CN103389089B - 一种六冗余型光纤捷联惯性导航系统 - Google Patents

Abstract

一种六冗余型光纤捷联惯性导航系统，它由结构件部分、惯性器件部分及外围电路部分三部分构成；惯性器件部分安装于结构件部分的正十二面体IMU支架上，外围电路部分分布于结构件部分的系统本体边侧上；本发明将正十二面体设计为空心结构，实现了系统IMU台体的高钢度和轻量化；采用余度配置，提高惯性导航系统的精度和可靠性；系统光纤陀螺从结构上基本实现了光纤陀螺光路与电路的分离，以避免电路发热带来的温度及温度梯度变化对光路造成不同程度的影响；本系统性能稳定，具有较好的环境适应能力，能承受类似惯性导航系统所承受的各种环境试验要求且实时性好。

Description

一种六冗余型光纤捷联惯性导航系统

技术领域

本发明涉及基于六个光纤陀螺与六个加速度计的一种六冗余型光纤捷联惯性导航系统，属于惯性导航技术领域。

背景技术

惯性技术是一项涉及多学科的综合技术，它是惯性导航和惯性制导技术、惯性仪表技术、惯性测量技术以及有关系统和装置技术的统称。惯性导航系统依靠自身的惯性敏感元件，不依赖任何外界信息测量导航参数，因此它不受天然的或人为的干扰，具有很好的隐蔽性，是一种完全自主式的导航系统。

近代各种导弹、卫星、飞船等载体对惯导系统的可靠性和精度提出了越来越高的要求，因为它不仅直接反映了惯导系统本身的质量指标，而且直接关系到载体执行任务过程的成败。提高惯导系统的可靠性和精度主要有两种办法：一是提高单个仪表的可靠性和精度，这对惯性仪表的加工工艺及各项技术指标提出了更高的要求，实现起来成本较高；另一种方法是采用冗余方案来提高系统可靠性和精度，这是一种比较理想的方法，实现起来也相对容易。

冗余系统按冗余方式可分为系统级冗余和器件级冗余。系统级冗余是对整个惯组的冗余，主要应用于平台惯导系统；器件级冗余是对单个仪表的冗余，主要针对结构比较灵活的捷联惯导系统，实现起来比较容易，可靠性比较高。相对于平台惯导系统，捷联惯导系统由于取消了许多机器零件，冗余时只需对单个惯性仪表进行冗余，而不需要对整个系统进行冗余。同时，捷联惯导系统相对平台系统在重量、体积、成本和可靠性等方面的较大优势，利用多个惯性仪表组成冗余系统提高捷联惯导系统精度和可靠性，从而使其在更多场合获得应用非常有意义。光纤陀螺具有无运动部件、耐冲击、抗加速运动、结构简单、寿命长、分辨率高、动态范围宽、启动时间极短等突出优点且易于制造，成本低，已成为新一代理想惯性器件，目前已发展成为惯性技术领域具有划时代特征的新型主流仪表，未来的惯性设备领域中将占据重要地位。可以预见，在对精度和可靠性要求比较高的场合，冗余型光纤捷联惯导系统将占据重要地位。

发明内容

本发明的目的在于提高惯导系统的导航精度和可靠性，提供一种六冗余型光纤捷联惯性导航系统，应用于对可靠性和精度要求比较高的航空、航天、航海等领域。

本发明一种六冗余型光纤捷联惯性导航系统，是由结构件部分、惯性器件部分及外围电路部分三部分构成；它们之间的位置连接关系是：惯性器件部分安装于结构件部分的正十二面体IMU支架上，外围电路部分分布于结构件部分的系统本体边侧上。

所述结构件部分包括正十二面体IMU支架、光纤陀螺骨架及系统本体。三者之间的位置连接关系是：光纤陀螺骨架安装于正十二面体IMU支架的安装位，正十二面体IMU支架位于系统本体的箱体内部。该正十二面体IMU支架是：正十二面体空心结构，如图1所示，以六个陀螺面为引导面将正十二面体内部镗空，并选择“前-后-底”三面固定的安装方式将其固定。该光纤陀螺骨架是：圆盘结构，陀螺环骨架与陀螺顶盖均采用1J50的磁屏蔽材料，如图2所示，Y波导利用中部两个螺孔安装，波导连接线通过上部三个通孔与陀螺主板连接，光纤环内侧与环骨架中部圆柱形凸台的外侧面相贴，整个光纤环骨架通过外沿的五个螺孔固定于正十二面体IMU支架；该系统本体是：长方形箱体结构，系统底面为正方形设计，顶板及外沿的四块侧板均通过螺丝安装固定，系统与外部直流稳压电源及上位机通过两个接插件相连接，四个侧板均留有导热槽以增强系统散热性能并减小系统重量，系统底座的四角各留有一个安装孔，以便于系统安装固定，系统本体结构外形如图3所示。

所述惯性器件部分，包括六个光纤陀螺和六个加速度计，以正十二面体方式斜置安装于正十二面体IMU支架上。该六个光纤陀螺是：光纤陀螺的光路部分与电路部分分离；该六个加速度计是：石英挠性加速度计。

所述外围电路部分，包括二次电源、光纤陀螺信号采集电路、加速度计信号采集电路以及导航计算机。它们之间的位置连接关系是：系统左前侧为平行安装的光纤陀螺信号采集电路与加速度计信号采集电路，系统右后侧为二次电源，系统右前侧为导航计算机。该二次电源是：此系统中使用+5V、±5V、±15V等多种供电电压，数字地和模拟地需由电感进行隔离。

该光纤陀螺信号采集电路是：采取数字闭环反馈方案，将六路陀螺信号分别在两块FPGA中处理，两块FPGA将使用同一块晶振进行工作，并在其之间加入同步信号以保证六路光纤陀螺信号的相位同步。该加速度计信号采集电路是：采用数字闭环反馈方案，电路中两块FPGA同样使用同一块晶振进行工作，并在其之间加入同步信号以保证六路加速度计信号的相位同步。该导航计算机是：采用FPGA+DSP作为主要架构方案，其中FPGA主要用于定时采集陀螺仪与加速度计信号并发送至DSP，同时将解算完成的数据发送至上位机，而DSP主要完成陀螺仪与加速度计标定参数补偿、初始对准、惯性导航及组合导航解算功能，导航计算机选用的FPGA型号为Xilinx公司的XC3S400-TQ144，DSP型号为TI公司的TMS320VC33PGEA-120。

本发明的六冗余型光纤捷联惯性导航系统，其优点及功效在于：

1)本发明采用余度配置，提高惯性导航系统的精度和可靠性；

2)以正十二面体作为IMU台体构型，将正十二面体设计为空心结构，以六个陀螺面为引导面将正十二面体内部镗空，实现了系统IMU台体的高钢度和轻量化；

3)本系统性能稳定，具有较好的环境适应能力，能承受类似惯性导航系统所承受的各种环境试验要求且实时性好；

4)系统光纤陀螺从结构上基本实现了光纤陀螺光路与电路的分离，以避免电路发热带来的温度及温度梯度变化对光路造成不同程度的影响；

5)光纤环骨架及封盖均采用磁屏蔽材料(1J50)，抗干扰性强。

附图说明

图1为正十二面体IMU支架结构图。

图2为光纤陀螺骨架结构图。

图3为系统本体结构外形设计图。

图4为系统本体结构尺寸图。

图5为冗余光纤陀螺结构示意图。

图6为陀螺信号采集电路原理框图。

图7为加速度计信号采集电路原理框图。

图8为导航计算机原理图。

图9为六冗余光纤捷联惯导系统内部结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明，本发明实施例以某型飞行运载体为例。

本发明为一种六冗余型光纤捷联惯性导航系统，由三部分构成：结构件部分、惯性器件部分及外围电路部分。它们之间的位置连接关系是：惯性器件安装于结构件部分的正十二面体IMU支架上，外围电路部分主要分布于结构件部分的本体边侧上。

所述结构件部分主要包括正十二面体IMU支架、光纤陀螺骨架及系统本体。

该正十二面体IMU支架是：需要对正十二面体结构进行一下说明，正十二面体为五个柏拉图立体之一，属于准晶体结构，共有20个顶点、30条边和12个面，每个面均为正五边形；正十二面体在结构上具有高度的对称性及稳定性，结构很难被破坏。本系统中为了减小重量，将正十二面体设计为空心结构，以六个陀螺面为引导面将正十二面体内部镗空。在此六冗余光纤捷联惯导系统设计前期，正十二面体安装支架的设计工作占用了大量时间。正十二面体支架的“顶-底”固定与“前-后”固定均属于“悬臂梁”固定方式，假如沿固定面的法线方向存在强冲击振动时，支架存在安装面断裂的可能。因此将上述两种方案相结合，选择如图1所示的“前-后-底”三面固定的安装方式。

该光纤陀螺骨架是：在正十二面体支架上安装的光纤陀螺环体部分主要包括陀螺环骨架、陀螺顶盖、光纤环以及Y波导，其中光纤环采用半脱骨架的结构形式。陀螺环骨架与顶盖均采用1J50的磁屏蔽材料，环骨架如图2所示：Y波导利用中部两个螺孔安装，波导连接线通过上部三个通孔与陀螺主板连接，光纤环内侧与环骨架中部圆柱形凸台的外侧面相贴，整个光纤环骨架通过外沿的五个螺孔固定于正十二面体支架。

该系统本体是：图3所示为系统结构外形，底面为正方形设计，顶板及外沿的四块侧板均通过螺丝安装固定。系统与外部直流稳压电源及上位机通过两个接插件相连接。规定此系统接插件方向为前侧，从顶板向下看沿顺时针方向分别为前侧板、右侧板、后侧板及左侧板，四个侧板均留有导热槽以增强系统散热性能并减小系统重量。系统底座的四角各留有一个安装孔，以便于系统安装固定。系统整体结构尺寸如图4所示。

所述惯性器件部分，包括六个光纤陀螺和六个加速度计，以正十二面体方式斜置安装于正十二面体支架上。

该六个光纤陀螺是：光纤陀螺前放板及光源驱动板均集成于光源组件之内，在每个光源组件中除光源驱动板及陀螺前放板之外，还包含一只SLD光源，一只1×3耦合器，三只2×2耦合器及三只探测器，Y波导以及光纤环(650m保偏光纤)将置于正十二面体支架上，这两套三轴一体光纤陀螺从结构上已基本实现光纤陀螺光路与电路的分离，以避免电路发热带来的温度及温度梯度变化对光路造成不同程度的影响。两套光源组件与光纤环及Y波导之间的连接关系如图5所示。为了减小外部磁场(包括地球磁场)对光纤陀螺性能的影响，光纤环骨架及封盖均采用磁屏蔽材料(1J50)；

该六个加速度计是：石英挠性加速度计，精度为100μg。

所述外围电路部分，主要包括二次电源、光纤陀螺信号采集电路、加速度计信号采集电路以及导航计算机。它们之间的位置连接关系是：系统左前侧为平行安装的光纤陀螺信号采集电路与加速度计信号采集电路，系统右后侧为二次电源，系统右前侧为导航计算机。

该二次电源是：此系统中使用+5V、±5V、±15V等多种供电电压，其中光纤陀螺信号采集电路及加速度计信号采集电路使用±5V，加速度计前放电路使用±15V，导航计算机使用+5V。在光纤陀螺信号采集电路与加速度计信号采集电路中，数字地和模拟地需由电感进行隔离。二次电源主要采用美国Vicor公司进口的电源模块搭建，功耗大于75W，输入电压将满足+18V～+36VDC的输入范围；

该光纤陀螺信号采集电路是：光纤陀螺信号采集电路采取数字闭环反馈方案。为避免六路光纤陀螺信号之间的交叉干扰问题，本电路设计过程中并未将六路光纤陀螺信号在一块FPGA中进行处理，而是将六路陀螺信号分别在两块FPGA中处理。但是，两块FPGA将使用同一块晶振进行工作，并在其之间加入同步信号以保证六路光纤陀螺信号的相位同步。光纤陀螺信号采集电路的基本架构如图6所示，其工作流程如下：光纤环干涉信号经探测器后转换为电压信号，由前置放大电路将电压信号放大后，此模拟信号将进入光纤陀螺信号采集电路，并通过12位AD芯片AD9235转换为数字信号，转换完成的数字信号将由FPGA进行处理；FPGA的输出信号由两部分组成：一是表示光纤环相对于惯性空间旋转角速度的信号，通过RS422串口输出至导航计算机；二是至Y波导的阶梯波反馈信号，由于此信号为数字量，须经过16位DA芯片LTC1668转换为模拟量；

该加速度计信号采集电路是：在本系统中，加速度计信号采集电路同样采用数字闭环反馈方案，其原理与光纤陀螺信号采集电路基本相同，其原理框图如图7所示。需要注意的是，电路中两块FPGA同样使用同一块晶振进行工作，并在其之间加入同步信号以保证六路加速度计信号的相位同步；

该导航计算机是：在此六冗余捷联惯导系统中，导航计算机采用FPGA+DSP作为主要架构方案，其中FPGA主要用于定时采集陀螺仪与加速度计信号并发送至DSP，同时将解算完成的数据发送至上位机，而DSP主要完成陀螺仪与加速度计标定参数补偿、初始对准、惯性导航及组合导航解算功能。导航计算机选用的FPGA型号为Xilinx公司的XC3S400-TQ144，DSP型号为TI公司的TMS320VC33PGEA-120。FPGA+DSP架构最大优点是信号采集及处理速度快、精度高，且适合于模块化设计，具有较强的通用性。导航计算机原理如图8所示，其工作流程简要描述如下：系统上电后FPGA与DSP分别从E2PROM和FLASH中自动加载程序并执行；两路光纤陀螺RS422串口信号以及两路加速度计RS422串口信号经过光耦隔离以及串口芯片MAX3490后进入FPGA；FPGA通过串口信号采集模块以及数据缓存模块将六轴光纤陀螺和六轴加速度计信号打包发送至DSP数据总线，同时将数据在DSP中的存储地址发送至地址总线，并通过中断信号控制将陀螺仪与加速度计原始数据发送至DSP中的固定地址；DSP进行冗余陀螺仪与加速度计数据的标定补偿及温度补偿，并将补偿后的数据进行初始对准解算及惯导解算，待解算完成后DSP将导航数据送回至FPGA；FPGA将导航数据通过RS422串口或CAN总线送至上位机采集软件，将数据进行图形化显示；

内部结构设计：

图9为六冗余光纤捷联惯导系统的内部主要结构，正十二面体支架通过前后两个悬臂梁以及底部支撑面固定于系统底座，其几何中心与系统的几何中心重合；两个光源组件固定于系统左后侧，光纤陀螺前放板及光源驱动板均集成于光源组件之内，光源组件与光纤环之间的尾纤置于左侧板与后侧板之间的斜面，以避免光纤的折损；系统左前侧为平行安装的陀螺主板与加表主板(陀螺主板朝外，加表主板朝内)，两块电路板将处理六路光纤陀螺信号与六路加速度计信号，为方便操作，两块电路板上连接仿真器的插针应尽量靠近系统顶板；系统右后侧为二次电源板，并加装二次电源板护板以减小电源模块发热对陀螺仪以及加速度计性能造成的影响；系统右前侧为导航板，用于采集陀螺仪与加速度计信号并完成系统导航解算功能。

Claims (1)

1.一种六冗余型光纤捷联惯性导航系统，由三部分构成：结构件部分、惯性器件部分及外围电路部分；它们之间的位置连接关系是：惯性器件安装于结构件部分的正十二面体IMU支架上，外围电路部分分布于结构件部分的本体边侧上；

所述结构件部分包括正十二面体IMU支架、光纤陀螺骨架及系统本体；

该正十二面体IMU支架是：正十二面体为五个柏拉图立体之一，属于准晶体结构，共有20个顶点、30条边和12个面，每个面均为正五边形；正十二面体在结构上具有高度的对称性及稳定性，结构很难被破坏；减小了重量，将正十二面体设计为空心结构，以六个陀螺面为引导面将正十二面体内部镗空；正十二面体支架的顶-底固定与前-后固定均属于悬臂梁固定方式；

该光纤陀螺骨架是：在正十二面体支架上安装的光纤陀螺环体部分包括陀螺环骨架、陀螺顶盖、光纤环以及Y波导，其中光纤环采用半脱骨架的结构形式；陀螺环骨架与顶盖均采用1J50的磁屏蔽材料；Y波导利用中部两个螺孔安装，波导连接线通过上部三个通孔与陀螺主板连接，光纤环内侧与环骨架中部圆柱形凸台的外侧面相贴，整个光纤环骨架通过外沿的五个螺孔固定于正十二面体支架；

该系统本体是：底面为正方形设计，顶板及外沿的四块侧板均通过螺丝安装固定；系统本体与外部直流稳压电源及上位机通过两个接插件相连接；规定系统本体接插件方向为前侧，从顶板向下看沿顺时针方向分别为前侧板、右侧板、后侧板及左侧板，四个侧板均留有导热槽以增强系统本体散热性能并减小系统本体重量；系统本体底座的四角各留有一个安装孔，以便于系统本体安装固定；

所述惯性器件部分，包括六个光纤陀螺和六个加速度计，以正十二面体方式斜置安装于正十二面体支架上；

该六个光纤陀螺是：光纤陀螺前放板及光源驱动板均集成于光源组件之内，在每个光源组件中除光源驱动板及陀螺前放板之外，还包含一只SLD光源，一只1×3耦合器，三只2×2耦合器及三只探测器，Y波导以及光纤环将置于正十二面体支架上，这两套三轴一体光纤陀螺从结构上已实现光纤陀螺光路与电路的分离，避免电路发热带来的温度及温度梯度变化对光路造成的影响；为了减小外部磁场对光纤陀螺性能的影响，光纤环骨架及封盖均采用磁屏蔽材料；

该六个加速度计是：石英挠性加速度计，精度为100μg；

所述外围电路部分包括二次电源、光纤陀螺信号采集电路、加速度计信号采集电路以及导航计算机；它们之间的位置连接关系是：左前侧为平行安装的光纤陀螺信号采集电路与加速度计信号采集电路，右后侧为二次电源，右前侧为导航计算机；

该二次电源是：使用+5V、±5V、±15V多种供电电压，其中光纤陀螺信号采集电路及加速度计信号采集电路使用±5V，加速度计前放电路使用±15V，导航计算机使用+5V；在光纤陀螺信号采集电路与加速度计信号采集电路中，数字地和模拟地需由电感进行隔离；二次电源采用美国Vicor公司进口的电源模块搭建，功耗大于75W，输入电压将满足+18V～+36VDC的输入范围；

该光纤陀螺信号采集电路是：光纤陀螺信号采集电路采取数字闭环反馈方案；为避免六路光纤陀螺信号之间的交叉干扰问题，设计过程中并未将六路光纤陀螺信号在一块FPGA中进行处理，而是将六路陀螺信号分别在两块FPGA中处理；但是，两块FPGA将使用同一块晶振进行工作，并在其之间加入同步信号以保证六路光纤陀螺信号的相位同步；光纤陀螺信号采集电路工作流程如下：光纤环干涉信号经探测器后转换为电压信号，由前置放大电路将电压信号放大后，此模拟信号将进入光纤陀螺信号采集电路，并通过12位AD芯片AD9235转换为数字信号，转换完成的数字信号将由FPGA进行处理；FPGA的输出信号由两部分组成：一是表示光纤环相对于惯性空间旋转角速度的信号，通过RS422串口输出至导航计算机；二是至Y波导的阶梯波反馈信号，由于此信号为数字量，须经过16位DA芯片LTC1668转换为模拟量；

该加速度计信号采集电路是：加速度计信号采集电路同样采用数字闭环反馈方案，电路中两块FPGA同样使用同一块晶振进行工作，并在其之间加入同步信号以保证六路加速度计信号的相位同步；

该导航计算机是：在此六冗余捷联惯导系统中，导航计算机采用FPGA+DSP作为架构方案，其中FPGA用于定时采集陀螺仪与加速度计信号并发送至DSP，同时将解算完成的数据发送至上位机，而DSP完成陀螺仪与加速度计标定参数补偿、初始对准、惯性导航及组合导航解算功能；导航计算机选用的FPGA型号为Xilinx公司的XC3S400-TQ144，DSP型号为TI公司的TMS320VC33PGEA-120；导航计算机工作流程简要描述如下：上电后FPGA与DSP分别从E²PROM和FLASH中自动加载程序并执行；两路光纤陀螺RS422串口信号以及两路加速度计RS422串口信号经过光耦隔离以及串口芯片MAX3490后进入FPGA；FPGA通过串口信号采集模块以及数据缓存模块将六轴光纤陀螺和六轴加速度计信号打包发送至DSP数据总线，同时将数据在DSP中的存储地址发送至地址总线，并通过中断信号控制将陀螺仪与加速度计原始数据发送至DSP中的固定地址；DSP进行冗余陀螺仪与加速度计数据的标定补偿及温度补偿，并将补偿后的数据进行初始对准解算及惯导解算，待解算完成后DSP将导航数据送回至FPGA；FPGA将导航数据通过RS422串口或CAN总线送至上位机采集软件，将数据进行图形化显示；

正十二面体支架通过前后两个悬臂梁以及底部支撑面固定于六冗余型光纤捷联惯性导航系统底座，其几何中心与六冗余型光纤捷联惯性导航系统的几何中心重合；两个光源组件固定于六冗余型光纤捷联惯性导航系统左后侧，光纤陀螺前放板及光源驱动板均集成于光源组件之内，光源组件与光纤环之间的尾纤置于左侧板与后侧板之间的斜面，以避免光纤的折损；六冗余型光纤捷联惯性导航系统左前侧为平行安装的陀螺主板与加表主板，陀螺主板朝外，加表主板朝内，两块电路板将处理六路光纤陀螺信号与六路加速度计信号，两块电路板上连接仿真器的插针应靠近六冗余型光纤捷联惯性导航系统顶板；六冗余型光纤捷联惯性导航系统右后侧为二次电源板，并加装二次电源板护板以减小电源模块发热对陀螺仪以及加速度计性能造成的影响；六冗余型光纤捷联惯性导航系统右前侧为导航板，用于采集陀螺仪与加速度计信号并完成六冗余型光纤捷联惯性导航系统导航解算功能。