稳定环境下的高精度光纤捷联惯导精度探索研究

0 引言

在国外，潜用惯导和水面型惯导一直是分2个系列单独发展。潜用惯导对陀螺的性能要求最高，一般要结合电磁计程仪、配合电子海图信息，在重力异常和强洋流区域系统工作于三阶阻尼模式，其他区域工作于Kalman阻尼模式，目的是抑制舒拉周期振荡误差对惯导性能的影响，提高长周期导航精度[1-2]。目前国外实际应用的最高精度水下型惯导是静电陀螺惯导，静电陀螺精度优于十万分之一，且噪声极小、角度随机游走可忽略，但陀螺热稳定时间长、对准3d左右才能发挥出理想的高精度。如何替代结构复杂、维护成本昂贵的静电惯导，更好地满足武器等用户的需求是近年来惯性导航领域面临的突出和现实问题。美国立顿公司利用霍尼韦尔成熟的高精度激光陀螺、采用双轴旋转调制方案，实现了惯导14d的重调周期，推算激光惯导自主定位精度优于2nmile/14d。但采用旋转调制方案在机理上存在锯齿形速度误差，难以满足高精尖用户速度和姿态匹配传递对准的需要。法国IXBLUE公司光纤陀螺及惯导系统处于国际领先地位，近期一项试验表明，纯捷联光纤惯导在温箱环境下实现了优于0.4nmile/38d的定位精度，对应的光纤陀螺的精度达到4.7×10-6(°)/h，充分显示了光纤陀螺捷联惯导系统的精度潜力。这主要是通过稳定的温度环境克服光纤陀螺全温环境劣势，充分发挥了光纤陀螺长期稳定性好的特点[3]。在此基础上，本文跟踪开展了高精度光纤陀螺惯导系统研究，通过分析光纤陀螺的数据可以发现，其在稳定环境条件下的精度水平要明显优于温度变化等非稳定环境。因此，本文研制了一套高精度光纤陀螺捷联惯导系统，并在温箱中进行恒温条件下的精度测试，旨在探索温度稳定条件下高精度光纤陀螺捷联惯导系统的精度潜力。

2.2 HAMA评分情况 所有患者HAMA评分进行重复测量资料方差分析，P＜0.05，说明HAMA评分有随化疗次数变化的趋势。患者6次HAMA评分情况 见表2。

1 光纤陀螺惯导系统设计方案

光纤陀螺惯导系统在实际使用过程中的磁场及温度环境对系统精度的影响较大。为了给光纤陀螺提供一个较为稳定的使用环境，在系统设计时需要重点考虑系统的磁场环境及温度环境，为此采取多项技术措施确保系统精度可以达到实际要求，包括：基于多层磁屏蔽的磁场误差抑制、基于多腔结构设计的温度隔离、基于定温与变温相结合的多级温度误差补偿等技术[4-6]。

1.1 系统结构

系统的结构设计主要考虑给陀螺仪及加速计提供一个较为稳定的环境。为此，在结构上采取分腔设计，即将陀螺仪及加速度计构成的组合放在一个单独的腔体内，而惯导系统相关的二次电源板及信息处理电路等配套电路放在另外一个腔体内。这样，作为系统热量的主要来源，电源板及信息处理电路在系统工作时产生的热量对惯性组合中的陀螺仪及加速度计的影响将降至最低，陀螺仪及加速度计在系统工作时的温升将被控制在一个很小的范围之内。系统的结构示意图如图1所示。

图1 惯导系统结构 Fig.1 The structure of SINS

1.2 系统组成

光纤陀螺捷联惯导系统主要包括高精度三轴一体光纤陀螺、高精度石英挠性加速度计以及配套的二次电源转换电路板和综合信息处理电路等组成，如图2所示。其中二次电源板主要完成光纤陀螺、加速度计以及其他配套电路所需电源的二次转换，信息处理电路的功能包括完成内部光纤陀螺和加速度计数据的采集，同时完成与外界相关设备的通信等功能。在完成系统设计之后，需要重点研究光纤陀螺以及加速度计的温度特性，并对相关误差进行有效补偿，具体方法在第2节介绍。

图2 系统组成 Fig.2 The composition of SINS

2 光纤陀螺温度特性

2.1 温度影响分析

图7和图8所示分别为条次1试验时的位置误差曲线以及实验时的系统温度曲线，由图7可以看出，北向位置误差最大值在1500m左右，东向位置误差最大值为4500m左右，而在10d内误差都在1nmile以内。系统温度稳定在44.50°～44.58°之间，由于系统存在一定的温升，因此系统温度略高于温箱设定温度。由图8系统的温度曲线可以看出，由于存在白天和黑夜的变化导致温箱外界环境温度的变化，使温箱内温控精度受到影响，因此系统敏感到的温度也存在一定的波动，且呈一定的周期变化。

2.2 温度补偿方法

图3所示为温度标定时的温度变化情况，可以看出进行了2次-40°～+60°的温度变化过程。图4所示为在经过温度标定之后，对陀螺输出进行补偿前后的曲线情况，可以很明显看出，在没有进行温度补偿时，陀螺输出数值明显存在较大变化；而经过温度标定补偿之后，陀螺输出受温度变化的影响不再那么明显，输出精度提高了近1个数量级。目前不同单位生产的光纤陀螺不论是在器件级还是在系统级都会进行温度的补偿，通常经过温度补偿后陀螺的输出精度可以提高数倍。

为了减小陀螺输出精度受环境温度的影响，目前较为常用的方法是在系统级进行温度标定，即基于光纤陀螺整体输出情况随温度的变化进行研究，提出基于各种数学建模方法的补偿技术对光纤陀螺的输出进行补偿[9-11]。温度标定方法通常是将陀螺放在温箱中，设定温箱以一定的速率在低温和高温之间往返几次，再利用陀螺的输出结果与温度数据进行拟合，利用拟合结果对陀螺输出进行补偿。

图3 温度曲线 Fig.3 The temperature curve

图4 陀螺输出补偿前后对比曲线 Fig.4 The curve of gyroscope output before and after compensation

同时可以看出，在经过温度补偿后，陀螺的输出精度仍然不能满足舰船等需要长时间导航的高精度应用场合。在这种情况下，如果要进一步提高系统的精度只能采取两种方法，一是采用更高精度的光纤陀螺，二是在系统级进一步消除陀螺漂移对系统导航精度的影响。而光纤陀螺的精度性能受研究水平及加工工艺的影响，短期内很难提高；而在系统上减小陀螺漂移对系统导航精度的影响，可以采用旋转调制技术，利用不同方向陀螺漂移的对称影响，减小对系统级精度的影响，这也是目前的一个热点研究方向。

旋转调制惯导系统虽然具有一定的精度优势，且目前已经取得了一些实际应用，但是相对于捷联惯导系统，其在可靠性、维修性、系统成本以及尺寸质量等方面不占优势。如果以捷联的结构同样取得旋转调制惯导系统的精度水平，那么将把两者的优势结合于一身。

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2.3 恒温条件下的陀螺特性

图5所示为某型高精度光纤陀螺在试验室条件下测试时温度变化曲线，可以看出刚上电时，陀螺温度慢慢上升，在近2h后稳定在0.4°的区间范围内。图6所示为对应的陀螺输出曲线，可以看出当陀螺温度稳定在0.4°区间时，陀螺输出的曲线明显较为平稳，陀螺的输出精度可以优于0.001(°)/h(100s平均)以内，可以看出在温度稳定时，陀螺的输出也会非常稳定。

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2.2节分析了经过温度补偿的光纤陀螺精度水平有较大幅度的提升，但是补偿后的剩余误差相对于高精度应用领域仍然无法接受，也就是说陀螺精度仍然会受温度变化的影响。上面都在分析温度变化时光纤陀螺的输出精度，下面分析温度稳定条件下光纤陀螺的精度水平。

图5 高精度光纤陀螺测试温度曲线 Fig.5 The test temperature curve of high accuracy fiber optic gyroscope

图6 高精度光纤陀螺测试输出曲线 Fig.6 The output curve of high accuracy fiber optic gyroscope

3 稳定环境下的精度探索

利用高精度光纤陀螺研制了一套捷联惯导系统样机，将该样机放入温箱中，设定温箱温度为恒温40°。在系统温度稳定后，首先对系统进行一组4h以上的长时间测试，利用该条次数据完成对系统在40°条件下的天向陀螺漂移及加表零偏等误差的估计，在补偿各项估计误差后，对系统进行1.0h的初始对准，然后进入纯惯性导航，导航时间在7～17d，共进行3个条次测试。

上面对温度稳定下的陀螺输出精度进行了详细分析，而加速度计的精度水平同样会影响到系统的精度水平。经过数据分析发现，在温度稳定条件下，加速度计会表现出稳定的精度水平，其零偏稳定性可优于5μg，这也确保了系统的长时间导航精度。

光纤陀螺在实验室条件下测试获得的精度会明显优于实际工程应用的精度，这从一方面说明光纤陀螺的精度水平容易受外界环境的影响，而另一方面也同样说明光纤陀螺在环境稳定的条件下会表现出较好的精度水平。

表1 试验时导航结果

Tab.1 The navigation result of experimentation

序号时间/d最大误差/m经度纬度117454215752111588679371231945

光纤陀螺的基本结构包括光路和电路两部分。光路部分包括：超发射激光二极管SLD光源、单模耦合器、Y波导、光纤环圈、光电转换探测器等；电路部分包括前置放大模块、A/D模块、逻辑模块(FPGA)、D/A转换及驱动模块、光源驱动和温控模块、测温模块等。温度对光纤陀螺内部的各个元器件都可能产生影响，在器件级，通常研究不同器件受温度的影响特性，并采取针对性的措施，不断改善不同温度下器件的性能[7-8]。而对于已经成型的光纤陀螺，如果要想进一步提高其输出精度，可以在系统级对输出进行进一步补偿。

图7 条次1导航结果 Fig.7 The navigation result of data No.1

图8 条次1温度曲线 Fig.8 The temperature curve of data No.1

由数据可知，温箱的实际温控精度在0.1°左右，且随外界环境存在一定的周期变化。而依据以往系统的设计经验，系统级温控可以将内部温度精确控制到0.02°左右。而当环境温度进一步稳定时，陀螺的输出精度将有进一步提高的空间，系统的精度水平也将有一定的提升，这正是下一步的研究方向。

测试的导航结果如表1所示，可以看出，测试的最大误差小于3nmile，该精度甚至优于利用同精度的光纤陀螺研制的双轴旋转调制系统。通过分析恒温条件下的陀螺输出数据，在温度稳定时，陀螺输出精度优于0.0002(°)/h，甚至达到0.0001(°)/h，而该陀螺在常温温度未稳定条件下的输出精度只能达到0.002(°)/h。可以看出，温度稳定时，陀螺输出精度将提高1个数量级以上。

(4)Under the new international and national circumstances,transformation of economic growth model is a must for us.

4 工程应用问题

稳定环境下的高精度光纤捷联惯导系统如果要实现工程应用，还有很多工程问题需要面对和解决，主要包括：系统温度稳定所需要的准备时间，惯性器件误差的重复性问题等。实际应用中需要面对的各种工程问题并不影响目前对研究方向的探索。下面对这2个问题进行简单的分析和说明。

1)准备时间

系统如果要开始工作必须是在内部环境稳定的条件下，而系统内部温度稳定通常需要几个小时的时间，这个时间对于高精度惯导系统的应用场合来说是可以接受的，目前静电陀螺惯导系统的准备时间可能需要十几个小时，甚至几十个小时。因此对于高精度的应用场合，温度稳定所需要的准备时间不是主要问题。

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2)器件误差重复性

中堂画的边上还有大相框，和对联紧挨着，相框里有不同时期的全家福，也有老年人的单人照，新人的结婚照，婴儿的百日照。黑白泛黄的，彩色的，都在里面，相似的五官，相似的神情，只有服装的样式是不一样的，发型也不一样。

以上主要是针对器件误差的稳定性进行了分析。而由惯性器件的特点可知，系统的重复性与稳定性基本处于相同的量级，也就是说器件误差稳定性好的情况下，其重复性精度也会很高，因此只需在前期完成对系统器件常值误差的补偿即可。具体情况还需进一步分析和验证，特别是长期稳定性问题。

5 结论

本文针对需要长时间高精度惯性导航的应用领域，对环境稳定条件下的光纤陀螺捷联惯导系统的系统精度进行了探索研究。首先分析了光纤陀螺受温度影响的精度特性、温度补偿方法及效果，重点研究了温度稳定条件下光纤陀螺的精度水平，发现在温度稳定时，陀螺的输出精度可以有大幅度的提升。据此，利用研制的高精度光纤陀螺捷联惯导系统在温箱中进行环境稳定条件下的验证试验，结果表明在温控精度0.1°的条件下，系统精度可达1mile/10d，而当温控精度进一步提高时，系统精度有望同步提升，最后分析了工程应用时需要解决的工程问题，后续将提高温控精度，进一步探索环境稳定条件下的高精度光纤捷联惯导系统精度潜力。

参考文献

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