陸用定位定向應用

1、概述

        陸用定位定向系統系統采用三軸光纖陀螺儀敏感載體角運動，輸出與載體運動角速率成比例的數字信號；三個正交配置的石英撓性加速度計敏感載體的線加速度，輸出與其成比例的電流信號，電流信號經過I/F轉換電路轉換為頻率信號輸入導航計算機。導航計算機完成陀螺儀、加速度計、外接GPS的數據接收、系統誤差補償計算、導航解算，并以規定的周期通過監控口對外發送實時的速度、位置、姿態等導航信息。

1.1 光纖陀螺儀

        光纖陀螺是基于薩格奈克（Sagnac）效應的一種光纖干涉儀，即在同一光纖傳感環圈內相向傳輸的兩束光干涉，構成光纖Sagnac干涉儀，如圖2所示。

圖2 光纖陀螺原理圖

來自光源的光束被分/合束器分為兩束光，分別從光纖圈的兩端耦合進光纖敏感線圈，沿順、逆時針方向傳播。從光纖圈兩端出來的兩束光，再經過分/合束器而疊加產生干涉，產生的相位差與環的旋轉角速度成正比：

          …………………………………………(1)

其中，

L光纖長度；

D光纖環的平均直徑；

光在真空中的波長；

光在真空中的速度。

通過檢測相位差（即干涉光強）就可以獲得角速率的信息，其中項就是陀螺的標度因數。

圖3光纖環實物圖

光纖陀螺儀采用高精度三軸光纖陀螺儀，該光纖陀螺采用全數字閉環光纖陀螺方案，其光路部分由光源、耦合器、集成Y波導、光纖傳感環圈和探測器五個器件組成。采用共用摻鉺光纖光源的方案，三個光纖傳感環圈分別敏感三個方向的角運動，由各自對應的電路板完成信號的處理并輸出角速率信息。

圖4 光源方案框圖

在研制過程中，突破了摻鉺光纖光源技術、零啟動技術、標度因數誤差控制技術等多項關鍵技術，使得光纖陀螺在-10℃～50℃工作溫度范圍內，零啟動條件下，零偏穩定性均優于0.02o/h（1σ）。

其主要技術指標如下：

準備時間≤15s；

零偏穩定性（平均時間100s）≤0.02 /h(1σ)；

零偏重復性（穩定環境，平均時間100s）≤0.02(1σ) /h；

隨機游走系數≤ 0.005/；

標度因數非線性度≤ 50ppm；

標度因數重復性≤ 50(1σ) ppm；

陀螺測量范圍不小于±300/s。

1.1 加速度計

        加速度計采用石英撓性加速度計。石英撓性加速度計是機械擺式力平衡加速度計，它由表頭和伺服電路兩大部分組成。表頭由整體石英撓性檢測質量擺組件、上下力矩器、腹帶及隔離環等連接件、殼體等零部件構成。伺服電路為混合集成電路，由基準三角波發生器、差動電容檢測器、電流積分器、跨導補償放大器和電壓調節器等五部分組成。

        加速度計安裝在載體上，當載體在加速度計輸入軸方向上相對慣性空間有加速度運動時，加速度計檢測質量擺將產生慣性力矩，且：

Mg =mLai …………………………………………(2)

其中，

Mg ──檢測質量擺的慣性力矩；

M ──檢測質量擺的質量；

L ──檢測質量擺的質量中心至撓性樞軸的距離；

ai ──加速度計輸入軸方向的輸入加速度。

慣性力矩使檢測質量擺繞撓性樞軸產生角位移，該角位移使差動電容傳感器產生電容差值，在小角位移時：

Δc =KpΔα…………………………………………(3)

其中，

Δc──電容差值；

Kp ──差動電容傳感器在零位附近的傳遞系數；

Δα──檢測質量擺的角位移。

該電容差值經伺服電路變換成電流信號，該電流輸出向力矩器產生一電磁反饋力矩：

Mt =Kt I …………………………………………(4)

其中，

Mt ──力矩器的反饋力矩；

Kt ──力矩器的力矩系數；

I ──通入力矩器線圈的電流。

當Mt =Mg 時：

I=(mL/Kt )ai…………………………………………(5)

其中，mL/Kt ──電流標度因數，即當輸入的加速度為1g時所需的反饋電流。

當力矩器反饋力矩與檢測質量擺的慣性力矩相平衡時，力矩器線圈中所需的電流與輸入加速度成正比。因此測量力矩平衡時流經力矩器線圈的電流值，即可測得載體沿加速度計輸入軸上的運動加速度。

其主要技術指標如下：

測量范圍：-20g~+20g；

閾值：不大于5×10-6g；

標度因數月重復性：不大于3.5×10-5 (1σ)；

標度因數溫度系數：不大于6×10-5/℃(-40°C～+60°C)；

二階非線性系數：不大于3×10-5g/g2；

偏值：不大于6×10-3g；

偏值溫度系數：不大于2.5×10-5g/℃(-40°C～+60°C)；

偏值月重復性：不大于2.5×10-5g (1s)；

帶寬：不小于800Hz。

2、性能指標

陸用定位定向系統包含多種導航模式，可以與GPS組成組合導航系統。

2.1 純導航模式

陸用定位定向系統初始對準分為單位置靜態對準和雙位置對準兩種方式，雙位置對準方式定位精度高于單位置靜態對準方式。

方位對準精度：≤0.01°sec（Φ）（1σ，Φ為當地緯度）；

水平姿態對準精度：≤0.02°（1σ）；

方位保持精度：0.05°/h；

水平姿態保持精度：0.03°/h。

定位精度（50%CEP）：≤2nm/h(10min靜態對準)；

水平速度精度（RMS）：≤2m/s(10min靜態對準)；

定位精度（50%CEP）：≤1nm/h（雙位置對準，對準時間小于30min）；

水平速度精度（RMS）：≤1m/s（雙位置對準，對準時間小于30min）。

2.2 GPS輔助導航模式

方位對準精度：≤0.01°sec（Φ）（1σ，Φ為當地緯度）；

水平姿態對準精度：≤0.02°（1σ）；

方位保持精度：≤0.05°sec（Φ）（1σ，Φ為當地緯度）；

水平姿態保持精度：≤0.01°（1σ）。

定位精度：≤5m（1σ）；

速度精度：≤0.1m/s（1σ）。

2.3 其他

外形尺寸：330mm×330mm×315mm；

質量：小于20kg；

數據測量頻率：最大100Hz；

電源：23～31V直流電源，標稱電源電壓27V；

功耗：功耗小于50W；

使用溫度：-40℃~+60℃；

貯存溫度：-45℃~+80℃。

3、初始對準

陸用定位定向系統的對準過程分為粗對準和精對準兩個階段。

3.1 粗對準

在慣導系統上電后的前130s為粗對準階段，為了獲得更好的對準效果，在此階段應盡量保證不進行加速運動，但不限制搖擺運動（如車輛怠速狀態）。

3.2 精對準

130s后慣導系統自動轉入精對準階段。

精對準采用雙位置對準算法，即對準過程中需改變兩次產品航向。在保證對準參考信息（GPS/DVL）有效的情況下，載體可進行不受限制的運動，但是為了達到更高的對準精度，推薦如下精對準路線：在慣導系統通電10min左右進行一次航向機動（改變70°以上），在第20min左右進行第二次機動（載體航向恢復至前進目標方向），機動過程如圖 II-1所示。

圖 5  推薦精對準路線示意圖

若參考信息無效，可以在原地改變航向進行精對準。

精對準的時間為1400~1600s，若參考信息無效，對準時間相應延長。

4、接口定義

4.1 坐標系定義

載體坐標系（b系）──：載體坐標系的原點O選在慣導中心，軸為縱軸指前，軸為橫軸指右，構成右手坐標系。陀螺儀和加速度計的安裝均與載體坐標系一致。

圖6 坐標系定義示意圖

地理坐標系（t系）──：地理坐標系的原點O選在載體重心，指向北，沿垂直方向指向天，指向東。

導航坐標系（n系）──：導航坐標系與地理坐標系重合。

陸用定位定向系統在載體上安裝時，X軸應與載體縱軸一致，Y軸指天。

圖8 陸用定位定向系統在載體上的安裝

陸用定位定向系統各姿態角定義如圖Ⅱ-5所示：

航向角 逆時針為正，順時針為負                        -180o～+180o
俯仰角 抬頭為正，低頭為負                          -90o～90o
滾動角 右傾為正，左傾為負                        -180o～180o

圖9 姿態角定義

4.2 電氣接口

產品使用一個158廠生產的J30J系列連接器、1個SMA插座作為對外連接器。

陸用定位定向系統詳細點定義如表1。

表1  陸用定位定向系統對外點定義

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其中通訊口D作為監控口，用于對系統進行設置，其波特率固定為38400bps。通訊口A和C用于導航信息輸出，均可以根據需要在出廠前設定為RS-422。通訊口A~C的波特率可以通過監控口（通訊口D）進行設置，其中RS-422可以在

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其中通訊口D作為監控口，用于對系統進行設置，其波特率固定為38400bps。通訊口A和C用于導航信息輸出，均可以根據需要在出廠前設定為RS-422。通訊口A~C的波特率可以通過監控口（通訊口D）進行設置，其中RS-422可以在9600、19200、38400、57600、115200、460800、614400、1843200之間選擇，其中RS-422波特率最高只能到115200bps。

4.3 熱接口

陸用定位定向系統使用23V～31V直流電源供電，標稱電源電壓27V。在27V供電常溫環境下穩態功耗小于17W，全溫穩態功耗小于20W，啟動瞬態功耗小于50W，啟動瞬態寬度小于1ms。

陸用定位定向系統六個面均為金屬結構，主要通過底面傳導散熱。環境溫度的穩定性對陸用定位定向系統輸出精度穩定性有一定影響，為保證陸用定位定向系統輸出精度，建議：

l 要求用戶使用散熱良好或者熱容大的金屬面作為陸用定位定向系統的安裝面，安裝面接觸良好，必要情況下可以使用導熱硅脂；

l 盡量提供一個溫度穩定的環境，遠離熱源或者其他溫度變化快的物體。

5、使用范圍

該產品是基于高精度光纖陀螺儀和石英加速度計為核心部件，主要由慣性測量單元、數據采集和處理單元、精密轉位機構和控制顯示單元等部分組成，同時根據使用特點，可增加GPS/GNSS/BD接收機、里程計傳感器、高度計和星敏感器等元件，既可提供載體與真北的方位角，也可提供載體的運動姿態、速度和位置信息。產品可用于導彈發射、武器瞄準、和雷達、天線、車輛等物體的動靜態初始對準和方向控制。

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6、軟件描述

陸用定位系統的采集軟件