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(jì)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(diǎn)，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(duì)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(jí)、導(dǎo)航級(jí)向戰(zhàn)略級(jí)轉(zhuǎn)變[4-5]；另一方面，要求動(dòng)態(tài)性能越來越好，能適應(yīng)各種復(fù)雜的振動(dòng)、沖擊等惡劣環(huán)境[6-7]。但是，隨著精度的提高，動(dòng)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(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)陀螺輔助的增大閉環(huán)光纖陀螺動(dòng)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(duì)應(yīng)的干涉條紋級(jí)數(shù)，修正閉環(huán)光纖陀螺輸出，從而提高其動(dòng)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(shí)由于MEMS陀螺精度較低，導(dǎo)致判斷光纖陀螺干涉條紋級(jí)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(dòng)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(jì)方案，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求選擇通道。在常用的慣性導(dǎo)航場(chǎng)景中，光纖陀螺慣導(dǎo)需要先進(jìn)行自對(duì)準(zhǔn)以獲得當(dāng)前的初始姿態(tài)，自對(duì)準(zhǔn)完成后再進(jìn)入導(dǎo)航模式。自對(duì)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(dòng)態(tài)性能要求不高。導(dǎo)航模式下，產(chǎn)品動(dòng)態(tài)性能要求高，精度要求相對(duì)不高。因此，通過合理選擇通道，可以滿足實(shí)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(cè)方案具有動(dòng)態(tài)范圍大、標(biāo)度因數(shù)誤差小等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)時(shí)，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(cè)量范圍為±37(°)/s，不滿足高動(dòng)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(cè)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(shí)，比較電路控制開關(guān)電路選擇正恒流源或負(fù)恒流源對(duì)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(hào)，并進(jìn)行與運(yùn)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(duì)應(yīng)的分辨率越低。在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，電路設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)以上原理，本文設(shè)計(jì)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(jì)、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(jì)算機(jī)板等部分組成。大光纖陀螺和小光纖陀螺同時(shí)測(cè)量本體的角速度信息，加速度計(jì)測(cè)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(hào)送至導(dǎo)航計(jì)算機(jī)板。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)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(jī)數(shù)據(jù)處理和通信，包括通道選擇處理，陀螺、加速度計(jì)的數(shù)據(jù)采集，溫度補(bǔ)償功能，自對(duì)準(zhǔn)、導(dǎo)航功能，以及對(duì)外通信功能。

2.2 大小光纖陀螺設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中選擇通道時(shí)，應(yīng)盡量保證2個(gè)通道的安裝方位一致。加速度計(jì)部分，2個(gè)通道為共用表頭，安裝方位一致。陀螺部分，2個(gè)通道的安裝偏差主要由光纖環(huán)決定，因此設(shè)計(jì)采用單軸雙敏感環(huán)方案：大小陀螺共用一個(gè)光纖環(huán)，通過光纖長度和光纖環(huán)等效直徑的不同實(shí)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(cè)器及閉環(huán)處理電路部分獨(dú)立設(shè)計(jì)，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(dòng)放大等電路構(gòu)成。探測(cè)器輸出的電信號(hào)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(hào)，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(hào)與反饋信號(hào)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(jì)設(shè)計(jì)

雙通道加速度計(jì)主要由雙通道IF轉(zhuǎn)換電路實(shí)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(hào)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(hào)選擇不同的通道，然后進(jìn)行后續(xù)積分處理，輸出對(duì)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(shí)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(jì)

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(duì)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(duì)準(zhǔn)指令(含導(dǎo)航方式：自動(dòng)進(jìn)入導(dǎo)航或者手動(dòng)進(jìn)入導(dǎo)航)后，慣導(dǎo)選擇高精度通道(對(duì)應(yīng)大陀螺和高分辨率加速度計(jì)組合)，進(jìn)入對(duì)準(zhǔn)模式；

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

4)若為自動(dòng)導(dǎo)航方式，在對(duì)準(zhǔn)完成后自動(dòng)選擇大量程通道(對(duì)應(yīng)小陀螺和大量程加速度計(jì)組合)，并進(jìn)入導(dǎo)航模式；

5)若為手動(dòng)導(dǎo)航方式，在對(duì)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(duì)準(zhǔn)指令，則重新選擇高精度通道，進(jìn)入對(duì)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(duì)準(zhǔn)和導(dǎo)航功能，并能夠?qū)崟r(shí)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(dòng)機(jī)振動(dòng)、人員上下車等環(huán)境下，陀螺儀和加速度計(jì)的輸出信號(hào)中包含了因載體擺動(dòng)而產(chǎn)生的誤差信息，如果不及時(shí)補(bǔ)償這種誤差，將直接影響對(duì)準(zhǔn)精度。

為提高慣導(dǎo)的對(duì)準(zhǔn)精度和環(huán)境適應(yīng)性，設(shè)計(jì)采用了一種新的抗擾動(dòng)慣性系自對(duì)準(zhǔn)算法。該算法針對(duì)各種擾動(dòng)環(huán)境下慣性系對(duì)準(zhǔn)時(shí)因慣性器件偏差及外界擾動(dòng)帶來的比力干擾導(dǎo)致離散化解算對(duì)準(zhǔn)精度差的問題，通過對(duì)整個(gè)對(duì)準(zhǔn)過程中的視速度進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，并利用擬合后的視速度代替容易受擾動(dòng)引起跳變的單周期輸出，相較于傳統(tǒng)慣性系粗對(duì)準(zhǔn)方案能明顯提升對(duì)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(bǔ)償、圓錐誤差補(bǔ)償、劃槳誤差補(bǔ)償?shù)榷囗?xiàng)補(bǔ)償算法,提高了慣導(dǎo)的導(dǎo)航精度。

3 樣機(jī)研制與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 雙通道光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)樣機(jī)

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

3.2 系統(tǒng)級(jí)標(biāo)定試驗(yàn)驗(yàn)證

雙通道光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)樣機(jī)放置于高精度雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)標(biāo)定試驗(yàn)。樣機(jī)根據(jù)測(cè)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(yàn)，再選擇大量程通道，進(jìn)行第二次標(biāo)定試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，2個(gè)通道的安裝誤差偏差都在10-5量級(jí)，表明2個(gè)通道安裝方位一致性很好。對(duì)比加速度計(jì)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(dú)立參數(shù)，不具備對(duì)比性。

3.3 量程和陀螺精度試驗(yàn)驗(yàn)證

加速度計(jì)量程試驗(yàn)采用離心機(jī)測(cè)試，先選擇高精度通道，依次增加離心機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)發(fā)現(xiàn)加速度計(jì)輸出為滿量程時(shí)停止試驗(yàn)，再選擇大量程通道，用同樣的方法進(jìn)行測(cè)試，得到樣機(jī)的加速度計(jì)量程。陀螺量程試驗(yàn)用單軸溫箱轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法類似，通過依次增加轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速得到陀螺樣機(jī)的最大量程。陀螺精度試驗(yàn)將樣機(jī)放置于大理石平臺(tái)，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(jì)算重復(fù)性。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 樣機(jī)系統(tǒng)級(jí)標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果

表2 樣機(jī)量程和陀螺精度試驗(yàn)結(jié)果

3.4 高動(dòng)態(tài)振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證

將樣機(jī)安裝在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)，考核產(chǎn)品在高動(dòng)態(tài)復(fù)雜力學(xué)環(huán)境下的適應(yīng)性。圖6所示為樣機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)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(dòng)過程中由于高分辨率加速度計(jì)通道會(huì)超過使用量程，選擇大量程加速度計(jì)通道，大小陀螺通道可同時(shí)輸出，振動(dòng)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(dòng)精度優(yōu)于大陀螺，表明其動(dòng)態(tài)環(huán)境適應(yīng)性更好。此外，結(jié)果表明，在低動(dòng)態(tài)環(huán)境下，大小陀螺可以作為冗余設(shè)計(jì)，提升了慣導(dǎo)的可靠性。

圖6 樣機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)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(jī)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

3.5 動(dòng)態(tài)跑車試驗(yàn)驗(yàn)證

為考核雙通道光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)樣機(jī)的導(dǎo)航精度，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)跑車試驗(yàn)。試驗(yàn)選擇孝感某路線相對(duì)較直的東西路段和南北路段，距離為5～10km。試驗(yàn)前，準(zhǔn)備試驗(yàn)車、工裝、樣機(jī)、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(yàn)實(shí)物如圖7所示。

圖7 跑車試驗(yàn)實(shí)物圖Fig.7 Physical diagram of vehicle test

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

表4 跑車試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

針對(duì)光纖陀螺慣導(dǎo)精度和動(dòng)態(tài)性能相互矛盾的問題，本文從實(shí)際應(yīng)用需求出發(fā)，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在自對(duì)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(dòng)態(tài)性能要求不高，而在導(dǎo)航模式下，產(chǎn)品動(dòng)態(tài)性能要求高，精度要求相對(duì)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(duì)基本原理、系統(tǒng)組成的介紹和樣機(jī)研制、試驗(yàn)驗(yàn)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(jì)思路。