慣性導(dǎo)航技術(shù)淺析

1、    慣性導(dǎo)航技術(shù)淺析    張學(xué)紅摘要：本文介紹了慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展過程并分析了主流的光纖陀螺技術(shù)和新興發(fā)展中的磁懸浮轉(zhuǎn)子陀螺技術(shù)的原理和特點。并對他們的發(fā)展前景做了簡要闡述。關(guān)鍵詞：慣性導(dǎo)航技術(shù)；光纖陀螺；原理；特點；abstract: this paper describes the development of inertial navigation technology and analyzes the principles and characteristics of the maglev rotor gyro technology in

2、the mainstream fiber optic gyro technology and emerging development. and do a brief description for the development of their prospects.key words: inertial navigation technology; fiber optic gyroscope; principle; characteristics中圖分類號：tn965.7+2文獻標(biāo)識碼：a文章編號：1引言慣性測量系統(tǒng)是一種導(dǎo)航定位技術(shù)，具有全天候、快速多能和機動靈活等優(yōu)點。為大地測量、工程

3、測量作業(yè)等提供了新的技術(shù)手段。慣性測量系統(tǒng)利用慣性導(dǎo)航的原理同時獲取多種大地測量數(shù)據(jù)，包括經(jīng)緯度、高程、方位角、重力異常和垂線偏差等。使得測量作業(yè)向自動化和全能型逐步發(fā)展。2、 光纖陀螺2.1原理光纖陀螺是基于薩格奈克效應(yīng)的新型光學(xué)陀螺，其工作原理類似于環(huán)形激光陀螺。薩格奈克效應(yīng)是一種與媒質(zhì)無關(guān)的純空間延時，從同一光源發(fā)出的光分束成兩束相同特征的光在同一閉合光路中以相反的方向傳播，最后匯聚到原來的分束點，但如果閉合光路所在平面相對于慣性空間存在轉(zhuǎn)動動作，則正反兩束光所傳播的光程將不同，于是產(chǎn)生光程差，這就是薩格奈克相移。采用多匝（n匝）的光纖光路可以增強薩格奈克效應(yīng)，加大薩格奈克相移，并使光纖

4、陀螺的光路尺寸大大減小。薩格奈克相移的數(shù)學(xué)表述如下式：式中，a是光路平面的面積，是工作波長，c為光速，為垂直于光路所在平面的轉(zhuǎn)動角速度?？梢?，當(dāng)波導(dǎo)幾何參數(shù)和工作波長確定后，相位差的大小便只與系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的速度有關(guān)，這就是用光纖陀螺檢測轉(zhuǎn)動角速度的工作原理。光纖陀螺的分類按其結(jié)構(gòu)和原理可分為干涉式光纖陀螺（i-fog）、諧振式光纖陀螺（r-fog）、光纖型環(huán)形激光陀螺（frlg）、布里淵光纖陀螺（b-fog）。而i-fog按結(jié)構(gòu)分類又可分為開環(huán)和閉環(huán)兩種，還按其相位解調(diào)方式分類等。表征光纖陀螺的性能優(yōu)劣主要是輸入動態(tài)范圍、精度、標(biāo)度因數(shù)、偏置漂移等參數(shù)。根據(jù)不同的實際應(yīng)用性能需求，如今己發(fā)展出以下

5、4種主要的干涉式光纖陀螺結(jié)構(gòu)。（l）開環(huán)全保偏光纖陀螺：精度低、成本低，早期采用模擬電路，現(xiàn)己基本采用數(shù)字信號處理，漂移率也提高到1°/h左右。（2）開環(huán)單模消偏光纖陀螺：精度低、低成本，采用消偏器，采用處理電路基本和上一種相似，性能稍好于前一種。（3）閉環(huán)全保偏光纖陀螺：精度高（可達到10-a。/h） ,高成本，采用數(shù)字電路，卞要應(yīng)用于空間技術(shù)、軍事應(yīng)用和科學(xué)研究。（4）閉環(huán)單模光纖陀螺：成本相對前一種光纖陀螺低，精度高（可達到0. 0035 /h），采用特殊消偏技術(shù)，數(shù)字電路，制作難度大。2.2 特點光纖陀螺與以往陀螺儀（如傳統(tǒng)的機械陀螺）相比，具有無機械轉(zhuǎn)動部件，靈敏度高等特點

6、；與環(huán)形激光陀螺儀相比，它不需要光學(xué)腔的精密加工，不需要機械偏置和高壓，容易制造，易于集成，壽命更長；而與微機電式的陀螺儀相比，在技術(shù)指標(biāo)和環(huán)境適應(yīng)性上具備優(yōu)勢。因此，作為一種旋轉(zhuǎn)角速度測量儀器，光纖陀螺最大的優(yōu)點就是耐用和高性價比。光纖陀螺是眾多種陀螺中唯一的沒有活動部件，以固定狀態(tài)工作并在惡劣的環(huán)境中長壽命正常工作（上百萬小時）的陀螺，機械式陀螺和激光陀螺不可能達到這些要求。3、磁懸浮轉(zhuǎn)子陀螺3.1 超導(dǎo)陀螺在磁場中一個超導(dǎo)體只要處于超導(dǎo)態(tài)，則它內(nèi)部產(chǎn)生的磁化強度與外磁場完全抵消，從而內(nèi)部的磁感應(yīng)強度為零。也就是說，超導(dǎo)體具有完全抗磁性，這一現(xiàn)象被稱為meissner（梅西納)效應(yīng)。此時，

7、靠近超導(dǎo)體表面，磁場的磁力線與超導(dǎo)體表面嚴(yán)格平行。對超導(dǎo)體表面的任一點，磁場產(chǎn)生的對超導(dǎo)體的作用力將與該點處的超導(dǎo)體表面垂直。利用超導(dǎo)meissner效應(yīng)可以實現(xiàn)超導(dǎo)磁懸浮。超導(dǎo)陀螺磁懸浮系統(tǒng)如圖3所示，超導(dǎo)轉(zhuǎn)子、球形腔、外部磁場和形成磁通路的超導(dǎo)體形成了超導(dǎo)陀螺的支承系統(tǒng)。陀螺儀置于超低溫（材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下)環(huán)境中，將線圈通電，產(chǎn)生的磁場激起超導(dǎo)體中的電流，產(chǎn)生強大磁場。由于超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的完全抗磁性，該磁場會對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生斥力，這些斥力構(gòu)成的合力，將轉(zhuǎn)子支承于其中心。處于懸浮狀態(tài)的轉(zhuǎn)子在殼體內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生陀螺效應(yīng)。由于超導(dǎo)性，超導(dǎo)體中的電流一經(jīng)激起，便會永不消失，因此超導(dǎo)陀螺具有能耗少的優(yōu)點

8、；且超導(dǎo)線圈的磁場比較穩(wěn)定，因此超導(dǎo)懸浮的可靠性很高；轉(zhuǎn)子懸浮，克服了摩擦力對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的影響，轉(zhuǎn)子可以達到更高的轉(zhuǎn)速和更少的磨損，因此超導(dǎo)陀螺具有精度高、損耗少的優(yōu)點。但是，就目前來說，存在很多問題限制了它的發(fā)展和應(yīng)用。首先由于超導(dǎo)效應(yīng)的產(chǎn)生需要超低溫，超導(dǎo)陀螺必須工作在超低溫環(huán)境中，這是超導(dǎo)陀螺面臨的最大困難。高溫超導(dǎo)材料的研究成為超導(dǎo)陀螺發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵所在。目前超導(dǎo)陀螺的應(yīng)用僅僅局限在宇航等高科技領(lǐng)域。其次加工精度要求高，超導(dǎo)陀螺對轉(zhuǎn)子和球形腔的非球性有嚴(yán)格要求，應(yīng)將其控制在0.5以內(nèi)。最后，雖然超導(dǎo)陀螺的支承系統(tǒng)有自動定中功能，但外作用力會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生無阻尼振蕩.應(yīng)使用轉(zhuǎn)子偏移控制系統(tǒng)來

9、減輕外力的影響，并采用減少轉(zhuǎn)子問隙、增大超導(dǎo)線圈的磁通等力一式增加其懸浮剛度。圖3超導(dǎo)陀螺的支撐系統(tǒng)3.2 磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺微機械陀螺是隨著mems技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新型陀螺。它具有體積小、重量輕、功耗低、抗過載能力和可靠性高、能適用于較為惡劣的環(huán)境條件等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于汽車安全、電子玩具運動設(shè)備、振動監(jiān)控、gps系統(tǒng)、機器人控制等民用領(lǐng)域，同時也是航空、航天等領(lǐng)域運載器控制系統(tǒng)或慣性導(dǎo)航、制導(dǎo)系統(tǒng)必不可少的重要敏感器件。日前的研究主要集中在微機械振動陀螺，它是利用振動質(zhì)量被基座帶動旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的哥氏加速度來對角速度進行測量的。由于木身固有的正交耦合誤差以及微加工技術(shù)中存在的一些困難，振動

10、式微陀螺的精度很低，漂移精度停留在10 100/h的水平，尚無法達到普通陀螺的精度。如果將電磁懸浮技術(shù)和mems技術(shù)結(jié)合起來，利用電磁懸浮技術(shù)使陀螺微轉(zhuǎn)子和襯底分開，同時利用mems技術(shù)使陀螺微型化和平面化，可望制成一種高性能的微陀螺。同振動式微陀螺相比具有以下優(yōu)點：（1）精度高?？梢垣@得很高的轉(zhuǎn)速，具有很高的精度。（2）帶寬和靈敏度調(diào)整方便。懸浮系統(tǒng)的有效彈性常數(shù)只與施加的電磁力有關(guān)，只需調(diào)整電磁力的人小，便可能動地調(diào)整帶寬和靈敏度（3）可以實現(xiàn)多軸測量。懸浮的轉(zhuǎn)子具有較高的自由度，可以同時測量兩軸角速度和二軸線加速度。使用兩個位置正交的陀螺儀便可構(gòu)成一個完整的慣性測量系統(tǒng)，大大降低器件的尺寸和研制成本。6參考文獻1周世