CN113418520A - 基于互补压控振荡器电磁陀螺工作角速率测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
基于互补压控振荡器电磁陀螺工作角速率测量装置及方法,涉及角速率测量、卫星导航定位以及深空深海导航定位应用领域。本发明的目的是为了解决现有的角速率测量装置,存在测量精度低的问题。本申请的两个同心环路各接收到1个频率信号后各输出1个电磁脉冲信号给鉴相器,当角速率的敏感环路建立模块具有角速率时,则该角速率将导致两个同心环路产生不同的频率增量,该频率增量变化为互补变化,使鉴相器检测到相位差或时差信号,通过负反馈机理依次通过低通滤波器和2个压控振荡器,2个压控振荡器输出的频率信号产生互补频率变化,频率信号处理模块根据2个压控振荡器输出的频率信号,获得电磁陀螺工作角速率。它用于获得电磁陀螺工作角速率。
Description
技术领域
本发明涉及角速率测量、卫星导航定位以及深空深海导航定位应用领域。
背景技术
角速率测量在卫星或潜艇自主导航应用中具有极其重要的工程应用价值和战略意义,不依赖外部控制的高度自主定姿装置,可以极大减轻系统的操作难度,增加系统的抗干扰和自主生存能力。但是现有采用单个陀螺工作的方式来测量角速率,导致角速率测量精度低。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的角速率测量装置,存在测量精度低的问题,现提供基于互补压控振荡器电磁陀螺工作角速率测量装置及方法。
基于互补压控振荡器电磁陀螺工作角速率测量装置,所述装置包括2个压控振荡器、鉴相器、低通滤波器、角速率的敏感环路建立模块和频率信号处理模块,
角速率的敏感环路建立模块,与鉴相器连接,用于建立两个同心环路,一个环路为顺时针方向的电磁脉冲路径,另一个环路为逆时针方向的电磁脉冲路径,两个同心环路各有一个频率信号输入端和一个电磁脉冲信号输出端,所述2个频率信号输入端分别连接2个压控振荡器的输出,所述电磁脉冲信号输出端作为鉴相器的输入,每个同心环路接收一个压控振荡器输出的频率信号,输出电磁脉冲信号传输给鉴相器;
鉴相器,与低通滤波器连接,用于根据2个电磁脉冲信号,得到相位差或时差信号,输出脉冲信号给低通滤波器,当相位差或时差信号为0时,角速率为0,此时输出的脉冲信号与上一时刻相同,当相位差或时差信号不为0时,此时输出的脉冲信号与上一时刻不同;
低通滤波器,同时与2个压控振荡器连接,用于在接收到鉴相器输出的脉冲信号后,向2个压控振荡器分别输出1个电压控制信号;
每个压控振荡器各连接一个同心环路,用于向连接的同心环路输入频率信号,还用于在接收到电压控制信号后,输出频率信号;
所述2压控振荡器输出的2个频率信号为互补变化,一个频率信号增加,另一个频率信号降低;
频率信号处理模块,根据2个压控振荡器输出的频率信号,获得电磁陀螺工作角速率。
优选地,根据时差信号,得到角速率的过程为:
当环路以电磁陀螺工作角速率ω旋转时,顺时针方向的电磁脉冲信号到达时间tcw为:
当环路以角速率ω旋转时,逆时针方向的电磁脉冲信号到达时间tccw为:
式中,R为两个同心环路的半径,ω为初始角速率,c为光速;
到达时间差信号Δt为:
到达时间和信号t0为:
根据公式3和公式4,得到时差信号与角速率的关系为:
优选地,电磁陀螺工作角速率的获得过程为:
当两个同心环路时延因为角速率发生互补变化时,输入至两个同心环路的频率信号引入的时间变化量应与角速率引入的时差变化相平衡,设顺时针发送的电磁脉冲信号周期为Tcw,逆时针发送的电磁脉冲信号周期为Tccw,因此,顺时针电磁脉冲信号等效频率增量Δfcw为:
逆时针电磁脉冲信号等效频率增量Δfccw为:
频差为:
电磁陀螺工作角速率:
根据基于互补压控振荡器电磁陀螺工作的角速率测量装置实现的测量方法,所述方法包括以下步骤:
步骤1、建立两个同心环路,一个环路为顺时针方向的电磁脉冲路径,另一个环路为逆时针方向的电磁脉冲路径,每个同心环路接收一个频率信号,输出电磁脉冲信号;
步骤2、根据步骤一得到的2个电磁脉冲信号,得到相位差或时差信号,当输出脉冲信号相位差或时差信号为0时,角速率为0,此时输出的脉冲信号与上一时刻相同,当相位差或时差信号不为0时,此时输出的脉冲信号与上一时刻不同;
步骤3、在接收到步骤2输出的脉冲信号后,输出2个电压控制信号;
步骤4、在接收到电压控制信号后,输出频率信号,所述输出的2个频率信号为互补变化,一个频率信号增加,另一个频率信号降低;
步骤5、根据步骤4输出的频率信号,获得电磁陀螺工作角速率。
优选地,根据时差信号,得到角速率的过程为:
当环路以电磁陀螺工作角速率ω旋转时,顺时针方向的电磁脉冲信号到达时间tcw为:
当环路以角速率ω旋转时,逆时针方向的电磁脉冲信号到达时间tccw为:
式中,R为两个同心环路的半径,ω为初始角速率,c为光速;
到达时间差信号Δt为:
到达时间和信号t0为:
根据公式3和公式4,得到到达时间差信号不为0时的角速率:
优选地,电磁陀螺工作角速率的获得过程为:
当两个同心环路时延因为角速率发生互补变化时,输入至两个同心环路的频率信号引入的时间变化量应与角速率引入的时差变化相平衡,设顺时针发送的电磁脉冲信号周期为Tcw,逆时针发送的电磁脉冲信号周期为Tccw,因此,顺时针电磁脉冲信号等效频率增量Δfcw为:
逆时针电磁脉冲信号等效频率增量Δfccw为:
频差为:
电磁陀螺工作角速率:
本发明的有益效果是:
Sagnac效应与角速率具有严格的函数关系,这种关系是激光陀螺与光纤陀螺的基础,可为卫星或潜艇提供角速率等姿态信息,高精度的角速率测量部件可以作为标校基准,从而提高定位导航精度,具有重要的科学意义与工程应用价值。基于Sagnac效应的互补VCO电磁陀螺是通过双环角速率敏感部件与互补压控振荡器(VCO)产生的互补频率的作用机理,产生相对频差与角速率成正比实现角速度测量的。从以上分析可知,互补压控振荡器(VCO)电磁陀螺是一种敏感角速率、应用于卫星或潜艇导航系统的基础部件,采用全电结构实现了与激光陀螺、光纤陀螺相同的功能,并且可以在实现高精度角速率测量的条件下利用微电子与微波技术实现测量装置的小型化,甚至实现片上系统,适合于自主导航定位应用。因此,本申请采用互补VCO电磁陀螺工作来测量角速率,测量精度高。
附图说明
图1为由角速率的敏感环路建立模块建立的两个同心环路的结构示意图;
图2为基于互补压控振荡器电磁陀螺工作角速率测量装置的原理示意图;
图3为使用2个压控振荡器将2个初始频率信号调控成2个互补的频率。
具体实施方式
具体实施方式一:结合图1和图2说明本实施方式,本实施方式所述的基于互补压控振荡器电磁陀螺工作角速率测量装置,所述装置包括2个压控振荡器4、鉴相器2、低通滤波器3、角速率的敏感环路建立模块1和频率信号处理模块,
角速率的敏感环路建立模块1,与鉴相器2连接,用于建立两个同心环路,一个环路为顺时针方向的电磁脉冲路径,另一个环路为逆时针方向的电磁脉冲路径,两个同心环路各有一个频率信号输入端和一个电磁脉冲信号输出端,所述2个频率信号输入端分别连接2个压控振荡器4的输出,所述电磁脉冲信号输出端作为鉴相器2的输入,每个同心环路接收一个压控振荡器输出的频率信号,输出电磁脉冲信号传输给鉴相器2;
鉴相器2,与低通滤波器3连接,用于根据2个电磁脉冲信号,得到相位差或时差信号,输出脉冲信号给低通滤波器3,当相位差或时差信号为0时,角速率为0,此时输出的脉冲信号与上一时刻相同,当相位差或时差信号不为0时,此时输出的脉冲信号与上一时刻不同;
低通滤波器3,同时与2个压控振荡器4连接,用于在接收到鉴相器2输出的脉冲信号后,向2个压控振荡器4分别输出1个电压控制信号;
每个压控振荡器4各连接一个同心环路,用于向连接的同心环路输入频率信号,还用于在接收到电压控制信号后,输出频率信号;
所述2压控振荡器4输出的2个频率信号为互补变化,一个频率信号增加,另一个频率信号降低;
频率信号处理模块,根据2个压控振荡器4输出的频率信号,获得电磁陀螺工作角速率。
本实施方式中,2个压控振荡器4为互补压控特性,一个压控振荡器控制电压控制信号增加时输出频率信号升高,一个压控振荡器控制电压控制信号增加时输出频率信号降低。
每个压控振荡器4的输出,分别与角速率的敏感环路建立模块1连接,作为敏感环路的频率信号源,当角速率的敏感环路建立模块具有角速率时,则该角速率将导致不同方向的敏感环路产生不同的频率增量,该频率增量变化为互补变化,即一个频率升高变化,一个频率降低变化,使鉴相器2检测到的相位差变化,通过负反馈机理,所述2个压控振荡器4输出的频率信号产生互补频率变化。
在图1中,采用微带电路形成半径为R的两个同心环路,其中一个为顺时针电磁脉冲信号路径,另一个为逆时针电磁脉冲信号路径。两路电磁脉冲信号以对称形式由外侧输入,由内侧输出(如图1中箭头示意)。当角速率ω=0时,电磁脉冲信号在顺时针与逆时针环路中的传输时间均为(假设真空环境)。当环路以角速率ω旋转时,其顺时针方向的电磁脉冲信号传输时间为:
而逆时针方向的电磁脉冲信号传输时间为
根据(1)式与(2)式,则时间“和”为
时间“差”为
因此有:
其相对时差与角速率成正比。因此获得了两个环路的传输时间,则可以获得角速率,这是利用Sagnac效应敏感角速率的基本原理。
在(公式1)与(公式2)中,ωR即为电磁脉冲信号环路旋转的线速度v,通常该速度远远小于光速,因此可表示为
以及
原理上对信号时差的检测可以采用鉴相器实现。由于时差非常小,将两路信号分别与基准信号进行鉴相比较会因鉴相器一致性差带来很大的偏差,因此采用单一鉴相器对两路环路输出的电磁脉冲信号进行时差检测。又由于角速率对两路电磁脉冲信号周期或频率以互补形式出现,因此提出互补电压-频率特性的压控振荡器(VCO)生成互补电磁脉冲信号频率,对角速率引起的信号周期变化或频率变化进行动态同步控制,其原理电路如图2所示。
具体实施方式二:本实施方式是对具体实施方式一所述的基于互补压控振荡器电磁陀螺工作角速率测量装置,根据时差信号,得到角速率的过程为:
当环路以电磁陀螺工作角速率ω旋转时,顺时针方向的电磁脉冲信号到达时间tcw为:
当环路以角速率ω旋转时,逆时针方向的电磁脉冲信号到达时间tccw为:
式中,R为两个同心环路的半径,ω为初始角速率,c为光速;
到达时间差信号Δt为:
到达时间和信号t0为:
根据公式3和公式4,得到时差信号与角速率的关系为:
具体实施方式三:本实施方式是对具体实施方式二所述的基于互补压控振荡器电磁陀螺工作角速率测量装置,电磁陀螺工作角速率的获得过程为:
当两个同心环路时延因为角速率发生互补变化时,输入至两个同心环路的频率信号引入的时间变化量应与角速率引入的时差变化相平衡,设顺时针发送的电磁脉冲信号周期为Tcw,逆时针发送的电磁脉冲信号周期为Tccw,因此,顺时针电磁脉冲信号等效频率增量Δfcw为:
逆时针电磁脉冲信号等效频率增量Δfccw为:
频差为:
电磁陀螺工作角速率:
本实施方式中,在图2中,当角速率ω=0时,由压控振荡器发送的频率信号fcw及fccw经过环路后,其延时相同,经过鉴相器检测时差,如果是同频同相,则压控振荡器内锁相环输出稳定的频率信号f0,即电磁陀螺未转动时2个压控振荡器输出的频率信号f0;如果不同,则鉴相器检测到时差,在负反馈机制下,调整压控振荡器频率,并最终将压控振荡器频率调控到f0,并且在鉴相器输入端的信号为同频同相,处于同步运行工作状态(V0,f0),如图3所示,其中,V0表示VCO工作点控制电压,图3中横坐标Vc0表示VCO电压,纵坐标f表示VCO工作频率。
当环路具有角速率时,顺时针与逆时针方向的信号传输时间将产生增量,在鉴相器输入端出现时差,当检测到时差信号时,低通滤波器输出变化的压控振荡器电压控制信号,调控压控振荡器频率,当压控振荡器输出的频率信号平衡了角速率引起的时差后,处于新的工作频率上,并且两路VCO频率为互补变化,即一路信号频率升高,一路信号频率降低。
由互补压控振荡器等组成的锁相环在负反馈机制的作用下补偿平衡了旋转角速率引入的延时变化,因此对于延时增加的环路其电磁脉冲需要超前输出,而延时减小的环路其电磁脉冲需要滞后输出。超前输出的信号频率将升高,而滞后输出的频率将降低。由于是互补变化,因此设顺时针环路与逆时针环路的信号频率分别为
fcw=f0+Δf (公式10)
及
fccw=f0-Δf (公式11)
因此
fcw+fccw=2f0
fcw-fccw=2Δf
其中Δf为信号频差增量。
当环路时延因为旋转角速率发生互补变化时,每个压控振荡器(4)的输出作为敏感环路的频率信号源信号引入的时间变化量应与角速率引入的时差变化相平衡。设顺时针发送的电磁脉冲信号周期为Tcw,逆时针发送的电磁脉冲信号周期为Tccw。因此对于顺时针电磁脉冲信号等效频率增量应为
及
其频差为
因此有
由公式9可见,角速率与相对频率成正比,检测到频率变化,则可获得角速率参数。
具体实施方式四:根据具体实施方式一所述的基于互补压控振荡器电磁陀螺工作角速率测量装置实现的测量方法,所述方法包括以下步骤:
所述方法包括以下步骤:
步骤1、建立两个同心环路,一个环路为顺时针方向的电磁脉冲路径,另一个环路为逆时针方向的电磁脉冲路径,每个同心环路接收一个频率信号,输出电磁脉冲信号;
步骤2、根据步骤一得到的2个电磁脉冲信号,得到相位差或时差信号,当输出脉冲信号相位差或时差信号为0时,角速率为0,此时输出的脉冲信号与上一时刻相同,当相位差或时差信号不为0时,此时输出的脉冲信号与上一时刻不同;
步骤3、在接收到步骤2输出的脉冲信号后,输出2个电压控制信号;
步骤4、在接收到电压控制信号后,输出频率信号,所述输出的2个频率信号为互补变化,一个频率信号增加,另一个频率信号降低;
步骤5、根据步骤4输出的频率信号,获得电磁陀螺工作角速率。
本实施方式中,输出的2个频率信号为互补变化,互补压控振荡器(VCO)电磁陀螺通过测量敏感角速率,敏感的角速率与互补压控振荡器相对频差成正比。由鉴相器输出的电压信号同时控制互补压控振荡器(VCO)电压,并产生互补的频率变化。
具体实施方式五:本实施方式是对具体实施方式四所述的基于互补压控振荡器电磁陀螺工作角速率测量方法,根据时差信号,得到角速率的过程为:
当环路以电磁陀螺工作角速率ω旋转时,顺时针方向的电磁脉冲信号到达时间tcw为:
当环路以角速率ω旋转时,逆时针方向的电磁脉冲信号到达时间tccw为:
式中,R为两个同心环路的半径,ω为初始角速率,c为光速;
到达时间差信号Δt为:
到达时间和信号t0为:
根据公式3和公式4,得到到达时间差信号不为0时的角速率:
具体实施方式六:本实施方式是对具体实施方式五所述的基于互补压控振荡器电磁陀螺工作角速率测量方法,电磁陀螺工作角速率的获得过程为:
当两个同心环路时延因为角速率发生互补变化时,输入至两个同心环路的频率信号引入的时间变化量应与角速率引入的时差变化相平衡,设顺时针发送的电磁脉冲信号周期为Tcw,逆时针发送的电磁脉冲信号周期为Tccw,因此,顺时针电磁脉冲信号等效频率增量Δfcw为:
逆时针电磁脉冲信号等效频率增量Δfccw为:
频差为:
电磁陀螺工作角速率:
Claims (6)
1.基于互补压控振荡器电磁陀螺工作角速率测量装置,其特征在于,所述装置包括2个压控振荡器(4)、鉴相器(2)、低通滤波器(3)、角速率的敏感环路建立模块(1)和频率信号处理模块,
角速率的敏感环路建立模块(1),与鉴相器(2)连接,用于建立两个同心环路,一个环路为顺时针方向的电磁脉冲路径,另一个环路为逆时针方向的电磁脉冲路径,两个同心环路各有一个频率信号输入端和一个电磁脉冲信号输出端,所述2个频率信号输入端分别连接2个压控振荡器(4)的输出,所述电磁脉冲信号输出端作为鉴相器(2)的输入,每个同心环路接收一个压控振荡器输出的频率信号,输出电磁脉冲信号传输给鉴相器(2);
鉴相器(2),与低通滤波器(3)连接,用于根据2个电磁脉冲信号,得到相位差或时差信号,输出脉冲信号给低通滤波器(3),当相位差或时差信号为0时,角速率为0,此时输出的脉冲信号与上一时刻相同,当相位差或时差信号不为0时,此时输出的脉冲信号与上一时刻不同;
低通滤波器(3),同时与2个压控振荡器(4)连接,用于在接收到鉴相器(2)输出的脉冲信号后,向2个压控振荡器(4)分别输出1个电压控制信号;
每个压控振荡器(4)各连接一个同心环路,用于向连接的同心环路输入频率信号,还用于在接收到电压控制信号后,输出频率信号;
所述2压控振荡器(4)输出的2个频率信号为互补变化,一个频率信号增加,另一个频率信号降低;
频率信号处理模块,根据2个压控振荡器(4)输出的频率信号,获得电磁陀螺工作角速率。
4.根据权利要求1所述的基于互补压控振荡器电磁陀螺工作角速率测量装置实现的测量方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤1、建立两个同心环路,一个环路为顺时针方向的电磁脉冲路径,另一个环路为逆时针方向的电磁脉冲路径,每个同心环路接收一个频率信号,输出电磁脉冲信号;
步骤2、根据步骤一得到的2个电磁脉冲信号,得到相位差或时差信号,当输出脉冲信号相位差或时差信号为0时,角速率为0,此时输出的脉冲信号与上一时刻相同,当相位差或时差信号不为0时,此时输出的脉冲信号与上一时刻不同;
步骤3、在接收到步骤2输出的脉冲信号后,输出2个电压控制信号;
步骤4、在接收到电压控制信号后,输出频率信号,所述输出的2个频率信号为互补变化,一个频率信号增加,另一个频率信号降低;
步骤5、根据步骤4输出的频率信号,获得电磁陀螺工作角速率。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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