光学陀螺旋转调制惯导系统及关键技术发展

面向长航时、高精度的自主导航技术需求,系统梳理光学陀螺旋转调制惯导系统的发展历程及关键技术现状具有重要的现实意义。首先,基于惯导系统误差特性,阐述了旋转调制技术的基本原理。其次,系统回顾和梳理欧美等西方国家旋转惯导系统发展历程,分析了系统发展演变后的技术逻辑,总结了我国旋转惯导系统的研制现状。最后,立足于提高系统自主导航精度,从旋转策略优化、误差标校、初始对准3个方面分析了旋转惯导系统需解决的关键技术及研究现状。在总结光学陀螺旋转调制惯导系统及关键技术发展基础上,针对后续旋转惯导系统研究提出了几点思考,为高精度自主导航技术研究提供参考。

高精度惯性导航系统的技术预见

面对水下装备无人化/智能化的发展趋势,系统分析国内外知名惯性导航系统生产公司的产品,梳理水下装备的核心设备—惯性导航系统的发展趋势。基于工具检索国内外知名惯性导航系统公司的公开文献、专利以及产品手册等开源信息,提炼关键信息以及参数进行对比分析。目前,光纤陀螺惯性导航系统在国内已成为实现水下装备高精度定位的核心产品,基于谐振陀螺的惯性导航系统尚处于研发阶段。国际市场上,基于激光陀螺的惯性导航产品正逐渐被基于谐振陀螺和光纤陀螺的惯性产品替代。从法国赛峰和Exail这两家顶尖公司的产品指标看,谐振陀螺高精度惯性产品相比光纤陀螺高精度惯性产品而言,无论在体积还是在质量上都有较大优势,后续可能完全替代光纤陀螺系统成为市场主流。

船用雷达稳定跟踪转台控制系统设计

针对某船用雷达对目标精确跟踪控制的需求,设计一种纵横摇稳定平台和方位-俯仰跟踪转台的四轴闭环控制系统。系统通过高精度光纤组合惯导,获得船舶纵摇、横摇、航向姿态和转台经度、纬度、高度等信息,一方面控制驱动纵横摇稳定平台相对船舶做反相运动来克服船舶摇摆,实现安装在其上的方位-俯仰转台保持大地水平;另一方面通过网络接收跟踪目标的经度、纬度、高度等信息,解算出目标相对转台的方位和俯仰角,实现目标的两轴跟踪。经试验验证,系统在船舶摇摆状态下能够实现对动态目标的稳定、精确跟踪,各技术指标满足系统要求,对解决类似问题有一定的指导意义。

光纤惯导车辆姿态识别系统及其误差分析

光纤惯导具有分辨率高、动态范围大、灵敏度高、寿命长、自主性强、成本低等特点,将其应用到驾驶行为和车辆姿态识别系统中,通过对中低精度光纤惯导的车辆姿态识别系统存在的误差进行分析,提出车载惯导自适应快速对准模式、全参数自标定误差标校方法,以解决中低精度光纤惯导误差随时间不断累积的问题,实现车辆姿态识别自主性,为车辆姿态识别以及驾驶行为识别提供强有力支撑。分析和实验结果表明该车辆姿态识别系统可指导行车安全。

煤矿掘进装备光纤惯导多源异构噪声降噪方法研究

煤矿掘进装备光纤惯导在井下掘进工作面易受振动与电磁等多源异构噪声干扰,导致掘进装备位姿检测准确性降低。因此,为消除噪声干扰对组合惯导定位检测影响,提出了一种改进经验模态分解(EMD)的光纤惯导多源异构噪声降噪方法。首先,根据井下掘进工作面环境噪声特性,分析多源异构噪声构成。然后,利用改进的EMD降噪方法对光纤惯导多源异构噪声进行降噪,该方法通过计算连续均方误差(CMSE)自适应筛选出有效本征模态函数(IMF),并通过设定阈值函数对各层有效IMF分量进行优化,重构优化后的有效IMF分量,从而获得降噪后的信号。为验证改进EMD方法的降噪效果,运用小波降噪方法、变分模态分解(VMD)降噪方法和改进EMD降噪方法进行了降噪对比试验,结果表明:改进EMD降噪方法降噪效果优于小波降噪和VMD降噪方法。为验证改进EMD方法对掘进装备位姿检测准确性的提升效果,对降噪前以及利用3种降噪方法降噪后的光纤惯导与位移传感器组合定位结果进行对比分析,结果表明:改进EMD方法对光纤惯导信号降噪后组合定位的位姿误差最小,且相较于降噪前大幅降低,与降噪前相比,俯仰角误差从0.113 1°下降到0.028 6°,横滚角误差从0.010 1°下降到0.003 8°,航向角误差从2.705 1°下降到0.027 2°,北向位置误差从36.887 2 m下降到0.082 2 m,东向位置误差从0.499 0 m下降到0.016 1 m,天向位置误差从0.914 1 m下降到0.014 3 m。提出的改进EMD降噪方法能够有效地滤除煤矿掘进装备光纤捷联惯导信号的多源异构噪声,为煤矿掘进装备精确定位奠定了良好基础。

基于惯导/全站仪组合的掘进机自主定位定向方法

针对目前煤矿井下掘进机定位定向不准确、自动化程度低等问题,提出了一种基于光纤惯导与数字全站仪组合的掘进机自主定位定向方法。通过分析光纤惯导与数字全站仪的组合定位定向原理,建立了光纤惯导和数字全站仪的误差模型和组合定位定向系统的状态方程和量测方程,运用卡尔曼滤波器对组合定位定向系统的状态量与量测量进行预测估计,并考虑数字全站仪的定位精度对融合效果的影响,得到掘进机自主定位定向的融合信息。搭建了掘进机定位定向试验平台,通过运用惯导与全站仪组合的自主定位定向方法对模拟在巷道中线行走的掘进机进行了定位定向试验。试验结果表明:根据数字全站仪定位精度确定量测噪声方差R时,组合定位定向精度最高,其中x轴方向定位最大误差为0.03 m,y轴方向定位最大误差为0.02 m,航向角、俯仰角和横滚角定向误差小于0.005°,能够满足煤矿井下掘进机定位定向技术要求,解决了光纤惯导姿态角累计误差和位置发散问题,实现了掘进机的精确自主定位定向,为煤矿井下掘进工作面的智能化发展奠定良好的基础。

旋转光纤陀螺捷联式惯性导航系统

为了在现有惯性传感器水平的条件下提高捷联式惯性导航系统的性能,研制了旋转光纤陀螺捷联式惯性导航系统。该系统由惯性敏感单元、转动机构、高速导航计算机和I/O接口等组成,惯性敏感单元被安置在转动机构上,并作连续周期运动。对该旋转光纤陀螺捷联式惯性导航系统进行了室内转台和室外跑车试验,该系统俯仰角和横滚角误差小于0.1°,航向角误差小于0.4°,定位误差小于90 m/h。对惯性传感器作温度误差补偿工作,该导航系统的定位定向精度还将能进一步提高。

高精度光纤陀螺组件标定方法

为了提高光纤陀螺组件的标定精度,从三轴惯导测试转台技术指标入手,根据惯导测试转台定位精度高的特点,设计了六位置静态分立式标定方案.通过设计一定的标定路径,利用地球转速和当地地理纬度,激励出陀螺的标度因数、安装误差和零位等12个参数,新的标定方案避免了标度因数和安装误差对零位的影响.对自研光纤陀螺捷联惯导系统在三轴惯导测试转台进行传统标定和六位置静态分立式标定,并将标定结果用于静态导航实验,多次实验结果表明,与采用传统标定结果的导航定位误差相比,采用六位置静态分立式标定结果的导航定位误差显著降低.

光纤陀螺仪(FOG)技术及发展应用

介绍了当前惯性导航领域一门新型技术光纤陀螺仪(FOG)的基本原理、类型及两种典型光纤陀螺仪的结构,分析了光纤陀螺仪的误差及消除误差的方法,通过介绍光纤陀螺技术发展的过程及世界各主要国家在光纤陀螺实用化方面取得的进展,指出了光纤陀螺仪与其它光学陀螺相比具有的优点及良好的发展前景。

光纤陀螺旋转捷联惯导系统的发展与应用

针对舰船对长航时、高精度导航的需求,开展基于旋转调制的光纤陀螺惯导系统技术研究,从光纤陀螺仪(FOG)的研制背景和旋转调制技术的应用出发,对比分析了国内外光纤陀螺和旋转调制技术的发展现状。阐述了旋转调制技术的发展方向并研制高精度旋转光纤捷联惯导系统的技术途径。

基于Visual C++的惯性导航数据采集系统

针对光纤陀螺惯性导航系统开发了一套基于VC平台的数据采集系统,包括串口通信、数据存储和实时显示3个主要功能模块。串口通信模块中利用Visual C++的MSComm控件实现了光纤陀螺惯性导航系统与PC机的串口通信;在数据存储和实时显示模块中实现了光纤陀螺惯性导航系统输出的加速度、角速度和姿态数据的自动存储与实时显示。该系统经过多次测试,性能稳定可靠,可用于工程实践中。

光纤陀螺测斜仪设计和实验

为满足复杂油田环境中精确高效井眼测量需要,研制出具有自主知识产权的新型光纤陀螺测斜仪。利用小型三轴光纤陀螺、石英挠性加速度计和DSP+FPGA架构导航计算机构建核心硬件平台,设计动态环境捷联解算算法和电缆速度辅助卡尔曼滤波器误差控制算法,实现井斜角和方位角的动态测量。现场实验结果表明,井斜角误差优于0.1°,方位角误差优于1°。

捷联式光纤陀螺罗经系统误差分析

对采用光纤陀螺的捷联式罗经系统进行了研究.提出了使用惯性组件旋转调制技术提高光纤陀螺捷联式罗经系统精度的方法,分析了罗经系统的误差特性.针对旋转组件的误差,在系统初始对准过程中,应用限定记忆的Kalman滤波进行状态估计,提高了对准精度.静止基座的初始对准仿真结果表明,航向失准角估计误差均方差为0.159°.

光纤陀螺在航空武器装备中的应用及前景

介绍了光纤陀螺的原理和优点,对其在航空武器方面的应用,特别是在机载惯性导航和机载战术导弹、以及在火力控制系统和航空弹药制导等方面的应用作了较为全面的评述,并对光纤陀螺在航空武器方面的应用前景作了预测。

光纤陀螺捷联式惯性系统的研究与设计

介绍了基于光纤陀螺的捷联式惯性系统的总体设计,设计了加速度计再平衡回路数字读出电路及光纤陀螺信号输出电路。采用PC104工控机作为导航计算机,构成捷联式惯性系统原理样机。在此基础上,设计了系统的误差补偿方案、初始对准方案和机械编排方案。样机的初步测试结果表明:该样机达到了设计指标要求(航向精度:<1°;水平姿态精度:<0.5°)。

光电探测系统辅助SINS的动态对准方法

针对陆地战车对定位和定向系统的要求越来越高,提出了一种高精度的对准方法。采用光电探测系统计算出精确的车辆位置和航向,在两次光学定位过程中利用运动约束与零速修正组合的方法估计出惯导系统系统误差,进而估算出光电探测系统与捷联惯导系统之间的敏感轴安装偏角。仿真结果表明:光电探测系统的定向精度优于10″,定位精度优于0.1 m,敏感轴安装偏角的估计精度优于20″,因此本系统满足陆用战车的高精度动态对准需求。

旋转式光纤捷联惯导系统的误差效应分析

旋转式光纤捷联惯导系统的误差效应研究关乎系统的设计和精度的提高。在建立惯性元件误差模型的基础上,分析了系统的旋转调制原理,推导了惯性元件的零偏、安装误差、标度因数误差和随机误差在单轴单方向旋转下产生的误差效应,仿真研究了转速大小对系统精度的影响。结果表明,旋转调制可以有效补偿与转动轴垂直方向惯性元件的零偏,且转速越大效果越好;旋转调制会引入额外的标度因数误差效应,且转速越大误差越大。在设计旋转式捷联惯导系统时,要求惯性元件的标度因数误差和安装误差尽可能小,并且转速不宜过大,采取正反旋转相结合的方式可以取得更显著的误差补偿效果。

基于双模型的光纤陀螺温度补偿方法（英文）

基于Sagnac效应的光纤陀螺(FOG),因其自身的优点广泛地应用在捷联惯性导航系统中(SINS)。然而,温度对FOG的影响包括常值影响和随机影响,仍是制约光纤陀螺性能的关键因素之一。针对不同性质的漂移,首先建立基于相关性分析的多项式模型补偿常值漂移;然后结合时间序列分析的方法,利用Kalman滤波抑制经多项式模型补偿后残差信号中的随机成分,进一步提高FOG的精度。单轴光纤陀螺试验结果表明,传统的单多项式补偿模型,FOG的零偏稳定性能由0.05(°)/h仅提高到0.04(°)/h;采用常值和随机的双补偿模型,FOG的零偏稳定性能由0.05(°)/h提高到了0.01(°)/h。证明了双温度建模与补偿方法的有效性,在工程上有一定的参考价值。

捷联惯组空间五点减振的振动耦合分析

针对某型光纤（FOG）捷联惯组（sINs）的轻量化设计要求，采用了空间五点减振的布局方案。基于弹性中心理论计算了空间五点减振系统的弹性中心和偏心量，在捷联惯组存在质心偏移的情况下，增设第五点减振器可以将减振系统的弹性中心和捷联惯组惯性测量系统质心之间的偏心量减少到1．42mm。从刚体动力学出发对振动耦合的解耦条件进行了讨论，指出捷联惯组在惯性主轴偏移的情况下，空间五点减振系统无法实现角振动的解耦，但是通过调整IMU结构布局的质心，或通过调整减振器的刚度比，都可以实现线振动和角振动的解耦。用有限元方法对上述两种解耦方案下捷联惯组的冲击响应进行了计算，仿真结果表明，调节质心和调整减振器刚度两种方法对于降低IMU振动耦合的效果均较为理想，由线冲击引起的角振动降低了约29—100倍。

基于光纤陀螺的煤矿钻机定向仪设计

针对现有方法无法实现瓦斯抽放孔开钻前钻机精确、快捷定向的问题,提出采用光纤陀螺惯性导航技术实现钻机精确快速定向的新方法。根据调整钻机姿态过程的运动特性及测量要求,设计了钻机定向仪测量总体方案,采用速度及位置的双参数组合抑制了测量误差随时间的漂移,设计了组合卡尔曼滤波器,实现了快速、方便、长时间的精确测量。完成了定向仪硬件总成、软件算法及上位机软件的设计,实现了原理样机。通过对样机试验验证了方案的正确性,试验结果表明定向仪寻北时间、寻北精度以及动静态长时间测量精度均达到了钻机定向指标要求,基于光纤陀螺的钻机定向仪为煤炭领域相关定位定向测试仪器研制提供了一种新思路。