光纤陀螺旋转惯导系统误差抑制技术

第1章绪论 本章主要对旋转惯性导航（简称惯导）系统的发展和研究现状进行概述。*先，分别从国内和国外两个角度阐述光纤陀螺仪（简称光纤陀螺）的发展历程。然后，在此基础上，引出以美国为重点的光纤陀螺旋转惯导系统的研究现状。*后，重点从惯性器件误差分析与建模、系统误差参数的标定方法研究、系统误差分析与建模、系统误差补偿与校正四个方面分析现在旋转惯导技术的主要理论、研究方向及进展，并对本书的主要工作进行概述。 惯导技术利用安装在载体上的惯性器件来测定载体相对于惯性空间的线运动和角运动参数，在给定的初始条件下根据牛顿（Newton）运动定律及测定的运动参数来推算载体的速度、姿态和位置等运动信息，是一种完全自主的导航技术[1]。惯导系统工作既不需要接收外界信息，也不会向外界辐射能量，其隐蔽性好，工作不受环境条件限制。因此，惯导系统在航天、航空和航海领域得到了广泛应用。 惯导系统利用陀螺仪和加速度计输出进行导航解算，需进行相应的积分运算和处理，积分过程使得系统误差在各误差源作用下随时间振荡或累积[2]，从而制约系统精度。不同的应用领域和工作环境对惯导系统的精度要求也不相同。应用于航空、航天领域的惯导系统，导航时间较短，同时容易获得其他导航信息进行融合实现组合导航，因此对系统的纯惯性精度要求相对宽松，但载体空间小、高动态的特点对惯导系统的可靠性、体积和质量要求高。而应用于航海领域的惯导系统，其工作时间长（一般为几天甚至十几天），工作环境受限（水下载体无法接收外界信息），因此对系统的纯惯性精度要求极高。 按系统结构和工程实现形式不同，惯导系统分为平台式和捷联式两种。平台式惯导系统精度高，器件动态条件小，但成本高，结构复杂。捷联式惯导系统组成简单，可靠性好，但精度低，器件工作环境恶劣[3]。军用惯导系统1984年以前全部为平台式惯导系统。捷联式惯导系统的发展滞后主要原因在于：系统对惯性器件的动态范围和精度要求高，系统计算量大。光纤陀螺的成熟极大地推动了捷联式惯导系统的发展，同时，计算机技术的发展解除了计算的限制。光纤陀螺具有可靠性高、动态范围广、启动迅速、标度因数稳定性好等一系列优点，特别适合应用于捷联式惯导系统。因此，光纤陀螺惯导系统迅速成为各国研究的重点。1994 年，美国海军惯导系统90%以上采用捷联式结构。 目前，我国已有多种激光陀螺捷联式惯导系统成功应用于航空领域，但就光纤陀螺自身精度而言，仍难以满足高精度长航时舰船惯导系统应用需求。因此，如何提高惯导系统长航时的系统精度已经成为我国海军船用惯导系统研究面临的突出问题。基于旋转调制技术的船用激光陀螺惯导技术在近几年受到国内重视，多家单位相继研制了系统原理样机，部分系统进行了湖试、海试试验[4]。由于在现有技术条件下的精度优势，目前国内的船用旋转惯导系统样机均采用激光陀螺作为角速率敏感器件。不同于激光陀螺，光纤陀螺利用光纤环代替激光谐振腔，通过增加光纤环的匝数来提高光的传播路程，同时用检测光传播的相位差代替频率差。从原理上讲，光纤陀螺因增加了光路传播长度而更具精度潜力。同时，光纤陀螺全固态、高可靠性的优势使得其非常适用于旋转惯导系统，光纤陀螺旋转惯导系统有可能成为满足我国海军长航时、高精度导航定位需求的主要技术途径，因此成为目前国内外惯性技术研究的前沿和热点方向。 1.1 光纤陀螺的发展历程 1913年，法国人萨奈克（Sagnac）发现了萨奈克效应[5]，由此奠定了光纤陀螺的理论基础[6]。20世纪60年代，激光技术的出现使得光纤陀螺的研究突飞猛进[7]。1963年，Macek等[8]*次提出了环形激光陀螺的概念。1975年，Vali等[9]*次提出了光纤陀螺的构想。1976年，美国犹他州立大学采用分立元件制成了世界上**台光纤陀螺，其分辨率为 。光纤陀螺构想的提出到工程实践存在着一系列的技术困难，Pavlath[10]对此进行了详述。1980年，Bergh等研制出了**台全光纤陀螺试验样机，成为光纤陀螺迈向实用化的标志。 目前，具有光纤陀螺研制和生产能力的国家有美国、法国、德国、英国、俄罗斯、日本等。我国对光纤陀螺的研究起步较晚，但近年来也取得了一些可喜的成绩。 1.1.1 国外光纤陀螺的研究 目前，美国具有光纤陀螺研制的*高水平，研制单位中*具代表的有Honeywell、Northrop Grumman、Macdonald Douglas等公司。 Honeywell公司是光纤陀螺*主要的研发单位，其研制过程很大程度上代表了光纤陀螺的发展历程：1986年开始研制战术级陀螺，1991年产品精度达到要求；1989年开始研制导航级保偏陀螺，1994年获得成功，精度达到 ，随机游走系数为 ；随后研制高精度保偏陀螺，1997年产品精度达到 ，随机游走系数为 ；1993年开始研制消偏陀螺，1996年达到导航级精度；1998年开始研制高精度消偏陀螺，精度达到 ，随机游走系数为 [11]。 图1.1 ADM II光纤陀螺 20世纪90年代，Honeywell为美国军方干涉型光纤陀螺（interferometric fiber optic gyroscope，IFOG）计划（该计划旨在用光纤陀螺替代静电陀螺应用于战略核潜艇）研制了ADM I和ADM II两种高精度光纤陀螺[12]。ADM I的随机游走系数达到了 。ADM II（图1.1）为ADM I的改进型，预期目标为进一步降低随机游走系数，提高器件精度。文献[10]～[13]报道了该陀螺的研制情况。 2016年，Honeywell公司研制出新一代参考级光纤陀螺原理样机，并将参考级陀螺精度定义为陀螺零偏小于 ，随机游走系数小于 。该陀螺仪主要应用于地球相关科学的探测与研究。图 1.2 给出了该陀螺仪 1 个月的测试数据的阿伦（Allan）方差分析结果：在 1 个月的数据测试中，未补偿的零偏不稳定性小于 0.000 03 °/h，而随机游走系数约为 。Honeywell公司认为该陀螺达到了原子陀螺的随机游走系数，且具有很好的体积和工程化优势，还具有与目前*高精度的半球谐振陀螺相当的零偏不稳定性和角度白噪声水平。 Honeywell公司在光纤陀螺上的优势主要基于以下技术：①光纤长度可达到2～4 km，大功率光源保证了波长稳定性和低噪声；②利用反馈回路减少了光线光源输出光的相对强度；③采用“双斜坡”反馈方案，保证了刻度系数线性度和*大动态范围；④合理的误差抑制调制技术[14-18]。 法国光纤陀螺的研究也一直走在世界的前列，其*具代表性的研发单位为Sextant、Sagem和Ixsea公司。 20世纪70年代后期，Herve Ardittry和Herve Lefevere[19-22]发表了许多关于光纤陀螺的论文，促进了光纤陀螺技术的发展成熟。80年代后期，Photonetics公司取得了技术上的重大突破，提出的“全数字”概念为高性能的光纤陀螺研制提供了先决条件。90年代初，无制冷、波长稳定的光纤光源的出现使得产品精度进一步提高。到20世纪末，Photonetics公司对外公布的量产产品的精度达到了 。据文献[23]介绍，该公司为了配合NASA的Sofia计划，于1997年底研制了4只精度为 的光纤陀螺产品。 图1.2 参考级陀螺仪的阿伦方差曲线（1个月） 另外，德国、意大利、俄罗斯、日本也是光纤陀螺研究和生产的大国。俄罗斯的VG系列光纤陀螺应用广泛。VG951和VG910两种型号的产品已成功应用于捷联式惯性/卫星组合导航与定位系统和陀螺仪水平罗经。日本的中、低精度光纤陀螺在实用化、民用化方面卓有成效。 1.1.2 国内光纤陀螺的研究 我国在20世纪90年代开始了光纤陀螺的研究。目前，中国航天科工集团公司第三研究院第三十三所（简称三院33所）、中国航天科工集团公司第九研究院第十三研究所（简称九院13所）、中国航空工业集团有限公司西安飞行自动控制研究所（简称618所）、中国航天科工集团公司第八研究所（简称8所）、浙江大学、北京交通大学、北京航空航天大学等单位都相继开展了光纤陀螺的研制工作[24-25]。 “九五”期间，清华大学开展了光波导陀螺的研究，提出了将敏感线圈改为光纤敏感环，使双向光束在敏感环中循环传播，以减小光纤长度，这种光纤陀螺被称为循环干涉型光纤陀螺。这一改进减小了光纤敏感线圈在结构和绕制等方面的难度，降低了光纤陀螺的成本。浙江大学和Honeywell公司几乎同时发现，应用消偏技术能够提高光纤陀螺精度[26-28]。北京航空航天大学在光纤陀螺研究方面较有成效，具备了从 到 不同精度的光纤陀螺的量产能力。2009年后，北京航空航天大学与618 所进行合作以研制更高精度的产品。另外，三院33所研制的光纤陀螺已成功应用于罗经系统。除上述研制单位外，在公开信息中难以了解其他单位的研究状况。由于光学器件、制造工艺、测控技术等方面的差距，我国光纤陀螺的研制水平和生产能力离欧美国家还有较大距离。 1.2 旋转惯导系统的发展 捷联式惯导系统对惯性器件精度要求高，系统长时间导航精度有限。为提高系统在有限器件精度下的性能，有研究人员[29-31]提出了在捷联式惯导系统的基础上，对系统惯性测量单元（inertial measurement unit，IMU）进行周期性旋转以调制系统和器件误差，提升系统精度，从而出现了旋转惯导系统的概念。目前，关于此类系统的表述不一，有称旋转惯导系统、旋转调制式惯导系统、旋转式惯导系统、旋转调制式捷联惯导系统等。为规范表述，本书统一称旋转惯导系统。相对于平台式惯导系统，旋转惯导系统组成简单、可靠性高、成本低；相对于捷联式惯导系统，在器件水平相当的情况下旋转惯导系统精度明显提高。 1.2.1 美国旋转惯导系统的研究 Levinson等[32-33]在讨论激光陀螺长航时的精度潜力问题时提出了旋转调制思想。随后，Sperry公司利用激光陀螺研制了单轴旋转惯导系统。与此同时，Honeywell公司采用双轴转位方案研制了SLN舰用激光陀螺导航仪。Rockwell公司研制了一种惯性组件绕舰船龙骨轴连续旋转的激光陀螺惯导系统，并于1985年进行了海上试验和鉴定。随后，美国对旋转惯导系统的研究发展迅速，至今已经研制出 WSN-5L、SLN、MARLIN、MK39、MK49、AN/WSN-7A、AN/WSN-7B等高精度系统，并分别成功装备海军水面舰艇和潜艇。系统应用单轴或双轴旋转技术后导航精度明显提高。 20世纪90年代后期，Sperry公司将单轴旋转调制方案引入捷联式MK39惯导系统，研制出MK39 Mod3C（图1.3），系统位置精度达到了 [34]。而后，又研制了采用双轴旋转的 MK49 系统。根据文献[35]报道，系统航向误差为 （95%CEP ），横摇误差为 （95%CEP），纵摇误差为 （95%CEP），系统无故障时间达到了14 400 h。 图1.3 MK39 Mod3C系统结构 而后，在MK39 Mod3C的基础上又发展了AN/WSN-7B系统，系统采用Honeywell公司的GG1320激光陀螺和单轴旋转方案，重调周期为24 h[36]；在MK49的基础之上发展了AN/WSN-7A系统[37]，如图1.4所示。系统采用双轴旋转方案，IMU定期绕横摇轴和方位轴进行180°翻转，用来消除陀螺漂移及其他误差源，转位机构还用来对系统进行自校准、隔离外界的横摇和方位运动等，系统全自主条件下能够提供14天的导航能力。 图1.4 AN/WSN-7A和AN/WSN-7B系统 由于系统精度显著提高，20世纪90年代开始，美国的旋转惯导系统系列迅速取代原有的船用惯导系统，成为多国海军舰船和潜艇的主要导航装备[37-38]。 20