旋轉(zhuǎn)調(diào)制光纖陀螺慣導尋北精度探索

徐海剛,郭元江，李志峰，李海軍，劉 沖

(北京自動化控制設備研究所，北京100074)

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旋轉(zhuǎn)調(diào)制光纖陀螺慣導尋北精度探索

徐海剛,郭元江，李志峰，李海軍，劉 沖

(北京自動化控制設備研究所，北京100074)

高精度尋北是旋轉(zhuǎn)調(diào)制光纖陀螺慣導實現(xiàn)高精度導航的前提，也是其技術優(yōu)勢的體現(xiàn)。針對當前旋轉(zhuǎn)調(diào)制光纖陀螺慣導在快速高精度尋北中遇到的問題，對其尋北精度極限進行了深入研究，梳理出4項最主要的影響因素，對其影響機理、誤差模型、量級進行了深入的分析，并通過樣機試驗進行了驗證。結(jié)果表明，盡管隨機游走系數(shù)是制約尋北精度極限的最終因素，但陀螺刻度系數(shù)誤差、擾動速度、航向效應等誤差處理不好，將嚴重影響旋轉(zhuǎn)調(diào)制尋北精度；通過采取措施，高精度光纖陀螺旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣導5min尋北精度已達到35″(3σ)，進一步提高精度的措施正在研究中。

尋北精度極限;旋轉(zhuǎn)調(diào)制;光纖陀螺;隨機游走;航向效應

0 引言

光纖陀螺在工程應用上具有全固態(tài)、環(huán)境適應性強、制造簡單等特點；光纖陀螺慣導系統(tǒng)已開始在陸海空天各個領域的武器中獲得大量應用[1-3]。隨著國內(nèi)對旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術研究的不斷深入，人們逐漸認識到，旋轉(zhuǎn)調(diào)制光纖陀螺慣導能夠充分發(fā)揮光纖陀螺隨機游走系數(shù)的優(yōu)勢[4]，同時抑制其零位漂移對溫度較為敏感的不足，有望實現(xiàn)高精度的尋北和導航，滿足未來遠程導彈、長航時艦艇、導彈發(fā)射車等武器裝備對高精度、快反應、小體積慣導系統(tǒng)的需求，為此，國內(nèi)開展了大量的相關研究[5-7]。

尋北是實現(xiàn)高精度導航的第一步。在研制旋轉(zhuǎn)調(diào)制光纖陀螺慣導系統(tǒng)的過程中發(fā)現(xiàn)，盡管樣機的旋轉(zhuǎn)調(diào)制尋北性能體現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢，但并未達到理論上的精度極限；為此，進行了全面深入的分析、改進和試驗，有效地提高了尋北的精度，為下一步的工作奠定基礎。

1 樣機情況及問題

旋轉(zhuǎn)調(diào)制光纖陀螺慣導系統(tǒng)在對準過程中，陀螺常值漂移以及受溫度影響緩慢變化的漂移都可被調(diào)制平均，只有隨機游走噪聲不受調(diào)制作用，是理論上影響尋北精度極限φu ss的因素，通過分析，其關系可表示為

(1)

為進一步驗證旋轉(zhuǎn)調(diào)制光纖陀螺慣導的性能潛力，研制了單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制光纖慣導樣機，該樣機由光纖陀螺、石英撓性加速度計、旋轉(zhuǎn)機構、導航計算機、二次電源組成。其中，光纖陀螺和加速度計的主要技術指標分別如表1和表2所示。

表1 光纖陀螺性能指標Tab.1 The accuracy of FOG

表2 加速度計性能指標Tab.2 The accuracy of accelerometer

這里主要研究5min的尋北精度。根據(jù)式(1)，該樣機理論上5min尋北精度優(yōu)于15″(3σ)。采用國軍標定位定向系統(tǒng)定向精度測試方法，在轉(zhuǎn)臺上對樣機進行了八位置尋北試驗。其中，某次尋北過程中航向角的變化曲線如圖1所示，八位置尋北結(jié)果如表3所示。

圖1 航向?qū)是€Fig.1 The heading of alignment

轉(zhuǎn)臺方位尋北誤差轉(zhuǎn)臺方位尋北誤差0°-38.2″180°65.4″45°-49.1″225°27.9″90°11.1″270°-5.8″135°30.4″315°-70.9″

由圖1可見，在單次尋北過程中，航向角中存在周期性的波動，峰峰值可達240″(約0.07°)；由表3可見，八位置尋北最大誤差可達71″；樣機的尋北精度遠遠沒有達到預期的精度極限(15″)。因此，需要對影響尋北精度的所有因素進行分析，從而進一步改進設計，逐步逼近尋北極限精度。

2 影響因素分析

通過誤差分析可知，影響尋北精度的主要因素包括以下四種：隨機游走、陀螺刻度系數(shù)誤差、擾動速度誤差、航向效應誤差。隨機游走的影響已經(jīng)分析，下面逐一分析其他三項的影響。

2.1 陀螺刻度系數(shù)誤差

陀螺刻度系數(shù)誤差會影響角運動測量的精度，特別是在旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣導系統(tǒng)中，陀螺刻度系數(shù)誤差會造成旋轉(zhuǎn)調(diào)制角速度測量不準，從而影響航向?qū)屎秃较蚪墙庹{(diào)輸出精度。

陀螺的刻度系數(shù)一般有對稱性誤差和不對稱性誤差兩類。對稱性誤差造成旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣導系統(tǒng)中航向角誤差與轉(zhuǎn)動角度成正比，故單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣導系統(tǒng)一般采用繞垂向軸進行正反往復旋轉(zhuǎn)的調(diào)制方案；當IMU繞垂向軸正向旋轉(zhuǎn)360°時航向角誤差逐漸增大，當轉(zhuǎn)回0°時減小為0；所以，對稱性誤差造成航向角誤差以旋轉(zhuǎn)周期上下波動，均值為0；不對稱性誤差會導致IMU轉(zhuǎn)回0°時航向角誤差不能回到0，當持續(xù)往復旋轉(zhuǎn)時，航向角誤差除了周期性波動外，還會持續(xù)增大。

通過測試發(fā)現(xiàn)，光纖陀螺的刻度系數(shù)主要以對稱性誤差為主，且受溫度變化影響很大，在-40～65℃范圍內(nèi)可達2×10-3左右；不對稱性誤差很小。對系統(tǒng)進行了溫度試驗，刻度系數(shù)誤差與溫度的關系如圖2所示，在溫度為25～45℃的刻度系數(shù)變化為5×10-4，可造成航向角解調(diào)誤差波動最大可達0.18°，將極大的影響航向?qū)示?，因此需要對刻度系?shù)誤差進行溫度標定和補償。

圖2 補償前刻度系數(shù)與溫度的關系Fig.2 The relationship of scalar and temperature

采用二階溫度模型來擬合補償對稱刻度系數(shù)，即設對稱刻度系數(shù)K為

K=a1T2+a2T+a3

(2)

式中，T為溫度；a1、a2、a3分別為擬合參數(shù)。

圖3為擬合補償后的刻度系數(shù)與溫度的關系。可見在溫度為25～45℃范圍內(nèi)，刻度系數(shù)波動小于1×10-5，對應的航向角誤差波動可縮小至13″。

圖3 補償后刻度系數(shù)與溫度的關系Fig.3 The relationship of scalar and temperature after compensation

2.2 擾動速度誤差

根據(jù)慣導的誤差原理，慣導一般采用觀測北向速度誤差來估計航向角誤差，從而實現(xiàn)航向?qū)?，因此，對準過程中的擾動速度會直接影響航向?qū)示然蜓娱L對準時間，而消除擾動速度則可提高對準精度并縮短對準時間。航向誤差φu對北向速度δVn的影響可表示為

(3)

式中，g為地球重力加速度；t為時間。由式(3)可知，當對準時間為300s時，若需航向?qū)示葹?5″，則相應的擾動速度應小于0.0006m/s。

造成擾動速度誤差的因素主要包括速度桿臂、軸系晃動、基座穩(wěn)定度等。其中，速度桿臂為主要影響因素。產(chǎn)生速度桿臂的原因是慣導測量中心與實際轉(zhuǎn)動中心不重合。圖4為補償桿臂前后的北向速度量測信息，圖5為補償前后的航向?qū)式Y(jié)果?？梢娢囱a償桿臂的速度波動較大，導致航向收斂速度較慢；補償后速度誤差可達0.002m/s，相應的航向?qū)收`差可達15″。

圖4 桿臂補償前后的北向速度量測值對比Fig.4 The comparison of north velocity after lever arm effect compensation

圖5 桿臂補償前后的航向?qū)式Y(jié)果對比Fig.5 The comparison of heading after lever arm effect compensation

2.3 航向效應

航向效應是指在旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣導(或平臺慣導)中，IMU在不同的轉(zhuǎn)動位置時慣性儀表誤差也隨之改變；當進行旋轉(zhuǎn)調(diào)制時，隨著IMU的轉(zhuǎn)動，陀螺、加速度計中存在呈周期性變化的分量。由旋轉(zhuǎn)調(diào)制的原理可知，這一類誤差不但不能被調(diào)制，反而會因整流效應在機體系表現(xiàn)出常值誤差來，嚴重影響慣導的對準精度。

航向效應的影響因素很多，如外界磁場對系統(tǒng)影響、旋轉(zhuǎn)機構磁場的影響、系統(tǒng)內(nèi)部熱場變化的影響。光纖陀螺漂移易受磁場影響，當IMU在不同方向時，外界磁場對系統(tǒng)的切割方式也不相同，陀螺漂移會隨航向不同而變化，是引起旋轉(zhuǎn)調(diào)制光纖慣導航向效應的主要原因。

為減小航向效應，需要深入分析內(nèi)在的影響因素，有針對性的采取措施。例如，針對磁場的影響，需要在陀螺、IMU、電機等處進行磁屏蔽，消除作用到陀螺上的磁場；針對熱場的影響，需要改進系統(tǒng)熱設計，使系統(tǒng)內(nèi)部熱量分布盡量均勻，同時選擇對溫度敏感性較小的慣性儀表。

3 系統(tǒng)改進情況

以上述結(jié)論為基礎，來分析圖1和表3的結(jié)果。圖1中，航向角中存在零均值、周期變化的誤差，主要原因為垂向陀螺存在刻度系數(shù)誤差；表3中，在不同的方向，航向?qū)收`差也不相同，因此，系統(tǒng)中存在航向效應誤差。

針對以上兩種影響因素，在系統(tǒng)上采取了如下措施：一是對電機、陀螺、IMU采取了三層磁屏蔽，地磁場、電機磁場導致的航向效應誤差減小到0.001(°)/h以下；二是對系統(tǒng)進行了溫度標定，陀螺刻度系數(shù)誤差減小到1×10-5以下。對改進后的系統(tǒng)再次進行對準試驗，一次試驗的航向角曲線如圖6所示，轉(zhuǎn)臺八位置尋北的結(jié)果如表4所示。

圖6 改進后航向?qū)是€Fig.6 The heading of alignment after improvement

尋北位置精度尋北位置精度0°32.1″180°25.4″45°24.3″225°17.9″90°-18.1″270°-5.8″135°10.5″315°-30.9″

對比圖6、表4與圖1、表3可見，改進后航向?qū)蔬^程中誤差波動小于30″，遠小于改進前的240″；改進后八位置尋北的最大誤差小于35″，比原來的71″減小一半；改進后的對準精度得到了有效的提升。

盡管如此，從圖6和表4可以看出，當前的尋北精度還未達到理論上的極限15″，還有其他的因素在影響對準精度。某次尋北過程中的速度誤差曲線如圖7所示，可見，存在約0.002m/s的擾動速度，通過式(3)計算，認為這是導致對準精度達不到極限的主要因素，需要進一步予以補償；系統(tǒng)目前正在開展這一工作，初步分析認為，三個加速度計組合的尺寸效應誤差、旋轉(zhuǎn)機構的回轉(zhuǎn)誤差是造成速度誤差擾動的主要原因。

圖7 對準過程速度誤差結(jié)果Fig.7 The velocity error of alignment

4 結(jié)論

本文針對旋轉(zhuǎn)調(diào)制光纖陀螺慣導的尋北精度潛力進行了探索研究，研制了試驗樣機進行實際驗證；給出了樣機對準功能調(diào)制過程中出現(xiàn)的典型問題，指出了影響對準精度的主要誤差源，并深入分析了影響機理，給出了處理措施，目前5min對準精度達到35″；后續(xù)將采取措施處理相關的誤差源以進一步提高精度。

通過上述工作可見，旋轉(zhuǎn)調(diào)制光纖陀螺慣導能夠快速實現(xiàn)高精度，且具有很高的尋北精度潛力；隨著國內(nèi)光纖陀螺技術的成熟和旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術研究的不斷深入，旋轉(zhuǎn)調(diào)制光纖陀螺慣導有望成為新一代高精度慣導的典型方案。

[1] 吳亮華, 鄭辛.高精度激光捷聯(lián)慣導行進中方位對準技術[J]. 戰(zhàn)術導彈控制技術,2008, (1): 73-78.

[2] 王世光, 王振軍. 陸用定位定向與尋北儀技術應用現(xiàn)狀[J].戰(zhàn)術導彈控制技術,2010,27(2)：14-17.

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[6] 劉勇,蔡體箐,芶志平,宋軍.旋轉(zhuǎn)光纖陀螺捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)[J].壓電與聲光,2009,31(3):315-318.

[7] 周斌, 王巍, 何小飛.旋轉(zhuǎn)式光纖陀螺慣導系統(tǒng)隨機誤差抑制技術[J].北京航空航天大學學報,2013, 39(9):1204-1207.

Research on North-seeking Precision Limit of Rotation-modulating FOG-SINS

XU Hai-gang，Guo Yuan-jiang,LI Zhi-feng,LI Hai-jun,LIU Chong

(Beijing Automatic Control and Equipment Institute ,Beijing 100074,China)

The premise of rotation-modulating FOG-SINS achieving high accuracy navigation is high precision north-seeking, which is the embodiment of technical advantage. Aiming at the problem of quick and high accuracy north-seeking with rotation-modulating FOG-SINS,we study deeply on the precision limit of north-seeking. Four main influence factors are carded.We analyze deeply the influencing mechanism, error model and magnitude. A validation is made with test prototype. The result shows that though random walk is the final factor to restrict north-seeking precision limit, it will confine the precision a lot if gyroscopes scale factor error, perturbation velocity and heading effect cannot be dealed well. Through taking measures, the north-seeking precision of high accuracy rotation-modulating FOG-SINS can reach 35″ within 5min.

North-seeking precision limit; Rotation-modulation; FOG; Random walk; Heading effect

2015 - 3 - 23；

2015 - 4 - 15。

徐海剛(1979 - )，男 ，高級工程師，主要從事導航、制導與控制方面的研究。

E-mail:buaaxuhg@126.com

U666.1

A

2095-8110(2015)03-0011-05