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1、光纤陀螺捷联惯性导航系统The Fiber Optical Gyroscope Strap-down InertialNavigation System中文摘要光纤陀螺捷联惯性导航系统由于具有结构简单、无运动部件、动态范围宽等特点，在导 航领域里深受关注，并且正在迅速发展。光纤陀螺捷联惯性导航系统研发的关键技术在于光 纤陀螺惯性测量组件的硬件设计、初始对准技术以及光纤陀螺惯性测量组件的测试与误差标 定技术。【关键词】光纤陀螺惯性导航捷联惯性导航系统AbstractThe Strap-down Inertial Navigation System (SINS) can provide locat
2、ion 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 opt
3、ical 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、惯性技术的发展(一)惯性技术的重要性惯性技术是对载体进行导航的关键技术之一，惯性技术是利用惯性原理或其它有关 原理，自主测量和控制运载体运动
4、过程的技术，它是惯性导航、惯性制导、惯性测量和 惯性敏感器技术的总称。现代惯性技术在各国政府雄厚资金的支持下，己经从最初的军 事应用渗透到民用领域。惯性技术在国防装备技术中占有非常重要的地位。对于惯性制导的中远程导弹，一 般说来命中精度70%取决于制导系统的精度。对于导弹核潜艇，由于潜航时间长，其位 置和速度是变化的，而这些数据是发射导弹的初始参数，直接影响导弹的命中精度，因 而需要提供高精度位置、速度和垂直对准信号。目前适用于潜艇的唯一导航设备就是惯 性导航系统。惯性导航完全是依靠运载体自身设备独立自主地进行导航，不依赖外部信 息，具有隐蔽性好、工作不受气象条件和人为干扰影响的优点，而且精度
5、高。对于远程 巡航导弹，惯性制导系统加上地图匹配技术或其它制导技术，可保证它飞越几千公里之 后仍能以很高的精度击中目标。惯性技术己经逐步推广到航天、航空、航海、石油开发、大地测量、海洋调查、地 质钻控、机器人技术和铁路等领域，随着新型惯性敏感器件的出现，惯性技术在汽车工 业、医疗电子设备中都得到了应用。因此惯性技术不仅在国防现代化中占有十分重要的 地位，在国民经济各个领域中也日益显示出它的巨大作用。(二)惯性技术的发展从广义上讲从起始点将航行载体引导到目的地的过程统称为导航。从狭义上讲导航 是指给航行载体提供实时的姿态、速度和位置信息的技术和方法。早期人们依靠地磁场、 星光、太阳高度等天文、地
6、理方法获取定位、定向信息，随着科学技术的发展，无线电 导航、惯性导航和卫星导航等技术相继问世，在军事、民用等领域广泛应用。其中，惯 性导航是使用装载在运载体上的陀螺仪和加速度计来测定运载体姿态、速度、位置等信 息的技术方法。实现惯性导航的软、硬件设备称为惯性导航系统，简称惯导系统。捷联式惯性导航系统（Strap-down Inertial Navigation System 简写 SINS）是将 加速度计和陀螺仪直接安装在载体上，在计算机中实时计算姿态矩阵，即计算出载体坐 标系与导航坐标系之间的关系，从而把载体坐标系的加速度计信息转换为导航坐标系下 的信息，然后进行导航计算。由于其具有可靠性高
7、、功能强、重量轻、成本低、精度高 以及使用灵活等优点，使得SINS已经成为当今惯性导航系统发展的主流。捷联惯性测 量组件（Inertial Measurement Unit，简写IMU）是惯导系统的核心组件，IMU的输出信 息的精度在很大程度上决定了系统的精度。陀螺仪和加速度计是惯性导航系统中不可缺 少的核心测量器件。现代高精度的惯性导航系统对所采用的陀螺仪和加速度计提出了很 高的要求，因为陀螺仪的漂移误差和加速度计的零位偏值是影响惯导系统精度的最直接 的和最重要的因素，因此如何改善惯性器件的性能，提高惯性组件的测量精度，特别是 陀螺仪的测量精度，一直是惯性导航领域研究的重点。陀螺仪的发展经历
8、了几个阶段。最初的滚珠轴承式陀螺，其漂移速率为（l-2） /h， 通过攻克惯性仪表支撑技术而发展起来的气浮、液浮和磁浮陀螺仪，其精度可以达到 0.001 /h，而静电支撑陀螺的精度可优于0.0001 /h。从60年代开始，挠性陀螺的 研制工作开始起步，其漂移精度优于0.05 /h量级，最好的水平可以达到0.001 /h。 1960年激光陀螺首次研制成功，标志着光学陀螺开始主宰陀螺市场。目前激光陀螺的 零偏稳定性最高可达0.0005 /h，激光陀螺面临的最大问题是其制造工艺比较复杂， 因而造成成本偏高，同时其体积和重量也偏大，这一方面在一定程度上限制了其在某些 领域的发展应用，另一方面也促使激光
9、陀螺向低成本、小型化以及三轴整体式方向发展。 而另一种光学陀螺-光纤陀螺不但具有激光陀螺的很多优点，而且还具有制造工艺简单、 成本低和重量轻等特点，目前正成为发展最快的一种光学陀螺。二、光纤陀螺的发展（一）光纤陀螺原理光纤陀螺是基于萨格奈克（Sagnac）效应的光纤萨格奈克干涉仪，如图-1所示， 来自光源的光束被分/合束器分成两束光，分别从光纤圈的两端耦合进入光纤敏感线圈， 沿顺、逆时针方向传播。从光纤线圈两端出来的两束光，在经过分/合束器而叠加产生 干涉。（二）光纤陀螺的发展状况自从1976年Vali和Shorthil首次提出光纤陀螺的概念以来，光纤陀螺以其无与 伦比的优点引起了人们极大的重
10、视和强烈的兴趣。美国、法国、德国、英国及日本等国 家先后投入了巨大的人力物力进行理论研究和实用化开发工作，并取得了很大的成就， 角速度测量精度也由原来的几十倍的地球自转角速度15 /h到现在0.00038 /h，提 高了 6个数量级。国内光纤陀螺的研究也早己起步，但由于国外对光纤陀螺技术的控制，国内光纤陀 螺的研究完全立足于自己的条件。经过多年的研究和探索已经有各种中、低精度光纤陀 螺的批量生产，高精度正走向实用化。不过与国际水平相比还存在一定的差距，在产品 工程化方面有许多问题急需研究和改进，主要包括温度、振动、可靠性实验和小型化、 高性价比设计等方面，同时限于半导体技术，目前国内光纤陀螺研
11、究单位均将研究工作 集中在1330nm波长段，尚无850nm波长光纤陀螺的研制，相信不久的将来会一一解决。 因此，国内光纤陀螺正在努力采用新器件，发展新技术、新工艺，根据应用需要降低成 本并且不断开发新品种以扩大应用领域。三、捷联惯性导航系统基本理论（一）捷联惯性导航系统的基本原理捷联惯导的基本原理:将惯性测量器件直接固连在载体上，再将其输出通过数学平 台（又称捷联矩阵之转换到导航坐标系的参量）进行导航解算。系统的惯性测量器件为 角速率陀螺仪和加速度计，它们固连在载体上，测得的都是载体坐标系下的物理量。陀 螺仪输出的是载体相对惯性空间转动的角速率在载体坐标系中的投影;加速度计测量的 载体相对于
12、惯性空间的加速度载体坐标系中的投影，该量称为比力。而相对于捷联惯导 系统，导航计算要在导航坐标系中完成。因此，首先要将载体坐标系中物理量的转换为 导航坐标系中的物理量，即实现由载体坐标系到导航坐标系的坐标转换。这一转换由矩 阵完成，称为捷联矩阵。根据该矩阵的元素可以单值地确定载体的姿态角，故又称之为 姿态矩阵，姿态矩阵随时间的变化不断变化。捷联惯导系统中的特殊问题就是实时地求 取姿态矩阵，以便提取载体姿态角以及变换比力。捷联惯导系统利用惯性测量器件测量 载体相对于惯性空间的运动参数，并经过计算后实施导航任务。具体说是由加速度计测 量载体的加速度，并在给定运动初始条件下，由导航计算机计算出载体的
13、速度、距离和 位置（经度、纬度）：由陀螺仪测量载体的角运动，并经转换、处理、输出载体的姿态和 航向。捷联惯导系统原理如图-2所示：图-2捷联惯导系统原理（二）捷联惯性导航系统的优缺点捷联惯性导航系统（Strap-down Navigation System）是把惯性仪表直接固连在载 体上，用计算机来完成导航平台功能的惯性导航系统。由于惯性仪表直接连接在载体上， 省去了机电式的导航平台，从而给系统带来了很多优点：1. 整个系统的体积、重量和成本大大降低，通常陀螺仪和加速度计只占导航平台的 1/7；2. 惯性仪表便于安装维护，便于更换；3. 惯性仪表可以给出轴向的线加速度和角速度，这些信息是控制系
14、统所需要的。和 平台式系统相比，捷联式系统可以提供更多的导航和制导信息；4. 惯性仪表便于采用余度配置，提高系统的性能和可靠性；惯性仪表直接固连在载体上也带来一些新的问题：1. 惯性仪表固连在载体上，直接承受载体的震动和冲击，工作环境恶劣；2. 惯性仪表特别是陀螺仪直接测量载体的角运动，高性能歼击机角速度可达400 /s，这样陀螺的测量范围是0.01-400 /s，如果采用机械捷联惯导系统，这就要求捷 联陀螺有大的施矩速度和高性能的再平衡回路；3. 平台式系统的陀螺仪安装在平台上，可以用相对于重力加速度和地球自转加速度 的任意定向来进行测试，便于误差标定；而捷联陀螺则不具备这个条件，因而系统标
15、定 比较困难，从而要求捷联陀螺有更高的参数稳定性。研制高精度的捷联陀螺和进行捷联陀螺的误差补偿，是捷联惯导系统的重要关键技 术。在此基础上研究高精度的捷联算法成为提高精度的又一个关键技术。四、光纤陀螺在捷联式惯导系统的应用光纤陀螺从实验室到目前的部分实用化，经历了 20年的发展过程。其间从开环陀 螺到模拟闭环，再到数字闭环;检测电路由集成器件，到大规模集成电路，再到光电一 体的模块化设计，都体现着光纤技术和半导体技术的进步。随着光纤陀螺器件水平和设 计的提高，光纤陀螺也越来越成为人们关注的焦点。由于光纤陀螺敏感角速度的原理突 破了陀螺这一古老的定义，人们期待着光纤陀螺能够克服以往机电陀螺在应用
16、中的局限 性，在惯性导航系统，特别是捷联系统中获得广泛应用。作为惯性技术中的第三代陀螺， 光纤陀螺具有机械陀螺所不具备的特点。光纤陀螺只需要5个元件，且主要为半导体和 光纤器件，通过光纤传输来敏感角速度的变化。与机械陀螺不同，它不需要任何转动部 件，可实现全固态结构。由于光的传输速度及半导体器件的响应速度很快，光纤陀螺可 实现快速启动。半导体和光纤的工艺特点决定了光纤陀螺很适合于批量生产，不同元器 件及方案的简单组合可生产不同精度的光纤陀螺，满足不同应用背景的需求，因此光纤 陀螺具有如下固有特点:全固态结构，可靠性高，寿命长;启动速度快，响应时间短;测 量范围大，动态范围宽;抗冲击、振动，耐化学腐蚀;体积小，重量轻，成本低;适合大 批量生产。捷联系统的特点是惯性组合体与载体固联，陀螺和加速度计直接承受载体的运动 （包括震动），因此捷联系统的动态误差要比平台式系统的动态误差大，对敏感器件的可
