《第三章光学惯性测量装置》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章光学惯性测量装置（75页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光学惯性测量与导航系统,杨功流 教授,主 讲：,Optic Inertial Measurement & Navigation System,9664，6542-823,电 话：,晁代宏 讲师,张小跃 讲师,第三章 光学惯性测量装置,3.1 光学惯性测量装置概述 3.2 光学惯性测量装置总体设计 3.3 光学惯性测量装置误差标定 3.4 光学惯性测量装置温度补偿,概述,3.1 光学惯性测量装置概述,光学惯性测量装置是以光纤/激光陀螺为角运动测量仪表，主要输出载体角加速度及加速度信息的各类惯性测量设备的统称。其主要构成形式一般有以下几类。 1）常规的光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合（Strap-d
2、own Inertial Measurement Unit，SIMU）。捷联惯性测量组合也称为惯性测量单元或惯组等，是捷联惯性导航（制导）技术的硬件基础。常规配置的光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合产品一般包含正交的3个光纤/激光陀螺和3 个加速度计，以及二次电源、信号处理与接口电路等部件，可输出三维角速度、加速度等信息。捷联惯性测量组合和捷联惯导算法结合就可构成捷联惯性导航系统（Strap-down Inertial Navigation System，SINS）。,概述,3.1 光学惯性测量装置概述,2）非常规的光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合。这类惯性测量组合也有多种类型，有的仅有13个光纤/
3、激光陀螺而无加速度计，有的则有13个光纤/激光陀螺和12个加速度计，一般自带二次电源和信息处理器，可输出经过误差补偿后的角速度或角加速度信息，有时称其为“光纤/激光陀螺组件”，常用于航天器角速度或角加速度值的测量。,概述,3.1 光学惯性测量装置概述,3）冗余配置型光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合。惯性陀螺的结构与性能特点有利于实现多表冗余配置，并获得精度和可靠性更高的捷联惯性测量组合产品。这类产品中的光纤/激光陀螺和加速度计数量分别都在3个以上。按光纤/激光陀螺冗余轴数目来划分，常见的有四表和六表冗余配置方案，前者一般采用三轴正交一轴斜置或对称斜置的配置方式，后者常采用六轴对称斜置的配置方案。
4、,概述,3.1 光学惯性测量装置概述,4）由三轴一体光纤/激光陀螺构成的惯性测量装置。此类装置与前面几类产品的区别在于它采用了三轴一体化设计的光纤/激光陀螺，而不是单轴光纤/激光陀螺。三轴一体光纤/激光陀螺将3个单轴光纤/激光陀螺的光路和电路进行集成一体化设计（如公共光源等），使其结构更紧凑、更轻小、更低功耗，它与加速度计也可构成不同类型的惯性测量装置。,3.1 光学惯性测量装置概述,3.1 光学惯性测量装置概述,3.1 光学惯性测量装置概述,概述,3.1 光学惯性测量装置概述,上述几类光纤/激光陀螺测量装置既可单独形成产品应用到实际中（如用于卫星、飞船的姿态测量等），也可与其他设备或软件组成
5、功能更强的各类应用系统，主要包括基于光纤/激光陀螺的惯性导航/制导系统、惯性组合导航系统、惯性航姿测量系统、寻北系统、定位/定向系统等。因此，光纤/激光陀螺惯性测量装置是各类光纤/激光陀螺应用系统的硬件基础，直接影响应用系统的技术性能，通过对其结构与电气部件、误差建模与补偿软件、环境适应性与可靠性等方面的优化设计，实现其整体性能的提升，是提高各类光纤/激光陀螺应用系统整体性能水平的重要前提。,一般设计流程,3.2 光学惯性测量装置总体设计,光纤/激光陀螺惯性测量装置的设计流程一般包括两个方面：一方面是用户任务书指定功能和性能的设计实现，另一方面是产品任务剖面的分析和应用环境条件的适应性设计。
6、光纤/激光陀螺惯性测量装置选定适用的惯性仪表后，在电气接口分析的基础上，形成电气接口及软件设计方案。明确了产品的任务剖面后，有针对性地分解出需要满足的环境条件，在结构设计时充分考虑热设计与电磁兼容性（EMC）要求，环境磁场和冲击、振动等力学环境影响等，形成总体结构设计方案。,一般设计流程,3.2 光学惯性测量装置总体设计,光纤/激光陀螺惯性测量装置设计流程示意图,系统总体方案确定及精度分配,3.2 光学惯性测量装置总体设计,在研制惯性测量装置产品之前，首先要根据要求确定其总体技术方案，包括产品外形结构与安装接口方案、电路原理与电气接口方案、惯性仪表的类型与配置方案及仪表精度分配等。典型光纤/激
7、光陀螺捷联惯性测量组合的元部件一般包括：三轴正交安装的3个光纤/激光陀螺和3个加速度计、不同功能的电路板、惯组本体及其他结构件。其他类型的产品可在上述典型方案的基础上进行某些元部件或功能的适当增减而实现。选择惯性仪表时主要应考虑静/动态性能指标、环境条件适应性、价格等因素，并尽量选用成熟技术。,系统总体方案确定及精度分配,3.2 光学惯性测量装置总体设计,惯性测量装置的电气部分常以信号处理器（如单片机、DSP芯片等）和编程逻辑器件（CPLD，FPGA等）为核心，构成信号处理和接口电路。光纤陀螺捷联惯性测量组合仅需几种直流电源（如 ），常通过DC/DC变换器将外部直流电源（如27V）变换得到。,
8、系统总体方案确定及精度分配,3.2 光学惯性测量装置总体设计,在基本确定了光纤/激光系统的原理构成方案之后，应根据用户指标要求，按各陀螺与加速度计进行性能指标分解。指标分解的方法主要包括理论推导和数学仿真，或参照已有产品进行类比等方法，同时要考虑产品的工作环境条件，并使所选用惯性仪表的指标留有适当余量。,系统总体方案确定及精度分配,3.2 光学惯性测量装置总体设计,光纤/激光陀螺的主要技术指标和测试程序应该遵循相关标准，如GJB2426-2004 光纤陀螺测试方法，IEEE Std 952-1997单轴干涉式光纤陀螺仪指标和测试规范性指南（IEEE Standard Specification
9、 Format Guide and Test Procedure for Single-Axis Interferomentric Fiber Optic Gyros）， GJB2427-1995 激光陀螺仪测试方法等。加速度计相关标准有QJ2402-92摆式加速度计主要精度指标评定方法、GJB1037A-2004单轴摆式伺服线加速度计实验方法、QJ253-86惯性仪表用电气元件通用技术条件等。研制方与用户应按相关标准的要求达成一致并体现在研制任务书中。,系统电路及电气接口方案设计,3.2 光学惯性测量装置总体设计,系统电气部件主要完成惯性系统内各类信号的采集、处理及与外部的信息交换等功能。由
10、于数字电路具有精度高、抗干扰性好、有利于系统集成与提高智能水平等特点，因而电气系统向数字化方向发展是惯性技术产品的未来趋势。光纤/激光陀螺惯性系统中的电路部件一般包括：信号采集/处理（CPU）及接口电路板、温度或加速度等信号的模/数转换电路板（如石英挠性加速度计用的I/F电路板）、二次电源电路板（一般采用专用DC/DC、AC/DC模块）等，有的还有温控电路板。,系统电路及电气接口方案设计,3.2 光学惯性测量装置总体设计,系统对外电气接口方案包括输入/输出信号类型与格式、供电（如电源类型、功率）、数据总线类型及通信协议等内容，常用的数据总线有RS422/485,1553B,ARINC429,C
11、AN等，有的用户还要求输出模拟量、脉冲量等。产品设计中，应按任务书或用户要求选择适合的电路元件、接插件、电缆等配套件，遵循系列化、通用化和模块化要求，优先选用项目优选目录中指定的元器件，并尽量减少品种类型。,系统电路及电气接口方案设计,3.2 光学惯性测量装置总体设计,系统电气体制及电磁兼容性设计也是光纤/激光陀螺惯性系统电气设计中的一项重要内容。由于光纤/激光陀螺直接输出数字量，配套的电气部件也都基本采用数字体制，电磁兼容性能较好。在产品设计时，主要可参考数字电路电磁兼容性设计的相关规范和标准。,系统机械结构方案设计,3.2 光学惯性测量装置总体设计,光纤/激光陀螺惯性系统机械结构承载着惯性
12、仪表和各种电路，既要保证一定的结构强度与刚度，以满足产品的力学、热学、电磁等环境适应性要求，又要保证产品加工与装配的工艺性、维修性，并有利于批量生产和使用维护。系统结构设计要提供惯性仪表在系统的安装位置及方式，并保证所需的安装精度，要避免应力集中的结构，中高精度产品还要考虑采用适当的电磁屏蔽措施。系统的外形结构与安装方式在满足用户要求的前提下，还要考虑其误差系数标定和测试、工作时方位对准等要求（如采用光学瞄准时，需设置光学棱镜等）。 目前结构设计常用的计算机辅助设计软件有Pro/Engineer，Solid Works等,寿命与可靠性、安全性、维修性设计,3.2 光学惯性测量装置总体设计,惯性
13、系统寿命分为储存寿命和工作寿命，战术导弹、火箭等要求惯性系统储存寿命长，而工作时间相对短，为保证产品能承受储存过程中的温度和湿度等自然环境的影响，一般采用系统级密封设计，从材料和工艺上保证光纤/激光陀螺等惯性仪表性能的长期稳定性。卫星、飞船等空间应用领域，要求惯性系统工作寿命长，可采用长寿命光学器件或采用冗余方案，以延长系统工作寿命。飞机、船舶等应用领域，惯性系统产品不仅长期工作，而且要多次通电、重复使用，因此产品的可检测性、维修性也十分重要。可检测性的改善将减少故障检测时间、降低维修费用，也将其看作维修性的一部分。,系统实验和验证方案设计,3.2 光学惯性测量装置总体设计,惯性测量组合中惯性
14、仪表误差模型系数标定和误差补偿技术。 惯性仪表误差中的确定性部分可通过标定分离出来并在使用时进行补偿。将惯性仪表的实际输出与已知输入时的理论输出进行比较就可完成惯性测量装置的标定。如以地球转速（ ）、转台转速作为速率基准可标定陀螺的误差模型系数，以地球重力加速度（g）为基准可标定加速度计的误差模型系数。 惯性仪表的输出可能受温度和磁场等环境因素的影响，特定应用场合需要测试出惯性仪表对环境的灵敏度，并可通过屏蔽或建模补偿的方法降低其影响。,系统实验和验证方案设计,3.2 光学惯性测量装置总体设计,环境应力筛选及环境适应性试验 环境应力筛选时产品研制过程中的一个重要环节，其目的是通过施加一种或几种
15、规定的应力，将制造过程中引入产品的各种潜在缺陷在出厂前以硬件故障的形式暴露出来加以剔除，可防止其在产品交付后的使用环境中变为故障。通过该实验可淘汰早期失效产品，尽早让产品进入失效率浴盆曲线的平直段，从而可达到提高产品使用可靠性的目的。,系统实验和验证方案设计,3.2 光学惯性测量装置总体设计,综合性能试验 综合性能试验一般要按用户要求进行，包括相关的精度试验、参数稳定性试验、可靠性试验，以及配合总体部门的半物理仿真试验、车/船载条件下试验、全弹（箭）或整星联合试验等，以对惯性系统得到整体性能与质量稳定度等做出较客观、全面的评价。,标定技术概述,标定：通过比较仪表的输出值与已知的基准信息确定仪表
16、模型参数，使仪表输出在其取值范围内符合基准信息的过程。标定技术的理论基础是系统辨识，其目的是确定惯性仪表和惯导系统的数学模型或误差数学模型的参数。,3.3 光学惯性测量装置误差标定,标定技术概述,基准信息 基准加速度：标定点的当地表观重力矢量值 水平向加速度为0 基准角速率：稳定的基准角速率 地球旋转速率 基准位置：标定地点的位置精确已知 基准速度： 转台上速度为零,3.3 光学惯性测量装置误差标定,根据标定观测量分类：分立标定法和系统级标定法。 分立标定法直接利用陀螺仪和加速度计输出作为观测量与地球自转角速度、重力加速度和转台角速度进行比较得到标定参数 ； 系统级标定则利用陀螺仪和加速度计输出进行惯导解算，以导航误差作为观测量来得到标定参数。,标定分类,3.3 光学惯性测量装置误差标定,分立标定法直接利用IMU的输出进行标定。标定一般是将加速度计和陀螺仪分开。 加速度计的标定一般采用多位置法，由惯性测试转台提供多个转动位置，给每个加速度计提供不同的重力加速度分量输入，在每个位置上采集加表输出来标定加速度计参数，一
