双通道光纤陀螺捷联惯导的设计与实现

张阳艳，李星善，胡华峰，施丽娟，丰 彪，邓卫林，徐孔赞

(1.湖北航天技术研究院总体设计所，武汉 430040； 2.湖北三江航天红峰控制有限公司，孝感 432000)

0 引言

光纤陀螺惯导具有全固态、寿命长、可靠性高、隐蔽性好、自主性高等优点，被广泛应用于航空、航天、航海及武器装备领域[1-3]。随着技术的进一步发展，对光纤陀螺惯导系统提出了更高的要求，一方面，要求精度越来越高，从战术级、导航级向战略级转变[4-5]；另一方面，要求动态性能越来越好，能适应各种复杂的振动、冲击等恶劣环境[6-7]。但是，随着精度的提高，动态性能将下降，严重制约了光纤陀螺惯导系统的应用。

为解决这一问题，文献[8]提出了一种基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)陀螺辅助的增大闭环光纤陀螺动态范围的方法，利用MEMS陀螺输出信息，判断闭环光纤陀螺输出对应的干涉条纹级数，修正闭环光纤陀螺输出，从而提高其动态范围。该方法需要提前完成MEMS陀螺和主光纤陀螺安装偏差角的标定，同时由于MEMS陀螺精度较低，导致判断光纤陀螺干涉条纹级数存在误差。文献[9]提出了采用跨条纹的工作方式增大陀螺的量程，但是也存在一些不足，如必须设定陀螺的启动速率范围、陀螺所敏感的角速度也要根据陀螺的单条纹量程提前给定等。

本文提出了一种双通道光纤陀螺捷联惯导设计方案，可根据实际应用需求选择通道。在常用的惯性导航场景中，光纤陀螺惯导需要先进行自对准以获得当前的初始姿态，自对准完成后再进入导航模式。自对准模式下，产品一般处于静态或准静态，精度要求高，动态性能要求不高。导航模式下，产品动态性能要求高，精度要求相对不高。因此，通过合理选择通道，可以满足实际应用需求。

1 基本原理

1.1 光纤陀螺工作原理

光纤陀螺是基于Sagnac效应的一种全固态角速度传感器，由于数字闭环检测方案具有动态范围大、标度因数误差小等优点，是目前主流的数字闭环方案[10-12]。当光纤环转动时，输入角速率Ω在两束反向传播的光束中产生的相位差为

(1)

其中，L为光纤长度；D为光纤环直径；λ0为光源波长；c0为光传播速度。从式(1)可以看出，为提高光纤陀螺的精度，需要增大光纤环直径或增加光纤长度，但是随之带来的问题是光纤陀螺的量程缩小。光纤陀螺的单条纹量程可以用式(2)表示[9]

(2)

以某高精度光纤陀螺基本参数为例，光源波长λ0为1550nm，光纤长度L为3000m，光纤环直径D为120mm，光传播速度c0为3×108m/s，则有

(3)

从式(3)可以看出，该光纤陀螺的单条纹测量范围为±37(°)/s，不满足高动态环境使用要求。从式(2)可以看出，可以通过减少光纤长度或光纤环直径来提高测量范围。

1.2 IF转换电路工作原理

IF转换电路是基于电荷平衡的原理[13-15]，当积分电路的积分电压超过设定电压时，比较电路控制开关电路选择正恒流源或负恒流源对积分电路进行充放电，从而达到电荷平衡。逻辑控制电路将比较电路的输出和频标信号，并进行与运算，得到脉冲数的输出。

IF转换电路中输出量程和分辨率之间是相互矛盾的，在频标频率一定的情况下，输出量程越大，IF转换电路的标度因数越小，对应的分辨率越低。在实际测试中发现，电路设计的频标频率越高，线性度越差，因此频标频率不能无限制增加，目前比较成熟的方案频率一般不超过512kHz[16]。因此，可以设计一种双通道的IF转换电路，一路分辨率较高但是量程较小，另一路分辨率较低但是量程较大，可根据实际应用进行合理选择。

2 双通道光纤陀螺捷联惯导系统设计

2.1 系统组成

根据以上原理，本文设计了一种双通道光纤陀螺捷联惯导系统，基本组成框图如图1所示，主要由结构本体、大陀螺、小陀螺、加速度计、大陀螺采集电路、小陀螺采集电路、温度传感器、双通道IF转换电路、电源管理模块和导航计算机板等部分组成。大光纤陀螺和小光纤陀螺同时测量本体的角速度信息，加速度计测量本体的加速度信息，并分别通过陀螺采集电路和IF转换电路得到数字敏感信号送至导航计算机板。导航计算机板是惯导系统的核心控制单元，主要完成惯导的整机数据处理和通信，包括通道选择处理，陀螺、加速度计的数据采集，温度补偿功能，自对准、导航功能，以及对外通信功能。

2.2 大小光纤陀螺设计

在实际应用中选择通道时，应尽量保证2个通道的安装方位一致。加速度计部分，2个通道为共用表头，安装方位一致。陀螺部分，2个通道的安装偏差主要由光纤环决定，因此设计采用单轴双敏感环方案：大小陀螺共用一个光纤环，通过光纤长度和光纤环等效直径的不同实现大小陀螺不同的精度。光源共用多通道放大自发辐射(Amplified Spon-taneous Emission, ASE)光源，其他耦合器、Y波导、探测器及闭环处理电路部分独立设计，其组成示意图如图2所示。闭环处理电路主要包括前置放大、A/D转换、处理器、D/A转换和驱动放大等电路构成。探测器输出的电信号经过前置放大器后，再进入A/D转换器，转换为数字信号，并在数字逻辑电路内进行闭环处理，完成后将调制信号与反馈信号叠加输出到D/A转换器，并施加到Y波导上，完成闭环，闭环处理结果即为陀螺的输出。

图1 惯导系统组成原理图Fig.1 Schematic diagram of the inertial navigation system

图2 大小光纤陀螺组成示意图Fig.2 Schematic diagram of the large and small fiber optic gyroscope

2.3 双通道加速度计设计

双通道加速度计主要由双通道IF转换电路实现。传统的IF转换电路主要由恒流源、积分电路、比较电路、开关电路和逻辑控制电路等部分组成。双通道IF转换电路在传统IF转换电路的基础上，增加了电流分流和通道选择功能，其组成示意图如图3所示。电流输入信号I经过精密分流电路后得到电流I1和I2，其中I1>I2。逻辑控制电路根据外部的通道选择信号选择不同的通道，然后进行后续积分处理，输出对应通道的脉冲数。电流I1>I2，表明I1通道分辨率较高但是量程较小，I2通道分辨率较低但是量程较大，可根据实际应用进行选择。

图3 双通道IF转换电路组成示意图Fig.3 Schematic diagram of the dual-channel IF conversion circuit

2.4 软件算法设计

双通道光纤陀螺捷联惯导系统软件主要包括上电初始化、自检、状态准备、通道选择、对准和导航解算等功能，工作流程如图4所示。

1)上电后惯导先进行相关初始化，随后进入准备模式；

2)在准备模式下接收到对准指令(含导航方式：自动进入导航或者手动进入导航)后，惯导选择高精度通道(对应大陀螺和高分辨率加速度计组合)，进入对准模式；

3)在对准模式下接收到对准指令，则重新进入对准模式；

4)若为自动导航方式，在对准完成后自动选择大量程通道(对应小陀螺和大量程加速度计组合)，并进入导航模式；

5)若为手动导航方式，在对准模式下仅在接收到导航指令后才选择大量程通道，并进入导航模式；

6)在导航模式下接收到对准指令，则重新选择高精度通道，进入对准模式。

图4 惯导系统工作流程图Fig.4 Work flow chart of the inertial navigation system

惯导系统具有自对准和导航功能，并能够实时输出角速度、线加速度、速度、位置和姿态等信息。在包含阵风、发动机振动、人员上下车等环境下，陀螺仪和加速度计的输出信号中包含了因载体摆动而产生的误差信息，如果不及时补偿这种误差，将直接影响对准精度。

为提高惯导的对准精度和环境适应性，设计采用了一种新的抗扰动惯性系自对准算法。该算法针对各种扰动环境下惯性系对准时因惯性器件偏差及外界扰动带来的比力干扰导致离散化解算对准精度差的问题，通过对整个对准过程中的视速度进行多项式拟合，并利用拟合后的视速度代替容易受扰动引起跳变的单周期输出，相较于传统惯性系粗对准方案能明显提升对准精度。

为提高惯导的导航精度，综合采用了杆臂误差补偿、圆锥误差补偿、划桨误差补偿等多项补偿算法,提高了惯导的导航精度。

3 样机研制与试验验证

3.1 双通道光纤陀螺捷联惯导样机

双通道光纤陀螺捷联惯导样机实物如图5所示，惯导外形尺寸为382mm×245mm×245mm，质量小于20kg。

图5 双通道光纤陀螺捷联惯导样机实物图Fig.5 The prototype of dual-channel FOG strapdown inertial navigation system

3.2 系统级标定试验验证

双通道光纤陀螺捷联惯导样机放置于高精度双轴转台进行系统级标定试验。样机根据测试设备的控制指令进行通道选择，先选择高精度通道，进行第一次标定试验，再选择大量程通道，进行第二次标定试验，试验结果如表1所示。从表1可以看出，2个通道的安装误差偏差都在10-5量级，表明2个通道安装方位一致性很好。对比加速度计标度因数，高精度通道约为大量程通道的6倍，具有更高的分辨率。大小陀螺的零位和标度因数为独立参数，不具备对比性。

3.3 量程和陀螺精度试验验证

加速度计量程试验采用离心机测试，先选择高精度通道，依次增加离心机的转速，当发现加速度计输出为满量程时停止试验，再选择大量程通道，用同样的方法进行测试，得到样机的加速度计量程。陀螺量程试验用单轴温箱转台进行测试，测试方法类似，通过依次增加转台转速得到陀螺样机的最大量程。陀螺精度试验将样机放置于大理石平台，先选择高精度通道静态采集2h，再选择大量程通道静态采集2h，并重复多次计算重复性。试验结果如表2所示。

表1 样机系统级标定试验结果

表2 样机量程和陀螺精度试验结果

3.4 高动态振动环境试验验证

将样机安装在振动台上进行振动环境试验，考核产品在高动态复杂力学环境下的适应性。图6所示为样机振动试验减振前后响应频谱，可以看出减振效果较好，高频部分响应得到有效抑制，峰值频率集中在74Hz左右，为减振器的谐振频率。振动过程中由于高分辨率加速度计通道会超过使用量程，选择大量程加速度计通道，大小陀螺通道可同时输出，振动精度如表3所示。可以看出，大小陀螺工作正常，但小陀螺振动精度优于大陀螺，表明其动态环境适应性更好。此外，结果表明，在低动态环境下，大小陀螺可以作为冗余设计，提升了惯导的可靠性。

图6 样机振动试验减振前后响应频谱图Fig.6 Response spectrum before and after vibration absorber during vibration test

表3 样机振动试验结果

3.5 动态跑车试验验证

为考核双通道光纤陀螺捷联惯导样机的导航精度，进行了动态跑车试验。试验选择孝感某路线相对较直的东西路段和南北路段，距离为5～10km。试验前，准备试验车、工装、样机、采集设备、全球定位系统(Global Positioning System，GPS)接收设备等，跑车试验实物如图7所示。

图7 跑车试验实物图Fig.7 Physical diagram of vehicle test

跑车试验流程：惯导先预通电2min，然后选择高精度通道并启动对准，对准时间为3min，对准完成后选择大量程通道并启动导航，跑车时间在5min左右，试验中采集全程GPS信息作为基准信息。跑车试验共进行10次循环，其中东西向6次，南北向4次，试验结果如表4所示，圆概率误差(Circular Error Probability, CEP)统计结果9.5m，验证了产品的性能。

表4 跑车试验结果

4 结论

针对光纤陀螺惯导精度和动态性能相互矛盾的问题，本文从实际应用需求出发，通过试验发现,在自对准模式下，产品一般处于静态或准静态，精度要求高，动态性能要求不高，而在导航模式下，产品动态性能要求高，精度要求相对不高。因此，提出了一种双通道光纤陀螺捷联惯导系统，可根据需要灵活选择高精度通道或大量程通道。通过对基本原理、系统组成的介绍和样机研制、试验验证的考核，证明了该方案的可行性，为其他光纤陀螺惯导系统提供了新的设计思路。