jié)果對陀螺輸出進(jìn)行補(bǔ)償。

圖3所示為溫度標(biāo)定時(shí)的溫度變化情況，可以看出進(jìn)行了2次-40°～+60°的溫度變化過程。圖4所示為在經(jīng)過溫度標(biāo)定之后，對陀螺輸出進(jìn)行補(bǔ)償前后的曲線情況，可以很明顯看出，在沒有進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)，陀螺輸出數(shù)值明顯存在較大變化；而經(jīng)過溫度標(biāo)定補(bǔ)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(gè)數(shù)量級。目前不同單位生產(chǎn)的光纖陀螺不論是在器件級還是在系統(tǒng)級都會進(jìn)行溫度的補(bǔ)償，通常經(jīng)過溫度補(bǔ)償后陀螺的輸出精度可以提高數(shù)倍。

圖3 溫度曲線Fig.3 The temperature curve

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

同時(shí)可以看出，在經(jīng)過溫度補(bǔ)償后，陀螺的輸出精度仍然不能滿足艦船等需要長時(shí)間導(dǎo)航的高精度應(yīng)用場合。在這種情況下，如果要進(jìn)一步提高系統(tǒng)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(tǒng)級進(jìn)一步消除陀螺漂移對系統(tǒng)導(dǎo)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(nèi)很難提高；而在系統(tǒng)上減小陀螺漂移對系統(tǒng)導(dǎo)航精度的影響，可以采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)，利用不同方向陀螺漂移的對稱影響，減小對系統(tǒng)級精度的影響，這也是目前的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向。

旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣導(dǎo)系統(tǒng)雖然具有一定的精度優(yōu)勢，且目前已經(jīng)取得了一些實(shí)際應(yīng)用，但是相對于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，其在可靠性、維修性、系統(tǒng)成本以及尺寸質(zhì)量等方面不占優(yōu)勢。如果以捷聯(lián)的結(jié)構(gòu)同樣取得旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度水平，那么將把兩者的優(yōu)勢結(jié)合于一身。

2.3 恒溫條件下的陀螺特性

2.2節(jié)分析了經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w陀螺精度水平有較大幅度的提升，但是補(bǔ)償后的剩余誤差相對于高精度應(yīng)用領(lǐng)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(shí)光纖陀螺的輸出精度，下面分析溫度穩(wěn)定條件下光纖陀螺的精度水平。

光纖陀螺在實(shí)驗(yàn)室條件下測試獲得的精度會明顯優(yōu)于實(shí)際工程應(yīng)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(huán)境的影響，而另一方面也同樣說明光纖陀螺在環(huán)境穩(wěn)定的條件下會表現(xiàn)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(yàn)室條件下測試時(shí)溫度變化曲線，可以看出剛上電時(shí)，陀螺溫度慢慢上升，在近2h后穩(wěn)定在0.4°的區(qū)間范圍內(nèi)。圖6所示為對應(yīng)的陀螺輸出曲線，可以看出當(dāng)陀螺溫度穩(wěn)定在0.4°區(qū)間時(shí)，陀螺輸出的曲線明顯較為平穩(wěn)，陀螺的輸出精度可以優(yōu)于0.001(°)/h(100s平均)以內(nèi)，可以看出在溫度穩(wěn)定時(shí)，陀螺的輸出也會非常穩(wěn)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(wěn)定環(huán)境下的精度探索

利用高精度光纖陀螺研制了一套捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)樣機(jī)，將該樣機(jī)放入溫箱中，設(shè)定溫箱溫度為恒溫40°。在系統(tǒng)溫度穩(wěn)定后，首先對系統(tǒng)進(jìn)行一組4h以上的長時(shí)間測試，利用該條次數(shù)據(jù)完成對系統(tǒng)在40°條件下的天向陀螺漂移及加表零偏等誤差的估計(jì)，在補(bǔ)償各項(xiàng)估計(jì)誤差后，對系統(tǒng)進(jìn)行1.0h的初始對準(zhǔn)，然后進(jìn)入純慣性導(dǎo)航，導(dǎo)航時(shí)間在7～17d，共進(jìn)行3個(gè)條次測試。

測試的導(dǎo)航結(jié)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(yōu)于利用同精度的光纖陀螺研制的雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制系統(tǒng)。通過分析恒溫條件下的陀螺輸出數(shù)據(jù)，在溫度穩(wěn)定時(shí)，陀螺輸出精度優(yōu)于0.0002(°)/h，甚至達(dá)到0.0001(°)/h，而該陀螺在常溫溫度未穩(wěn)定條件下的輸出精度只能達(dá)到0.002(°)/h?？梢钥闯?，溫度穩(wěn)定時(shí)，陀螺輸出精度將提高1個(gè)數(shù)量級以上。

表1 試驗(yàn)時(shí)導(dǎo)航結(jié)果

圖7和圖8所示分別為條次1試驗(yàn)時(shí)的位置誤差曲線以及實(shí)驗(yàn)時(shí)的系統(tǒng)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(nèi)誤差都在1nmile以內(nèi)。系統(tǒng)溫度穩(wěn)定在44.50°～44.58°之間，由于系統(tǒng)存在一定的溫升，因此系統(tǒng)溫度略高于溫箱設(shè)定溫度。由圖8系統(tǒng)的溫度曲線可以看出，由于存在白天和黑夜的變化導(dǎo)致溫箱外界環(huán)境溫度的變化，使溫箱內(nèi)溫控精度受到影響，因此系統(tǒng)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(dǎo)航結(jié)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(shù)據(jù)可知，溫箱的實(shí)際溫控精度在0.1°左右，且隨外界環(huán)境存在一定的周期變化。而依據(jù)以往系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)級溫控可以將內(nèi)部溫度精確控制到0.02°左右。而當(dāng)環(huán)境溫度進(jìn)一步穩(wěn)定時(shí)，陀螺的輸出精度將有進(jìn)一步提高的空間，系統(tǒng)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(wěn)定下的陀螺輸出精度進(jìn)行了詳細(xì)分析，而加速度計(jì)的精度水平同樣會影響到系統(tǒng)的精度水平。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在溫度穩(wěn)定條件下，加速度計(jì)會表現(xiàn)出穩(wěn)定的精度水平，其零偏穩(wěn)定性可優(yōu)于5μg，這也確保了系統(tǒng)的長時(shí)間導(dǎo)航精度。

4 工程應(yīng)用問題

穩(wěn)定環(huán)境下的高精度光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)如果要實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，還有很多工程問題需要面對和解決，主要包括：系統(tǒng)溫度穩(wěn)定所需要的準(zhǔn)備時(shí)間，慣性器件誤差的重復(fù)性問題等。實(shí)際應(yīng)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(gè)問題進(jìn)行簡單的分析和說明。

1)準(zhǔn)備時(shí)間

系統(tǒng)如果要開始工作必須是在內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定的條件下，而系統(tǒng)內(nèi)部溫度穩(wěn)定通常需要幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間對于高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用場合來說是可以接受的，目前靜電陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)的準(zhǔn)備時(shí)間可能需要十幾個(gè)小時(shí)，甚至幾十個(gè)小時(shí)。因此對于高精度的應(yīng)用場合，溫度穩(wěn)定所需要的準(zhǔn)備時(shí)間不是主要問題。

2)器件誤差重復(fù)性

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

5 結(jié)論

本文針對需要長時(shí)間高精度慣性導(dǎo)航的應(yīng)用領(lǐng)域，對環(huán)境穩(wěn)定條件下的光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的系統(tǒng)精度進(jìn)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(bǔ)償方法及效果，重點(diǎn)研究了溫度穩(wěn)定條件下光纖陀螺的精度水平，發(fā)現(xiàn)在溫度穩(wěn)定時(shí)，陀螺的輸出精度可以有大幅度的提升。據(jù)此，利用研制的高精度光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)在溫箱中進(jìn)行環(huán)境穩(wěn)定條件下的驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明在溫控精度0.1°的條件下，系統(tǒng)精度可達(dá)1mile/10d，而當(dāng)溫控精度進(jìn)一步提高時(shí)，系統(tǒng)精度有望同步提升，最后分析了工程應(yīng)用時(shí)需要解決的工程問題，后續(xù)將提高溫控精度，進(jìn)一步探索環(huán)境穩(wěn)定條件下的高精度光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)精度潛力。

參考文獻(xiàn)

[1] 張崇猛，蔡智淵，舒東亮，等. 船舶慣性導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用與展望[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2012, 34(6): 3-8.

[2] 孫偉，孫楓，劉繁明. 光纖陀螺旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2012, 31(11): 1-4.

[3] Paturel Y, Honthaas J, Lefèvre H, et al. One nautical mile per month FOG-based strapdown inertial navigation system: A dream already within reach[J]. Gyroscopy and Navigation, 2014,5(1):1-8.

[4] Ruffin P B, Snith R H. Fiber windng approaches for envirorimentally robust IFOG sensor coils compo-nents for fiber optic applications[C]//IEEE Transactionson on Aerospace and Electronic Systems. San Diego, 1992:179-189.

[5] 趙龍，胡少波，紀(jì)文濤. 光纖慣組溫度補(bǔ)償模型和測試技術(shù)研究[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù),2016, 348(4): 39-43.

[6] Fang J C,Wan D J.A fast initial alignment method for strapdown inertial navigation system on stationary base[J]. Journal of Southeast University, 1996, 32(4):1501-1504.

[7] Zhang X F, Fan H C, Liang Y. FOG output drift compensation based on temperature gradients[J]. Piezoelectrics & Acoutstooptics, 2011, 33(1): 38-39.

[8] Liu Y Y, Yang G L, Yin H L. Temperature compensation for fiber optic gyroscope based on dual models[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2015, 23(1):132-136.

[9] Chen X Y, Shen C. Study on temperature error processing technique for fiber optic gyroscope[J]. Optik-International Journal for Light and Electron Optics, 2013, 124(9):784-792.

[10] 劉元元, 楊功流, 李思宜. BP-AdaBoost 模型在光纖陀螺零偏溫度補(bǔ)償中的應(yīng)用[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2014, 40(2): 235-239.

[11] Narasimhappa M, Sabat S L, Rangababu P, et al. An improved adaptive Kalman filter for denoising fiber optic gyro drift signal[C]//Proceedings of Annual IEEE India Conference (INDICON). IEEE, 2014: 1-6.