慣性導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1、光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)The Fiber Optical Gyroscope Strap-down InertialNavigation System中文摘要光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、動(dòng)態(tài)范圍寬等特點(diǎn)，在導(dǎo)航領(lǐng)域里深受關(guān)注，并且正在迅速發(fā)展。光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)在于光纖陀螺慣性測(cè)量組件的硬件設(shè)計(jì)、初始對(duì)準(zhǔn)技術(shù)以及光纖陀螺慣性測(cè)量組件的測(cè)試與誤差標(biāo)定技術(shù)。【關(guān)鍵詞】光纖陀螺 慣性導(dǎo)航 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)AbstractThe Strap-down Inertial Navigation System (SINS) can provide locati

2、on and attitude. It has inertial sensors combined on the body, including gyros and accelerometers. And an on-board computer realizes the navigation algorithm. The mainstream of recent navigation sensor research is that about gyros without rotor. While in comparison with ring laser gyro or fiber opti

3、cal gyro, hemispherical resonator gyro (HRG) is competitive due to the optimum cost VS degree of required accuracy, reliability and longevity.Key words: Fiber Optical Gyroscope; Inertial navigation; Strap-down Navigation System一、慣性技術(shù)的發(fā)展（一）慣性技術(shù)的重要性慣性技術(shù)是對(duì)載體進(jìn)行導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)之一，慣性技術(shù)是利用慣性原理或其它有關(guān)原理，自主測(cè)量和控制運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)過(guò)程

4、的技術(shù)，它是慣性導(dǎo)航、慣性制導(dǎo)、慣性測(cè)量和慣性敏感器技術(shù)的總稱(chēng)?，F(xiàn)代慣性技術(shù)在各國(guó)政府雄厚資金的支持下，己經(jīng)從最初的軍事應(yīng)用滲透到民用領(lǐng)域。慣性技術(shù)在國(guó)防裝備技術(shù)中占有非常重要的地位。對(duì)于慣性制導(dǎo)的中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈，一般說(shuō)來(lái)命中精度70%取決于制導(dǎo)系統(tǒng)的精度。對(duì)于導(dǎo)彈核潛艇，由于潛航時(shí)間長(zhǎng)，其位置和速度是變化的，而這些數(shù)據(jù)是發(fā)射導(dǎo)彈的初始參數(shù)，直接影響導(dǎo)彈的命中精度，因而需要提供高精度位置、速度和垂直對(duì)準(zhǔn)信號(hào)。目前適用于潛艇的唯一導(dǎo)航設(shè)備就是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航完全是依靠運(yùn)載體自身設(shè)備獨(dú)立自主地進(jìn)行導(dǎo)航，不依賴(lài)外部信息，具有隱蔽性好、工作不受氣象條件和人為干擾影響的優(yōu)點(diǎn)，而且精度高。對(duì)于遠(yuǎn)程巡航導(dǎo)

5、彈，慣性制導(dǎo)系統(tǒng)加上地圖匹配技術(shù)或其它制導(dǎo)技術(shù)，可保證它飛越幾千公里之后仍能以很高的精度擊中目標(biāo)。慣性技術(shù)己經(jīng)逐步推廣到航天、航空、航海、石油開(kāi)發(fā)、大地測(cè)量、海洋調(diào)查、地質(zhì)鉆控、機(jī)器人技術(shù)和鐵路等領(lǐng)域，隨著新型慣性敏感器件的出現(xiàn)，慣性技術(shù)在汽車(chē)工業(yè)、醫(yī)療電子設(shè)備中都得到了應(yīng)用。因此慣性技術(shù)不僅在國(guó)防現(xiàn)代化中占有十分重要的地位，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中也日益顯示出它的巨大作用。（二）慣性技術(shù)的發(fā)展從廣義上講從起始點(diǎn)將航行載體引導(dǎo)到目的地的過(guò)程統(tǒng)稱(chēng)為導(dǎo)航。從狹義上講導(dǎo)航是指給航行載體提供實(shí)時(shí)的姿態(tài)、速度和位置信息的技術(shù)和方法。早期人們依靠地磁場(chǎng)、星光、太陽(yáng)高度等天文、地理方法獲取定位、定向信息，隨著科

6、學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航等技術(shù)相繼問(wèn)世，在軍事、民用等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。其中，慣性導(dǎo)航是使用裝載在運(yùn)載體上的陀螺儀和加速度計(jì)來(lái)測(cè)定運(yùn)載體姿態(tài)、速度、位置等信息的技術(shù)方法。實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航的軟、硬件設(shè)備稱(chēng)為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)慣導(dǎo)系統(tǒng)。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Strap-down Inertial Navigation System，簡(jiǎn)寫(xiě)SINS)是將加速度計(jì)和陀螺儀直接安裝在載體上，在計(jì)算機(jī)中實(shí)時(shí)計(jì)算姿態(tài)矩陣，即計(jì)算出載體坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的關(guān)系，從而把載體坐標(biāo)系的加速度計(jì)信息轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航坐標(biāo)系下的信息，然后進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算。由于其具有可靠性高、功能強(qiáng)、重量輕、成本低、精度高以及使用靈活等

7、優(yōu)點(diǎn)，使得SINS已經(jīng)成為當(dāng)今慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的主流。捷聯(lián)慣性測(cè)量組件(Inertial Measurement Unit，簡(jiǎn)寫(xiě)IMU)是慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心組件，IMU的輸出信息的精度在很大程度上決定了系統(tǒng)的精度。陀螺儀和加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中不可缺少的核心測(cè)量器件?，F(xiàn)代高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)所采用的陀螺儀和加速度計(jì)提出了很高的要求，因?yàn)橥勇輧x的漂移誤差和加速度計(jì)的零位偏值是影響慣導(dǎo)系統(tǒng)精度的最直接的和最重要的因素，因此如何改善慣性器件的性能，提高慣性組件的測(cè)量精度，特別是陀螺儀的測(cè)量精度，一直是慣性導(dǎo)航領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。陀螺儀的發(fā)展經(jīng)歷了幾個(gè)階段。最初的滾珠軸承式陀螺，其漂移速率為(l-2)&#

8、176;/h，通過(guò)攻克慣性?xún)x表支撐技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的氣浮、液浮和磁浮陀螺儀，其精度可以達(dá)到0.001°/h，而靜電支撐陀螺的精度可優(yōu)于0.0001°/h。從60年代開(kāi)始，撓性陀螺的研制工作開(kāi)始起步，其漂移精度優(yōu)于0.05°/h量級(jí)，最好的水平可以達(dá)到0.001°/h。1960年激光陀螺首次研制成功，標(biāo)志著光學(xué)陀螺開(kāi)始主宰陀螺市場(chǎng)。目前激光陀螺的零偏穩(wěn)定性最高可達(dá)0.0005°/h，激光陀螺面臨的最大問(wèn)題是其制造工藝比較復(fù)雜，因而造成成本偏高，同時(shí)其體積和重量也偏大，這一方面在一定程度上限制了其在某些領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用，另一方面也促使激光陀螺向低成本、

9、小型化以及三軸整體式方向發(fā)展。而另一種光學(xué)陀螺-光纖陀螺不但具有激光陀螺的很多優(yōu)點(diǎn)，而且還具有制造工藝簡(jiǎn)單、成本低和重量輕等特點(diǎn)，目前正成為發(fā)展最快的一種光學(xué)陀螺。二、光纖陀螺的發(fā)展（一）光纖陀螺原理圖-1：光纖陀螺原理示意圖光纖陀螺是基于薩格奈克（Sagnac）效應(yīng)的光纖薩格奈克干涉儀，如圖-1所示，來(lái)自光源的光束被分/合束器分成兩束光，分別從光纖圈的兩端耦合進(jìn)入光纖敏感線(xiàn)圈，沿順、逆時(shí)針?lè)较騻鞑?。從光纖線(xiàn)圈兩端出來(lái)的兩束光，在經(jīng)過(guò)分/合束器而疊加產(chǎn)生干涉。（二）光纖陀螺的發(fā)展?fàn)顩r自從1976年Vali 和Shorthil 首次提出光纖陀螺的概念以來(lái)，光纖陀螺以其無(wú)與倫比的優(yōu)點(diǎn)引起了人們極大

10、的重視和強(qiáng)烈的興趣。美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)及日本等國(guó)家先后投入了巨大的人力物力進(jìn)行理論研究和實(shí)用化開(kāi)發(fā)工作，并取得了很大的成就，角速度測(cè)量精度也由原來(lái)的幾十倍的地球自轉(zhuǎn)角速度15°/h到現(xiàn)在0.00038°/h，提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)。國(guó)內(nèi)光纖陀螺的研究也早己起步，但由于國(guó)外對(duì)光纖陀螺技術(shù)的控制，國(guó)內(nèi)光纖陀螺的研究完全立足于自己的條件。經(jīng)過(guò)多年的研究和探索已經(jīng)有各種中、低精度光纖陀螺的批量生產(chǎn)，高精度正走向?qū)嵱没?。不過(guò)與國(guó)際水平相比還存在一定的差距，在產(chǎn)品工程化方面有許多問(wèn)題急需研究和改進(jìn)，主要包括溫度、振動(dòng)、可靠性實(shí)驗(yàn)和小型化、高性?xún)r(jià)比設(shè)計(jì)等方面，同時(shí)限于半導(dǎo)體技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)光

11、纖陀螺研究單位均將研究工作集中在1330nm波長(zhǎng)段，尚無(wú)850nm波長(zhǎng)光纖陀螺的研制，相信不久的將來(lái)會(huì)一一解決。因此，國(guó)內(nèi)光纖陀螺正在努力采用新器件，發(fā)展新技術(shù)、新工藝，根據(jù)應(yīng)用需要降低成本并且不斷開(kāi)發(fā)新品種以擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。三、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本理論（一）捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理捷聯(lián)慣導(dǎo)的基本原理:將慣性測(cè)量器件直接固連在載體上，再將其輸出通過(guò)數(shù)學(xué)平臺(tái)(又稱(chēng)捷聯(lián)矩陣之轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系的參量)，進(jìn)行導(dǎo)航解算。系統(tǒng)的慣性測(cè)量器件為角速率陀螺儀和加速度計(jì)，它們固連在載體上，測(cè)得的都是載體坐標(biāo)系下的物理量。陀螺儀輸出的是載體相對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)的角速率在載體坐標(biāo)系中的投影;加速度計(jì)測(cè)量的載體相對(duì)于慣性

12、空間的加速度載體坐標(biāo)系中的投影，該量稱(chēng)為比力。而相對(duì)于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，導(dǎo)航計(jì)算要在導(dǎo)航坐標(biāo)系中完成。因此，首先要將載體坐標(biāo)系中物理量的轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航坐標(biāo)系中的物理量，即實(shí)現(xiàn)由載體坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。這一轉(zhuǎn)換由矩陣完成，稱(chēng)為捷聯(lián)矩陣。根據(jù)該矩陣的元素可以單值地確定載體的姿態(tài)角，故又稱(chēng)之為姿態(tài)矩陣，姿態(tài)矩陣隨時(shí)間的變化不斷變化。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中的特殊問(wèn)題就是實(shí)時(shí)地求取姿態(tài)矩陣，以便提取載體姿態(tài)角以及變換比力。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)利用慣性測(cè)量器件測(cè)量載體相對(duì)于慣性空間的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并經(jīng)過(guò)計(jì)算后實(shí)施導(dǎo)航任務(wù)。具體說(shuō)是由加速度計(jì)測(cè)量載體的加速度，并在給定運(yùn)動(dòng)初始條件下，由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)計(jì)算出載體的速度、距離和位置(

13、經(jīng)度、緯度):由陀螺儀測(cè)量載體的角運(yùn)動(dòng)，并經(jīng)轉(zhuǎn)換、處理、輸出載體的姿態(tài)和航向。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)原理如圖-2所示：圖-2捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)原理（二）捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Strap-down Navigation System）是把慣性?xún)x表直接固連在載體上，用計(jì)算機(jī)來(lái)完成導(dǎo)航平臺(tái)功能的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。由于慣性?xún)x表直接連接在載體上，省去了機(jī)電式的導(dǎo)航平臺(tái)，從而給系統(tǒng)帶來(lái)了很多優(yōu)點(diǎn)：1.整個(gè)系統(tǒng)的體積、重量和成本大大降低，通常陀螺儀和加速度計(jì)只占導(dǎo)航平臺(tái)的1/7；2.慣性?xún)x表便于安裝維護(hù)，便于更換；3.慣性?xún)x表可以給出軸向的線(xiàn)加速度和角速度，這些信息是控制系統(tǒng)所需要的。和平臺(tái)式系統(tǒng)相比，捷聯(lián)

14、式系統(tǒng)可以提供更多的導(dǎo)航和制導(dǎo)信息；4.慣性?xún)x表便于采用余度配置，提高系統(tǒng)的性能和可靠性；慣性?xún)x表直接固連在載體上也帶來(lái)一些新的問(wèn)題：1.慣性?xún)x表固連在載體上，直接承受載體的震動(dòng)和沖擊，工作環(huán)境惡劣；2.慣性?xún)x表特別是陀螺儀直接測(cè)量載體的角運(yùn)動(dòng)，高性能殲擊機(jī)角速度可達(dá)400°/s，這樣陀螺的測(cè)量范圍是0.01-400°/s，如果采用機(jī)械捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，這就要求捷聯(lián)陀螺有大的施矩速度和高性能的再平衡回路；3.平臺(tái)式系統(tǒng)的陀螺儀安裝在平臺(tái)上，可以用相對(duì)于重力加速度和地球自轉(zhuǎn)加速度的任意定向來(lái)進(jìn)行測(cè)試，便于誤差標(biāo)定；而捷聯(lián)陀螺則不具備這個(gè)條件，因而系統(tǒng)標(biāo)定比較困難，從而要求捷聯(lián)陀螺

15、有更高的參數(shù)穩(wěn)定性。研制高精度的捷聯(lián)陀螺和進(jìn)行捷聯(lián)陀螺的誤差補(bǔ)償，是捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的重要關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上研究高精度的捷聯(lián)算法成為提高精度的又一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。四、光纖陀螺在捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用光纖陀螺從實(shí)驗(yàn)室到目前的部分實(shí)用化，經(jīng)歷了20年的發(fā)展過(guò)程。其間從開(kāi)環(huán)陀螺到模擬閉環(huán)，再到數(shù)字閉環(huán);檢測(cè)電路由集成器件，到大規(guī)模集成電路，再到光電一體的模塊化設(shè)計(jì)，都體現(xiàn)著光纖技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步。隨著光纖陀螺器件水平和設(shè)計(jì)的提高，光纖陀螺也越來(lái)越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。由于光纖陀螺敏感角速度的原理突破了陀螺這一古老的定義，人們期待著光纖陀螺能夠克服以往機(jī)電陀螺在應(yīng)用中的局限性，在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，特別是捷聯(lián)系統(tǒng)

16、中獲得廣泛應(yīng)用。作為慣性技術(shù)中的第三代陀螺，光纖陀螺具有機(jī)械陀螺所不具備的特點(diǎn)。光纖陀螺只需要5個(gè)元件，且主要為半導(dǎo)體和光纖器件，通過(guò)光纖傳輸來(lái)敏感角速度的變化。與機(jī)械陀螺不同，它不需要任何轉(zhuǎn)動(dòng)部件，可實(shí)現(xiàn)全固態(tài)結(jié)構(gòu)。由于光的傳輸速度及半導(dǎo)體器件的響應(yīng)速度很快，光纖陀螺可實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)。半導(dǎo)體和光纖的工藝特點(diǎn)決定了光纖陀螺很適合于批量生產(chǎn)，不同元器件及方案的簡(jiǎn)單組合可生產(chǎn)不同精度的光纖陀螺，滿(mǎn)足不同應(yīng)用背景的需求，因此光纖陀螺具有如下固有特點(diǎn):全固態(tài)結(jié)構(gòu)，可靠性高，壽命長(zhǎng);啟動(dòng)速度快，響應(yīng)時(shí)間短;測(cè)量范圍大，動(dòng)態(tài)范圍寬;抗沖擊、振動(dòng)，耐化學(xué)腐蝕;體積小，重量輕，成本低;適合大批量生產(chǎn)。捷聯(lián)系統(tǒng)的

17、特點(diǎn)是慣性組合體與載體固聯(lián)，陀螺和加速度計(jì)直接承受載體的運(yùn)動(dòng)(包括震動(dòng))，因此捷聯(lián)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差要比平臺(tái)式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差大，對(duì)敏感器件的可靠性和抗沖擊性能要求比較高。與撓性陀螺相比，光纖陀螺應(yīng)用在捷聯(lián)系統(tǒng)上有更突出的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)束語(yǔ)慣性技術(shù)集光、機(jī)、電技術(shù)于一體，其發(fā)展往往代表一個(gè)國(guó)家工業(yè)和高科技的發(fā)展水平。光纖陀螺捷聯(lián)技術(shù)是當(dāng)今世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)，同時(shí)也是慣性技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主流。美國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家的光纖陀螺捷聯(lián)技術(shù)已處于實(shí)際應(yīng)用階段，并向高精度和高可靠性方向發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)的光纖陀螺的研制水平和國(guó)外相比還有較大的差距。同時(shí)，國(guó)產(chǎn)的慣導(dǎo)系統(tǒng)在可靠性、可維修性、精度等方面與國(guó)外相比也有很大的差距，光纖

18、陀螺捷聯(lián)系統(tǒng)在艦船上的應(yīng)用還處于起步階段，國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)到有光纖陀螺捷聯(lián)系統(tǒng)在艦船上的應(yīng)用報(bào)導(dǎo)。國(guó)內(nèi)光纖陀螺技術(shù)經(jīng)過(guò)“八五”，、“九五”的攻關(guān)，在精度、動(dòng)態(tài)性能、工程化等方面取得了較大的進(jìn)步，但是要實(shí)現(xiàn)型號(hào)應(yīng)用和批量化生產(chǎn)，還要解決很多的工程問(wèn)題。光纖陀螺工程化應(yīng)用主要包括溫度、振動(dòng)、可靠性等方面。其中FOG的溫度特性是制約其走向?qū)嵱没闹饕系K。FOG的光纖環(huán)、Y-波導(dǎo)、光源、禍合器等都受溫度影響。要克服溫度影響，在結(jié)構(gòu)、工藝上的研究及電路上進(jìn)行修正和補(bǔ)償是硬件上努力的方向，另外開(kāi)展光纖陀螺的溫度建模及補(bǔ)償是軟件上努力的方向。船用垂直基準(zhǔn)在動(dòng)態(tài)武器平臺(tái)中有著廣泛的應(yīng)用，可廣泛用于船載天線(xiàn)穩(wěn)定系統(tǒng)、瞄線(xiàn)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)、艦載直升機(jī)航姿系統(tǒng)的初始定姿，以及遠(yuǎn)程魚(yú)雷、導(dǎo)彈的動(dòng)基座快速傳遞對(duì)準(zhǔn)等。應(yīng)用中等精度的光纖陀螺組成船用捷聯(lián)系統(tǒng)可以給艦船提供實(shí)時(shí)的三維姿態(tài)角信息。但是由于采用