CN105659812B - 船用一体化光纤陀螺捷联垂直基准系统 - Google Patents

Abstract

船用一体化光纤陀螺捷联垂直基准系统采用一体化设计，全部装在一个外壳中，包括光纤陀螺惯组、I/F转换电路、脉冲计数接口电路、二次电源AC/DC电路、数字接口电路、综合信息处理器CPU，采集经数字接口电路和脉冲计数接口电路来的三个光纤陀螺、三个加速度计输出和温度传感器的原始数据，利用预先建立的误差模型进行误差补偿，再进行惯性导航解算，在导航解算的基础上，建立系统的状态方程，并根据外界输入的辅助速度信息进行kalman滤波，通过滤波获得姿态误差并完成对纯惯性的修正，从而得到高精度的姿态信息输出。本发明实现了全数字输出接口，结构紧凑、寿命长、可靠性高、环境适应性好、功耗低的优点，可适用于舰载武器、车载武器系统等。<pb pnum="1" />

Description

船用一体化光纤陀螺捷联垂直基准系统

技术领域

本发明涉及一种捷联垂直基准系统，特别是一种船用一体化光纤陀螺捷联垂直基准系统。

背景技术

捷联垂直基准为舰船及其武器系统提供高精度的姿态信息，是船上重要的设备。目前国内传统的捷联垂直基准以挠性陀螺为惯性仪表，由于传统机械陀螺供电体制复杂，一体化设计容易相互干扰等原因，传统的捷联垂直基准最少含有两大部分，一部分是惯性测量单元，另一部分为电路控制箱，从而使得系统体积大，重量重。而且，传统的捷联垂直基准为了保证系统对力学、温度环境下的精度，采用了减振设计，对温度采用了温度控制技术，由于机械式仪表对力学环境非常敏感，虽有减振但振动冲击下系统仍将产生较大零位误差，且由于系统体积较大，热平衡时间长，因此系统准备时间长较长，一般需要2小时以上的准备时间，难以满足新型舰艇对导航系统快速准备时间的要求。

近些年来，国外光纤陀螺船用惯性产品的应用发展迅速：20世纪90年代初的德国LITEF公司研制成基于光纤陀螺LCR-92型舰载捷联式航向姿态基准，并于1998年报导了LFK-95型陀螺罗经系统(LFK-95fiberopticgyrocompass，网站www.litef.com)；法国Photonetics(www.ixsea.com)公司近年来研制出了多类光纤陀螺罗经产品，如PHINS(具备舰艇综合导航系统其它信息接口)系列产品，但其内部结构对外是保密的，因此无从得知。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高性能船用一体化光纤陀螺捷联垂直基准系统，它具有工作寿命长、可靠性高、环境适应性强等优点。

本发明的技术解决方案是：船用一体化光纤陀螺捷联垂直基准系统，采用一体化设计，全部装在一个外壳中，主要包括光纤陀螺惯组、I/F转换电路、脉冲计数接口电路、二次电源AC/DC电路、数字接口电路、综合信息处理器CPU，其中

光纤陀螺惯组：包括本体结构及安装其上的三个光纤陀螺、三个加速度计和温度传感器，本体结构用于正交安装三个光纤陀螺和三个加速度计以及温度传感器；三个相同的光纤陀螺完成捷联垂直基准三个正交轴的角速度测量；三个相同的加速度计完成系统三个正交轴的视加速度测量；温度传感器实时测量惯组本体的温度，并以此作为各惯性仪表温度误差模型的输入信号，实时补偿环境温度变化引起的惯性仪表误差，既可提高系统使用精度，又能保证系统的工作可靠性；

二次电源AC/DC电路：将舰船上的交流电源220VAC/50Hz信号变换为惯组内各部件所需的直流电源信号，包括：±5V、±15V，这样可直接利用舰船上的交流电源供电，无需专门配置直流稳压源；

I/F转换电路和脉冲计数接口电路：I/F转换电路将三个加速度计输出的三路反馈电流信号转换为计算机可读取的脉冲信号，再经过脉冲计数接口电路输入至综合信息处理器CPU；

数字接口电路：将三个光纤陀螺及温度传感器输出的模拟信号转换成数字信号，并输入至综合信息处理器CPU；

综合信息处理器CPU：采集经数字接口电路和脉冲计数接口电路来的三个光纤陀螺、三个加速度计和温度传感器输出的原始数据；利用预先建立的误差模型进行误差补偿，包括：安装误差和温度误差；再进行惯性导航解算，在导航解算的基础上，建立系统的状态方程，并根据外界输入的辅助速度信息进行kalman滤波，通过滤波获得姿态误差并完成对纯惯性的修正，从而获得高精度的姿态信息输出，并采用RS422串口输出系统信息。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明由于将惯性仪表与电路控制系统进行一体化设计，而且惯性仪表是全固态惯性仪表，使得系统具有长寿命、高可靠的特点；同时具有全数字输出、低功耗、小型化等优点。

(2)由于采用温度补偿技术使得本发明的准备时间短，具有环境适应性强的优点。

(3)采用二次电源AC/DC电路，实现了不需直流电源模块，直接利用舰船220V交流电源，方便了用户使用，而且也达到了一体化设计要求。

(4)此外，本发明的整体外壳采用了多筋结构，不仅提高结构强度，降低了产品重量，同时增大了产品的散热面，从而改善了整个产品的力学性能和温度性能；而且外形采用六面体多基准面设计，实现任意安装面的安装精度，从而不需要测试工装即可完成了对产品的多位置测试，避免了测试工装多次拆装所带来的安装误差，提高了测试精度，简化了测试流程，同时也降低了产品成本。

(5)惯性器件集中安装，且独立成体，可与其他硬件在实体上完全分离，从而可以在不影响其他硬件的前提下，单独对惯性器件进行检测、检修及替换等操作；同时，也可在不影响惯性器件的各类参数的前提下，单独对配套电路板等硬件进行检测、检修及替换，避免了系统内各硬件的相互影响，提高了使用精度，简化了检修操作，减少了检修后的标定工作，同时保证了产品性能的稳定性。

(6)本发明的外壳采用耐腐蚀铝合金材料，表面为气密设计，且有三向安装基准面、可拆卸的方位瞄准棱镜及电缆插座，均按相关军用标准进行设计或配置，可方便产品在各类舰船及其它载体上的安装与固定，连接电缆都采用了屏蔽护套，可进一步提高系统与外部通讯的可靠性。

(7)本发明的综合信息处理器中直接采集速度信息，对速度进行补偿，这样避免了对角速度求微分带来误差，从而可以进一步获得高精度的姿态信息输出。

附图说明

图1为本发明的结构组成框图；

图2为本发明的整体安装结构图；

图3为本发明的I/F电路原理图；

图4为本发明的计算机电路板电路原理图；

图5为本发明的综合信息处理器CPU处理流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要由光纤陀螺惯组1、I/F转换电路2、脉冲计数接口电路3、二次电源AC/DC电路4、数字接口电路5、综合信息处理器CPU6和外壳7组成，其中光纤陀螺惯组1由本体结构11及安装其上的三个光纤陀螺12、三个石英挠性加速度计13、温度传感器14，本体结构11用于正交安装三个光纤陀螺12和三个石英挠性加速度计13及温度传感器14，采用三个相同的光纤陀螺12完成捷联垂直基准三个正交轴的角速度测量，采用三个相同的石英挠性加速度计13完成系统三个正交轴的视加速度测量，温度传感器14实时测量惯组本体结构11的温度，并以此作为各惯性仪表温度误差模型的输入信号，可实时补偿环境温度变化引起的惯性仪表误差，既可提高系统使用精度，又能保证系统的工作可靠性。二次电源AC/DC电路4将舰船上的交流电源220VAC/50Hz信号变换为惯组内各部件所需的直流电源信号(包括±5V和±15V)，这样可直接利用舰船上的交流电源供电，无需专门配置直流稳压源，简化了外部配套、保障设备，可相应降低用户的使用成本，且使用更方便。I/F转换电路2将三个加速度计输出的三路反馈电流信号转换为计算机可读取的脉冲信号，再经过脉冲计数接口电路3输入至综合信息处理器CPU6。数字接口电路5将三个光纤陀螺12及温度传感器14输出的模拟信号转换成数字信号，并输入至综合信息处理器CPU6中。综合信息处理器CPU6采集经数字接口电路5和脉冲计数接口电路3来的三个光纤陀螺12、三个石英挠性加速度计13和温度传感器14输出的原始数据，利用预先建立的误差模型进行误差补偿，包括：安装误差和温度误差；再进行惯性导航解算，在导航解算的基础上，建立系统的状态方程，并根据外界输入的辅助速度信息进行kalman滤波，通过滤波获得姿态误差并完成对纯惯性的修正，从而获得高精度的姿态信息输出，并采用RS422串口输出系统信息。

如图2所示，图1中各部分采用一体化设计，均装在一个外壳7内，外壳7采用耐腐蚀铝合金材料，表面为气密设计，且有三向安装基准面、可拆卸的方位瞄准棱镜及电缆插座10，均按相关军用标准进行设计或配置，可方便产品在各类舰船及其它载体上的安装与固定，连接电缆都采用了屏蔽护套，可进一步提高系统与外部通讯的可靠性。外壳7四周为多筋结构8，不仅提高结构强度，降低了产品重量，同时增大了产品的散热面，从而改善了整个产品的力学、温度性能；外壳7采用多基准面设计，即在外壳7的六个面上均有精度很高的水平基准和垂直基准9，保证了该系统在测试及安装时六个面的水平度和垂直度，实现了不需要精密工装的条件下完成多位置测试，避免了测试工装多次拆装所带来的安装误差，提高了测试精度，简化了测试流程，同时也降低了产品成本。

如图3所示，I/F转换电路2采用电荷平衡式原理，电路由积分器、比较电路、逻辑电路、高精度恒流源等组成。该技术方案成熟、可靠、实施方便，经过简单的调整就可满足加速度信号的测量范围与转换精度的要求。其工作原理如下：

设分流电阻是由R_in1和R_in2组成，加表输出电流为I，进入积分器电流I_in为：

$I_{in}=\frac{R_{in1}}{R_{in2}}\&times;I$

该电流进入积分器进行积分，积分后输出为u，由电容的电压和电流的关系得：

$-C\frac{du}{dt}=I_{in}$

解这个微分方程可以得到：

$u=-\frac{1}{C}{\&Integral;}_0^t{I}_{in}\&times;dt$

在一个很小的导航周期内，可以近似的看作加速度恒定，所以I_in恒定，可以得到：

$u=-\frac{1}{C}\&times;I_{in}\&times;t+u_{\left(0\right)}$

从运放输出可以发现输出随线形的上升(I_in为负)或者下降(I_in为正)当上升或者下降到比较电压时，比较器翻转，下面分析当I_in大于0的时候的情况(I_in小于0的情况原理相同)。当下降到小于比较电压时，比较器输出高电平，导致控制负电压源开启的模拟开关打开，恒定的电流流入积分器输入端，因为恒流源|I_S|大于I_in，所以积分器的输出：

$0-u=\frac{1}{C}{\&Integral;}_0^t(I_{in}+I_s)\&times;dt$

解这个微分方程为：

$u=-\frac{1}{C}\&times;(I+I_{in})\&times;t+u_{\left(0\right)}$

由于I_S小于0且|I_S|大于I_in，输出上升，由于频标和D触发器的控制，模拟开关只能导通一个频标的周期，在恒流源作用的这一个频标周期内使积分器输出电压上升到高于比较电压，然后恒流源关闭，输出在I_in的作用下再一次下降，从而又一次达到比较电压而模拟开关打开。以这样的原理周而复始，所以从宏观上看，相当|I_S|在一个导通周期T_on(频标周期)内带走的电荷需要I_in在整个周期(输出周期)内来补偿，则：

I_in×T＝|I_S|×T_on

整理得输出频率f为：

$f=\frac{1}{T}=\frac{I_{in}}{I_s}\&times;\frac{1}{T_{on}}=k\&times;I$

由公式可以看出，输出的频率和输入的电流成严格的线性关系而且仅仅和输入电流、恒流源大小和频标有关，所以要想得到一个精确的I/F转换电路2，必须得到精确的恒流源，精确的导通时间，而这些因素却和电路有着非常紧密的联系。

如图4所示，数字接口电路5包括在计算机电路板中，实现三路光纤陀螺接口与计算机电路板的电气接口匹配，以及陀螺数据的读取、缓存功能。采用了数据总线驱动芯片实现数据驱动增强与隔离；采用了RC滤波电路以及施密特触发器芯片实现脉冲信号的滤波与整形；采用了基于FIFO芯片实现数据缓存技术；采用了单片机控制数字接口电路的工作时序实现多处理器的协同处理。

如图4所示，脉冲计数接口电路3包括在计算机电路板中，实现I/F转换电路2与计算机电路板的电气接口匹配、六路I/F脉冲信号的采集以及I/F转换所需基准时钟信号的输出。采用了16位可逆计数器对正负两路脉冲信号同时计数并相减；采用了RC滤波电路以及施密特触发器芯片实现脉冲信号的滤波与整形。

如图4所示，综合信息处理器CPU包括在计算机电路板中，实现计算机电路板上芯片的复位、初始化、时序控制，三轴角速度、三轴线加速度的数据补偿，姿态以及导航数据解算。采用了美国德州仪器公司，即TI公司的SMQ320C32DSP处理器，可编程逻辑器件FPGA，随机存储器SRAM、程序存储器EEPROM以及AD采集电路等器件组成。采用高速浮点DSP处理器芯片完成对光纤陀螺和加速度计的信号采集、外部辅助信号的采集、误差补偿及捷联系统解算等，采用FPGA逻辑芯片对DSP外围接口电路进行集成设计，并采用RS422串口输出系统信息；该设计方案可提高系统的计算速度、软件运行及数据通信的可靠性，同时也可降低电路功耗。

如图5所示，本发明综合信息处理器CPU6的处理流程如下：首先，DSP采集光纤陀螺、加速度计输出的原始数据，利用预先建立的误差模型进行误差补偿(包括安装误差和温度误差等)；随后，进行惯性导航解算，在导航解算的基础上，建立系统的状态方程，并根据外界输入的速度信息进行kalman滤波，通过滤波获得姿态误差并完成对纯惯性的修正，从而获得高精度的姿态信息输出。

安装误差补偿主要是对光纤陀螺和加速度计在安装过程中引入的非正交失准角误差进行补偿，其补偿原理如下：

光纤陀螺输出可以写为

D_x＝D_x0+K_xω_x+K_yxω_y+K_zxω_z+ε_x

D_y＝D_y0+K_yω_y+K_xyω_x+K_zyω_z+ε_y.............................(1)

D_z＝D_z0+K_zω_z+K_yzω_y+K_xzω_x+ε_z

令输出为

D＝[D_xD_yD_y]^T

零位为

D₀＝[D_x0D_y0D_y0]^T

记

$\left[\begin{array}{c}{K}_x{\mathrm{\&omega;}}_x+K_{yx}{\mathrm{\&omega;}}_y+K_{zx}{\mathrm{\&omega;}}_z\\ K_y{\mathrm{\&omega;}}_y+K_{xy}{\mathrm{\&omega;}}_x+K_{zy}\mathrm{\&omega;}\\ K_z{\mathrm{\&omega;}}_z+K_{yz}{\mathrm{\&omega;}}_y+K_{xz}{\mathrm{\&omega;}}_x\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& \frac{K_{yx}}{K_y}& \frac{K_{zx}}{K_z}\\ \frac{K_{xy}}{K_x}& 1& \frac{K_{zy}}{K_z}\\ \frac{K_{xz}}{K_x}& \frac{K_{yz}}{K_y}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{K}_x{\mathrm{\&omega;}}_x\\ K_y{\mathrm{\&omega;}}_y\\ K_z{\mathrm{\&omega;}}_z\end{array}\right]=E\mathrm{\&Omega;}$

其中，为安装误差矩阵；

Ω＝[K_xω_xK_yω_yK_zω_z]^T

随机误差为

ε＝[ε_xε_yε_z]^T

于是式(1)写成矩阵形式

D＝D₀+EΩ+ε..............................................(2)

在速率转台上取相应的速率点进行测试，通过对陀螺的输出进行线性回归就可以求取光纤陀螺的标定系数K＝[K_xK_yK_z]^T、零位D₀和安装系数矩阵E。

加速度计的补偿原理同光纤陀螺的相似，不同的是将天向和地向重力加速度及其分量作为标准输入进行测试，通过对加速度计的输出进行线性回归就可以求取其标定系数、零位和安装系数矩阵。

温度误差补偿过程主要是对温度变化引起的陀螺、加速度计的零位误差进行补偿，过程简述如下：

陀螺输出模型简化为

D＝D₀+K_g·w

式中，D₀为陀螺零位，K_g为陀螺比例系数，w为输入角速度，D为陀螺的输出。

陀螺零位D₀温度误差模型为

D₀＝D_T0+D_T1T+D_T2T²+D_T3T³

式中，D_T0，D_T1，D_T2，D_T3为误差系统，T为温度。

加速度计输出模型简化为

A＝A₀+K_a·a

式中，A₀为加速度计零位，K_a为加速度计比例系数，a为输入加速度，A为加速度计输出。

加速度计零位温度误差模型

A₀＝A_T0+A_T1T+A_T2T²+A_T3T³

式中，A_T0，A_T1，A_T2A_T3为误差系统，T为温度。

采用辅助的速度信息对光纤陀螺捷联垂直基准系统进行kalman滤波校正所用的基本公式如下：

a)速度误差方程

$\mathrm{\&delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{\stackrel{\&OverBar;}{V}}}^{n^{\&prime;}}={\stackrel{\&OverBar;}{f}}^n\&times;{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&phi;}}}^{n^{\&prime;}}-(2{\stackrel{\&OverBar;}{w}}_{ie}^n+{\stackrel{\&OverBar;}{w}}_{en}^n)\&times;\mathrm{\&delta;}{\stackrel{\&OverBar;}{V}}^{n^{\&prime;}}+\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&OverBar;}{\&dtri;}}^{n^{\&prime;}}\mathrm{...}\left(3\right)$

式中，为垂直基准系统输出的速度误差；为系统测量比力的反对称矩阵。为有害加速度的反对称矩阵；为加速度计误差；为平台失调角。

b)失调角微分方程

${\stackrel{\&CenterDot;}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&phi;}}}}^{n^{\&prime;}}=-{\stackrel{\&OverBar;}{w}}_{in}^n\&times;{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&phi;}}}^{n^{\&prime;}}+\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}}^{n^{\&prime;}}\mathrm{...}\left(4\right)$

式中，为陀螺测量误差；

c)速度差量测方程

${\stackrel{\&OverBar;}{Z}}_v={\stackrel{\&OverBar;}{V}}^{n^{\&prime;}}-C_b^t({\stackrel{\&OverBar;}{w}}_{ib}^b\&times;{\stackrel{\&OverBar;}{R}}_o^b)=\mathrm{\&delta;}{\stackrel{\&OverBar;}{V}}^{n^{\&prime;}}+{\stackrel{\&OverBar;}{v}}_v\mathrm{...}\left(5\right)$

式中，为捷联垂直基准速度输出值；为在机体系表示杆臂速度；为转换矩阵。由于舰船的摇摆运动将使捷联垂直基准的加速度计敏感到附加的杆臂加速度，其误差表达形式为：为了克服其影响，本发明不采用对加速度信息进行补偿的方式，而是直接对速度进行补偿，补偿公式为(5)中的项，这种采用速度补偿可以避免对角速度求微分带来误差，从而输出更高精度的姿态信息。

Claims (5)

1.船用一体化光纤陀螺捷联垂直基准系统，其特征在于：采用一体化设计，全部装在一个外壳中，主要包括光纤陀螺惯组、I/F转换电路、脉冲计数接口电路、二次电源AC/DC电路、数字接口电路、综合信息处理器CPU，其中，

光纤陀螺惯组：包括本体结构及安装其上的三个光纤陀螺、三个加速度计和温度传感器，本体结构用于正交安装三个光纤陀螺和三个加速度计以及温度传感器；三个相同的光纤陀螺完成捷联垂直基准三个正交轴的角速度测量；三个相同的加速度计完成系统三个正交轴的视加速度测量；温度传感器实时测量惯组本体的温度，并以此作为各惯性仪表温度误差模型的输入信号，实时补偿环境温度变化引起的惯性仪表误差；

二次电源AC/DC电路：将舰船上的交流电源220VAC/50Hz信号变换为惯组内各部件所需的直流电源信号；

I/F转换电路和脉冲计数接口电路：I/F转换电路将三个加速度计输出的三路反馈电流信号转换为计算机可读取的脉冲信号，再经过脉冲计数接口电路输入至综合信息处理器CPU；

数字接口电路：将三个光纤陀螺及温度传感器输出的模拟信号转换成数字信号，并输入至综合信息处理器CPU；

综合信息处理器CPU：采集经数字接口电路和脉冲计数接口电路来的三个光纤陀螺、三个加速度计输出和温度传感器的原始数据；利用预先建立的误差模型进行误差补偿，包括：安装误差和温度误差；再进行惯性导航解算，在导航解算的基础上，建立系统的状态方程，并根据外界输入的辅助速度信息进行kalman滤波，通过滤波获得姿态误差并完成对纯惯性的修正。

2.根据权利要求1所述的船用一体化光纤陀螺捷联垂直基准系统，其特征在于：采用高速浮点DSP处理器芯片完成对光纤陀螺和加速度计的信号采集、外部辅助信号的采集、误差补偿及捷联系统解算。

3.根据权利要求1所述的船用一体化光纤陀螺捷联垂直基准系统，其特征在于：所述的外壳采用耐腐蚀铝合金材料，表面为气密设计。

4.根据权利要求1所述的船用一体化光纤陀螺捷联垂直基准系统，其特征在于：所述的外壳四周为多筋结构。

5.根据权利要求1所述的船用一体化光纤陀螺捷联垂直基准系统，其特征在于：所述的温度误差补偿过程主要是对温度变化引起的陀螺、加速度计的零位误差分别进行补偿，补偿过程为：将陀螺输出模型简化为：D＝D₀+K_g·w，其中D₀为陀螺零位，K_g为陀螺比例系数，w为输入角速度，D为陀螺的输出；陀螺零位D₀温度误差模型为D₀＝D_T0+D_T1T+D_T2T²+D_T3T³，其中D_T0，D_T1，D_T2，D_T3为误差系统，T为温度；将加速度计输出模型简化为：A＝A₀+K_a·a，其中A₀为加速度计零位，K_a为加速度计比例系数，a为输入加速度，A为加速度计输出，加速度计零位温度误差模型：A₀＝A_T0+A_T1T+A_T2T²+A_T3T³，其中A_T0，A_T1，A_T2A_T3为误差系统，T为温度。