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陆用定位定向系统

1、概述

        陆用定位定向系统系统采用三轴光纤陀螺仪敏感载体角运动,输出与载体运动角速率成比例的数字信号;三个正交配置的石英挠性加速度计敏感载体的线加速度,输出与其成比例的电流信号,电流信号经过I/F转换电路转换为频率信号输入导航计算机。导航计算机完成陀螺仪、加速度计、外接GPS的数据接收、系统误差补偿计算、导航解算,并以规定的周期通过监控口对外发送实时的速度、位置、姿态等导航信息。

1.1 光纤陀螺仪

        光纤陀螺是基于萨格奈克(Sagnac)效应的一种光纤干涉仪,即在同一光纤传感环圈内相向传输的两束光干涉,构成光纤Sagnac干涉仪,如图2所示。

 

图2 光纤陀螺原理图

来自光源的光束被分/合束器分为两束光,分别从光纤圈的两端耦合进光纤敏感线圈,沿顺、逆时针方向传播。从光纤圈两端出来的两束光,再经过分/合束器而叠加产生干涉,产生的相位差与环的旋转角速度成正比:

          …………………………………………(1)

其中,

L光纤长度;

D光纤环的平均直径;

光在真空中的波长;

光在真空中的速度。

通过检测相位差(即干涉光强)就可以获得角速率的信息,其中项就是陀螺的标度因数。

 

图3光纤环实物图

光纤陀螺仪采用高精度三轴光纤陀螺仪,该光纤陀螺采用全数字闭环光纤陀螺方案,其光路部分由光源、耦合器、集成Y波导、光纤传感环圈和探测器五个器件组成。采用共用掺铒光纤光源的方案,三个光纤传感环圈分别敏感三个方向的角运动,由各自对应的电路板完成信号的处理并输出角速率信息。

图4 光源方案框图

在研制过程中,突破了掺铒光纤光源技术、零启动技术、标度因数误差控制技术等多项关键技术,使得光纤陀螺在-10℃~50℃工作温度范围内,零启动条件下,零偏稳定性均优于0.02º/h(1σ)。

其主要技术指标如下:

准备时间≤15s;

零偏稳定性(平均时间100s)≤0.02 /h(1σ);

零偏重复性(稳定环境,平均时间100s)≤0.02(1σ) /h;

随机游走系数≤ 0.005/;

标度因数非线性度≤ 50ppm;

标度因数重复性≤ 50(1σ) ppm;

陀螺测量范围不小于±300/s。


1.1 加速度计

        加速度计采用石英挠性加速度计。石英挠性加速度计是机械摆式力平衡加速度计,它由表头和伺服电路两大部分组成。表头由整体石英挠性检测质量摆组件、上下力矩器、腹带及隔离环等连接件、壳体等零部件构成。伺服电路为混合集成电路,由基准三角波发生器、差动电容检测器、电流积分器、跨导补偿放大器和电压调节器等五部分组成。

        加速度计安装在载体上,当载体在加速度计输入轴方向上相对惯性空间有加速度运动时,加速度计检测质量摆将产生惯性力矩,且:

Mg =mLai …………………………………………(2)

其中,

Mg ──检测质量摆的惯性力矩;

M ──检测质量摆的质量;

L ──检测质量摆的质量中心至挠性枢轴的距离;

ai ──加速度计输入轴方向的输入加速度。

惯性力矩使检测质量摆绕挠性枢轴产生角位移,该角位移使差动电容传感器产生电容差值,在小角位移时:

Δc =KpΔα…………………………………………(3)

其中,

Δc──电容差值;

Kp ──差动电容传感器在零位附近的传递系数;

Δα──检测质量摆的角位移。

该电容差值经伺服电路变换成电流信号,该电流输出向力矩器产生一电磁反馈力矩:

Mt =Kt I …………………………………………(4)

其中,

Mt ──力矩器的反馈力矩;

Kt ──力矩器的力矩系数;

I ──通入力矩器线圈的电流。

当Mt =Mg 时:

I=(mL/Kt )ai…………………………………………(5)

其中,mL/Kt ──电流标度因数,即当输入的加速度为1g时所需的反馈电流。

当力矩器反馈力矩与检测质量摆的惯性力矩相平衡时,力矩器线圈中所需的电流与输入加速度成正比。因此测量力矩平衡时流经力矩器线圈的电流值,即可测得载体沿加速度计输入轴上的运动加速度。

其主要技术指标如下:

测量范围:-20g~+20g;

阈值:不大于5×10-6g;

标度因数月重复性:不大于3.5×10-5 (1σ);

标度因数温度系数:不大于6×10-5/℃(-40°C~+60°C);

二阶非线性系数:不大于3×10-5g/g2;

偏值:不大于6×10-3g;

偏值温度系数:不大于2.5×10-5g/℃(-40°C~+60°C);

偏值月重复性:不大于2.5×10-5g (1s);

带宽:不小于800Hz。


2、性能指标

陆用定位定向系统包含多种导航模式,可以与GPS组成组合导航系统。

2.1 纯导航模式

陆用定位定向系统初始对准分为单位置静态对准和双位置对准两种方式,双位置对准方式定位精度高于单位置静态对准方式。

方位对准精度:≤0.01°sec(Φ)(1σ,Φ为当地纬度);

水平姿态对准精度:≤0.02°(1σ);

方位保持精度:0.05°/h;

水平姿态保持精度:0.03°/h。

定位精度(50%CEP):≤2nm/h(10min静态对准);

水平速度精度(RMS):≤2m/s(10min静态对准);

定位精度(50%CEP):≤1nm/h(双位置对准,对准时间小于30min);

水平速度精度(RMS):≤1m/s(双位置对准,对准时间小于30min)。

2.2 GPS辅助导航模式

方位对准精度:≤0.01°sec(Φ)(1σ,Φ为当地纬度);

水平姿态对准精度:≤0.02°(1σ);

方位保持精度:≤0.05°sec(Φ)(1σ,Φ为当地纬度);

水平姿态保持精度:≤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;

质量:小于20kg;

数据测量频率:最大100Hz;

电源:23~31V直流电源,标称电源电压27V;

功耗:功耗小于50W;

使用温度:-40℃~+60℃;

贮存温度:-45℃~+80℃。


3、初始对准

陆用定位定向系统的对准过程分为粗对准和精对准两个阶段。

3.1 粗对准

在惯导系统上电后的前130s为粗对准阶段,为了获得更好的对准效果,在此阶段应尽量保证不进行加速运动,但不限制摇摆运动(如车辆怠速状态)。

3.2 精对准

130s后惯导系统自动转入精对准阶段。

精对准采用双位置对准算法,即对准过程中需改变两次产品航向。在保证对准参考信息(GPS/DVL)有效的情况下,载体可进行不受限制的运动,但是为了达到更高的对准精度,推荐如下精对准路线:在惯导系统通电10min左右进行一次航向机动(改变70°以上),在第20min左右进行第二次机动(载体航向恢复至前进目标方向),机动过程如图 II-1所示。

 

图 5  推荐精对准路线示意图

若参考信息无效,可以在原地改变航向进行精对准。

精对准的时间为1400~1600s,若参考信息无效,对准时间相应延长。


4、接口定义

4.1 坐标系定义

载体坐标系(b系)──:载体坐标系的原点O选在惯导中心,轴为纵轴指前,轴为横轴指右,构成右手坐标系。陀螺仪和加速度计的安装均与载体坐标系一致。

 

图6 坐标系定义示意图

地理坐标系(t系)──:地理坐标系的原点O选在载体重心,指向北,沿垂直方向指向天,指向东。

导航坐标系(n系)──:导航坐标系与地理坐标系重合。

陆用定位定向系统在载体上安装时,X轴应与载体纵轴一致,Y轴指天。

 

图8 陆用定位定向系统在载体上的安装

陆用定位定向系统各姿态角定义如图Ⅱ-5所示:

航向角

逆时针为正,顺时针为负

                       -180º+180º

俯仰角

抬头为正,低头为负

                         -90º90º

                                         滚动角

右倾为正,左倾为负

                       -180º~180º

图9 姿态角定义

4.2 电气接口

产品使用一个158厂生产的J30J系列连接器、1个SMA插座作为对外连接器。

陆用定位定向系统详细点定义如表1。

表1  陆用定位定向系统对外点定义

SMA
点号信  号点号信  号
AGPS信号B
J30J-37ZKP
点号信  号点号信  号
1
A通讯口422接收正12
C通讯口422接收正
2A通讯口422接收负13C通讯口422接收负
3A通讯口422发送正14C通讯口422发送正

4

A通讯口422发送负15C通讯口422发送负
5A通讯口地16C通讯口地
6D通讯口422接收17--
7D通讯口422发送18里程仪脉冲信号+
8D通讯口地19--
9--20--
10导航数据输出同步脉冲21里程仪脉冲信号-
11导航数据输出同步脉冲地22--
注:未标注点定义保留禁用。

其中通讯口D作为监控口,用于对系统进行设置,其波特率固定为38400bps。通讯口A和C用于导航信息输出,均可以根据需要在出厂前设定为RS-422。通讯口A~C的波特率可以通过监控口(通讯口D)进行设置,其中RS-422可以在

其中通讯口D作为监控口,用于对系统进行设置,其波特率固定为38400bps。通讯口A和C用于导航信息输出,均可以根据需要在出厂前设定为RS-422。通讯口A~C的波特率可以通过监控口(通讯口D)进行设置,其中RS-422可以在9600、19200、38400、57600、115200、460800、614400、1843200之间选择,其中RS-422波特率最高只能到115200bps。

4.3 热接口

陆用定位定向系统使用23V~31V直流电源供电,标称电源电压27V。在27V供电常温环境下稳态功耗小于17W,全温稳态功耗小于20W,启动瞬态功耗小于50W,启动瞬态宽度小于1ms。

陆用定位定向系统六个面均为金属结构,主要通过底面传导散热。环境温度的稳定性对陆用定位定向系统输出精度稳定性有一定影响,为保证陆用定位定向系统输出精度,建议:

l 要求用户使用散热良好或者热容大的金属面作为陆用定位定向系统的安装面,安装面接触良好,必要情况下可以使用导热硅脂;

l 尽量提供一个温度稳定的环境,远离热源或者其他温度变化快的物体。


5、使用范围

该产品是基于高精度光纤陀螺仪和石英加速度计为核心部件,主要由惯性测量单元、数据采集和处理单元、精密转位机构和控制显示单元等部分组成,同时根据使用特点,可增加GPS/GNSS/BD接收机、里程计传感器、高度计和星敏感器等元件,既可提供载体与真北的方位角,也可提供载体的运动姿态、速度和位置信息。产品可用于导弹发射、武器瞄准、和雷达、天线、车辆等物体的动静态初始对准和方向控制。



6、软件描述

陆用定位系统的采集软件

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