寻北仪的设计毕业论文.doc

题 目 倾斜基座下的寻北仪设计

仪器科学与工程学院（系） 测控技术与仪器 专业
学 号
学生姓名
指导教师 程 向 红
起止日期 2010年3月——2010年6月
设计地点 中心楼5楼

摘要
倾斜基座下的寻北仪设计
　　指导老师：程向红

本文对一种光纤陀螺寻北仪进行了研究。与传统的机械陀螺相比，光纤陀螺具有灵敏度高、预热时间短、重量轻、寿命长、动态范围大、造价低等优点，因此将光纤陀螺应用在寻北仪中将具有以往寻北仪所无法比拟的优势。随着光纤陀螺技术的不断发展，基于光纤陀螺的寻北仪必将得到越来越多的应用。论文围绕着光纤陀螺寻北仪的设计完成如下几部分工作：
首先，在分析了光纤陀螺工作原理以及寻北仪工作原理的基础上，提出了北向方位角的测量方法，为寻北仪软件设计提供了相关理论基础。
以工程实际为背景，对光纤陀螺寻北仪的工作原理及系统构成相关技术进行详细的讨论与研究。分析了精密机械转台的调平误差对寻北定向精度的影响，采用加速度计对寻北仪转台倾角误差补偿。模块化设计了寻北仪软件的管理软件和数据处理软件。
最后，采用了双陀螺四位置寻北方案进行了寻北实验。通过采集的陀螺数据计算出了与正北方向的夹角，并对实验数据进行了分析。

关键词：光纤陀螺，寻北仪，系统组成，软件设计，寻北实验

Abstract
Design of north-finder under tilt base
tutor: Cheng Xianghong

In this Paper，a new kind of Gyro North-finder is researched. Compared with the traditional mechanical gyroscope, FOG has many advantages, such as high sensitivity, short start-up time, wide dynamic range, low cost, light weight and long life, and the FOG-based north-finder will be better than other scheme. With the continuous development of technology FOG the North-finder based on FOG will be applied more widely. The paper focused on design ways of Gyro North-finder，and the main work was carried out as follows:
Firstly，the way of the north azimuth measurements was proposed and the errors that impacted the performance of Gyro North- finder was discussed whilst the operation principle of FOG and north-finder system was introduced . In this way, the relevant theoretical basis is established.
Secondly, based on practical project, the principle of FOG north-finding system and the technology of related to system construction is discussed and studied in this paper. The influence of platform tilt on the precision of north-finding is analyzed; an accelerometer is used to compensate deviation caused by the base tilt. The managing and the data-processing software constitute the whole North-finding software which was built block design.
Lastly, the North-finder experiments were carried out using four-position method with two gyroscopes. The angle of North-finder was also calculated by the computer using the data which came from the two gyroscopes. And the precision was discussed in the paper.

Key words: Fiber optic gyroscope, North-finder, System constitution, Software design, North-finder experiment

目录

摘要................................................................................................................................I
ABSTRACT.................................................................................................................II
图表索引.......................................................................................................................V
第一章 绪论..................................................................................................................1
1.1 光纤陀螺的发展及应用...................................................................................1
1.1.1 光纤陀螺的国内外发展………..............................................................2
1.1.2 光纤陀螺的军事领域应用………………………..................................3
1.1.3 光纤陀螺的民用领域应用……..............................................................4
1.2 陀螺寻北技术的研究…...................................................................................6
1.2.1 寻北技术的发展与分类……..................................................................6
1.2.2 陀螺寻北的工程化关键技术…………..................................................7
1.2.3 光纤陀螺寻北技术研究现状与应用前景……......................................7
第二章 光纤陀螺的工作原理与寻北方案................................................................9
2.1 光纤陀螺的工作原理及构成方式.................................................................9
2.1.1 萨格奈克干涉仪....................................................................................9
2.1.2 光纤陀螺的工作原理............................................................................10
2.1.3 光纤陀螺仪的检测原理……................................................................14
2.1.4 光纤陀螺仪的结构方案……................................................................15
2.2 光纤陀螺的寻北方案.....................................................................................17
2.2.1 常用坐标系............................................................................................17
2.2.2 光纤陀螺寻北原理................................................................................17
2.2.3 单陀螺寻北方案....................................................................................18
2.2.4 双陀螺寻北方案……............................................................................20
2.2.5 陀螺水平面倾斜时的寻北方案……....................................................21
2.3 对几种寻北方案的比较.................................................................................26
第三章 光纤陀螺寻北仪系统组成及软件设计........................................................27
3.1 光纤陀螺寻北仪系统组成.............................................................................27
3.1.1 精密机械转台........................................................................................27
3.1.2 寻北系统计算机控制系统....................................................................29
3.2 光纤陀螺寻北系统的软件设计.....................................................................30
3.2.1 寻北仪软件的研制目标……................................................................30
3.2.2 寻北仪软件的模块设计……................................................................31
第四章 FOG寻北实验...............................................................................................33
4.1 FOG寻北实验系统构成及测试环境.............................................................33
4.1.1 光纤陀螺精度的选取............................................................................33
4.1.2 系统构成................................................................................................33
4.1.3 环境说明……........................................................................................34
4.2 实验方案设计.................................................................................................34
4.3 实验结果.........................................................................................................34
4.4 实验结果分析.................................................................................................35
结论与展望..................................................................................................................37
参考文献......................................................................................................................38
致谢..............................................................................................................................42

图表索引

表1.1 国内外典型的陀螺寻北仪研制情况……........................................................8
图2.1 四边形环路的萨格奈克干涉仪…………............... ............................ ...........9
图2.2 光纤陀螺的萨格奈克效应…………..............................................................10
图2.3 光纤陀螺旋转的情况…………......................................................................11
图2.4 光纤陀螺仪的示意图…………......................................................................14
图2.5 电流I与相移△φ的关系………….................................................................15
图2.6 光纤陀螺的最简结构……..............................................................................16
图2.7 集成光学式光纤陀螺仪……..........................................................................16
图2.8 地理坐标系和地球自转角速度的关系……..................................................18
图2.9 地球自转向量投影示意图……......................................................................18
图2.10 坐标旋转示意图……....................................................................................22
图3.1 系统基本结构示意图……..............................................................................27
图3.2 机械转台结构图……......................................................................................28
图3.3 寻北系统控制方案原理图……......................................................................29
图3.4 寻北仪软件数据流图……..............................................................................31
图3.5 数据流结合的寻北仪软件模块图……..........................................................32
图4.1 FOG寻北实验系统基本结构图……..............................................................33
表4.1基座倾斜1º的实验结果……..........................................................................34
表4.2 基座倾斜5º的实验结果…….........................................................................35
表4.3 实验数据精度……..........................................................................................35
V

第一章　绪论

随着惯性导航技术的发展，陀螺寻北仪在军事和民用定向中得到了日渐广泛的应用。陀螺寻北利用陀螺仪测得的地球自转角速度分量值和加速度计测得的载体倾斜角度，经过解算可确定载体方位角，即载体的参考轴向与真北方向的夹角。它能够在静态下全天候、全方位、自主、快速测定方位，可以作为观测、目标瞄准、导航系统重调时的方位基准，也可作为隧道、矿山等地下作业的方位基准。
作为角速度测量元件，陀螺仪起着至关重要的作用。实际应用中，由于机电陀螺仪技术成熟、漂移小、精度高，使其在陀螺寻北仪中多被采用；但机电陀螺仪在环境适应性上有缺陷，如抗振性差、低温工作受限。而光学原理的陀螺仪内部无活动部件，其环境适应性远强于机电陀螺仪，在满足精度要求的前提下，必将被越来越多的应用于寻北仪中[1]。
1.1 光纤陀螺的发展及应用
光纤陀螺(FOG)是利用光纤传感技术测量空间惯性转动率的一种新型传感器[2]。自1976年V.Vali和RW.Shorthill首次提出光纤陀螺的概念之后[3]，美国、法国、德国、英国以及日本等国家先后投入了巨大的人力和物力，进行了理论研究和实用化开发工作，并取得了令人瞩目的成就。
光纤陀螺的主要优点是：无运动部分，仪器牢固稳定，耐冲击和抗加速运动的能力强；结构简单，体积小，重量轻；寿命长；启动时间极短；信号稳定可靠，可直接用数字输出，并与计算机接口联接；具有较宽的动态范围；它的最大的特点是可根据不同的用途，选择不同的光纤长度和线圈直径及不同的信息处理方法，可覆盖陆地、航空、航天、航海等所有陀螺仪应用范围。
光纤陀螺仪按其回路类型可分为开环和闭环两类：按其结构可分为单轴和多轴两类：按其性能可分为战术级(中间级)、导航级和精密级三类。开环光纤陀螺仪在输入输出的线性度上具有局限性，但由于它的模拟输出，在某些应用场合(如低输入速率的稳定器)具有优点。闭环光纤陀螺仪基本上解决了开环在线性度方面的局限性，并且由于它无中心零位工作点的限制和数字输出，因而具有更好的标度因数精度和更大的动态范围，具有更广阔的应用前景[4]。
1.1.1 光纤陀螺的国内外发展
光纤陀螺比环形激光陀螺具有更多的优越性，无论在军用或是民用领域都拥有极强的竞争能力和广阔的潜在市场，因此受到世界各国的普遍重视。不仅一些光学公司、研究所开展了这一工作，而且许多生产研制传统制导与控制系统处于领先地位的厂家也加人了这一竞争行列，因而促进了光纤陀螺的发展。20年来，光纤陀螺得到了很大的发展，角速度灵敏度已提高上百万倍并先后研制不同类型的FOG，特别是I-FOG得到普遍的应用。Honeywell公司生产的高精度光纤陀螺(HPFOG)的零偏稳定性可以达到0.00023º/h，角度随机游走(ARW)达到0.00009º/，标度因数为0.3PPM[5]。
近年来，美、德、日等国相继研制成偏置稳定性优于0.01°/h的惯导级I-FOG。惯导级高精度光纤陀螺开始走出实验室，进人产品研制和生产阶段[6]。单轴光纤陀螺技术已经成熟，处于应用研制生产阶段，为了降低成本，许多公司如德国LIETF公司、法国SFIM都在研制多轴光纤陀螺仪。
许多开发激光陀螺的厂家也在积极研制和应用光纤陀螺。例如，美国利顿公司在80年代末研制出使用光纤陀螺的惯测组合，可作为飞机的俯仰、横滚和航向基准系统。利顿公司的以光纤陀螺为基础的LN-250小型惯测组合，将与小型GPS接收机相结合，作为高级研究计划局GPS制导组件计划用的固态组件，参加试验。利顿公司的LLN-95地面导航仪是用于地面车辆综合GPS/惯性导航系统，采用了三合一光纤陀螺。
国外的光纤陀螺及其应用技术发展很快，目前正向“一高一低”发展[7]，一方面致力于提高精度，争取在精确惯导系统中取代静电陀螺，另一方面致力于降低成本，推广到民用领域（如车载导航仪器等）扩大应用，从而提高产量和降低成本。美、日、德、法等国在这方面的努力已渐见成效。
国内光纤陀螺仪研制起步较晚，但经过近10年的攻关，某些关键技术已取得明显进展，如光纤及无源器件等。西安兵器部205所、上海航天局803所、航天一院的33所、航空618所、北京航空航天大学、浙江大学、北京理工大学等单位都参与了光纤陀螺及相关器件的研制工作[8~12]。研制方案有全保偏闭环光纤陀螺仪、低精度开环陀螺仪及光学反馈光纤陀螺仪等。有的样机已在航天和车载导航中试用。目前我国光纤陀螺仪正在进行工程化攻关研究，主要解决工程化过程中存在的问题。如系统结构优化、零起动、热平衡、温度影响、长时间工作性能稳定性、信噪比等。
光纤陀螺的应用范围十分广，从地下到地表，从海上到空中，归纳起来大概有三种基本用法，即定位、姿态控制和绝对方向测量。为了确定飞行器的位置，使用FOG作为一个惯性参考，并提供一个方位角（即飞行器的航向）；在姿态控制测量系统中，FOG提供飞行器的倾角；而在绝对方向测量中，使用FOG来测量地球的旋转角速率。
1.1.2 光纤陀螺的军事领域应用
　　以美国为代表的国家一直致力于光纤陀螺在军事领域中的应用，早在80年代中期就研制出中等精度(0.1º/h~10º/h)战术武器光纤陀螺，并已装备在军用飞机和战术导弹的飞行姿态控制系统中[13]。进入90年代，美海军研究所已研制了一种全光纤陀螺，其漂移率为0.005º/h。随美国之后，其他发达国家主要致力于发展漂移率大于10º/h的低性能光纤陀螺以装备海军和空军，如英国航空系统设备公司已推出漂移率为10º/h的小型光纤陀螺，并己装备海军、空军；日本和法国也于80年代末分别研制出精度为(0.1º~10º)/h以及小于0.1º/h的小型光纤陀螺，其中日本于1991年发射的TR-1A型全重力实验火箭系统是世界上首次在火箭系统中采用光纤陀螺的实例。FOG不仅可以应用于军用飞机和舰船的惯性导航及飞行姿态和航向参考系统，而且还可应用包括战术导弹、战略导弹的制导。此外，FOG还可用于惯性导航系统和全球定位系统（INS/GPS）组合的导航(导向)系统。从美国的FOG军事应用现状和前景看十分乐观。在1983年至1994年，FOG在军用装备中所占的比例已从零猛增到49％，大有以其取代惯性陀螺之势。
光纤陀螺仪在陆用惯性系统中主要用于主战坦克、自行高炮等直瞄武器的瞄准线、射击线及雷达天线的稳定，实现直瞄武器的行进间搜索、瞄准、跟踪和射击功能；用于陆用武器装备的定位、定向、导航，实现武器平台的自主式定位、定向和导航功能，提高军队的侦察、指挥、自动化快速作战能力和实现精确打击的能力；用于制导弹药的制导，提高反坦克导弹、远程火箭及战术导弹的命中精度[8]。
由于FOG有优越的动态性能，因此为捷联基准和捷联式平台罗经的发展创造了良好的条件。至90年代初，在低成本的捷联基准中，FOG已开始取代DTG和RLG。LITEF公司于90年代初研制成LCR-92和LCR-93型捷联基准。前者适用于舰载，后者适用于机载。系统中均采用了3只单轴FOG，整个仪器重仅2.1 kg，成本也低。它可以提供纵横摇角、磁航向信息以及绕船体坐标系的角速度，备有GPS接口。纵横摇角精度0.25°，航向精度1.0°，角速率精度0.1°/s，MTBF>5000h。
与此同时，德国C.PLATH公司推出了SR2100型光纤陀螺罗经的商品广告。罗经中采用了LFK-95型惯性测量组合(IMU)。罗经的航向精度≤0.7°secΦ，水平精度≤1.0°。静基座对准时间≤30min，海上对准时间≤45min。FOG的偏置为<0.1°/h，随机游走为<0.01°/，标度因子稳定性<3×10-4。
法国Photonetics公司于1999~2000年连续发表文章介绍它们的光纤陀螺罗经，其中采用了3只FOG和3只石英加速度计和相应的电子线路。所选用的加速度计的偏置稳定性为0.5~l mg。
基于FOG的捷联式平台罗经具有如下优点：动态精度高，自动对准，稳定时间短，可靠性高，结构紧凑，重量轻，功耗低，无需维护。
对于装备潜艇的惯导系统来说，ESG历来独占鳌头，但是它的售价和寿命周期成本高得惊人，从而迫使人们寻找价格较便宜的陀螺仪来取代ESG。显然，I-FOG应为首选的元件。在美国海军的指导下，Pennsylvania州立大学的应用试验室(ARL)、北美Boeing公司和Honeywell公司等三单位自1996年至1998年合作开发并演示能取代ESG的FOG。这种FOG的性能与弹道导弹潜艇惯导系统中所用的ESG相当，但价格要显著低ESG(约25000~50000美元)，比ESG的修理费还低，可靠性远大于ESG，MTBF有望达到30000h [14~21] 。
1.1.3 光纤陀螺的民用领域应用
目前光纤陀螺在汽车工业中的应用主要是：在汽车自动导航系统中的应用；在汽车姿态控制系统中的应用；在汽车控制仪器中的应用。汽车导航系统是FOG应用开发中最显著成就之一，第一个实用FOG的汽车使用是在1991年，一个日本警察汽车探测系统，这个系统检视六辆警察汽车，每部汽车安装用作汽车头部传感的FOG[22]。
以光纤陀螺为基础的定位系统能够给出列车运行平面轨迹及列车前进过程中的速度、加速度、方位角，方位角速度、侧滚角、俯仰角等信息。这些信息通过天线发射到漏泄波导再传输到列车指挥中心，经中心计算机综合性的实时处理，然后再传至各次列车，供司机参考执行。从而可以增加行车的安全度，缩短行车间隔时间，提高车速和运输能力。
光纤陀螺还广泛地应用于民用运输机、客机、商船、客轮、深井钻探、隧道开掘机、机器人、农用无人驾驶直升机、自动草坪整修机以及惯性大地测量系统中。FOG导航技术可用于矿山堆、铁道站和机场机器人的导向装置；用于播种和喷洒农药的农用直升机的姿态控制系统是FOG新的机载应用；在地下系统中可用于城市地区的勘定、以测绘水、电、气供应和通信缆的埋置管线：另一个地下重要应用是光电指南针。它的工作原理是通过使用高灵敏的FOG测量地球的旋转。这种指南针可用于挖掘隧道的建设机器，它的优点是快速和无需维修。其导向精度优于0.05º。在民用航空中，I-FOG最大的应用领域是民用客机的导航和飞行姿态控制，不少航空公司和飞机制造商都在积极开发I-FOG。例如Honeywell公司使用标准全光纤袖珍互补构形的I-GOF产品，并将其用于Dornier328、33旅客飞机。在这之后，该公司又将该产品用于波音777飞机的备用姿态控制和大气数据系统。又如德国的利顿公司将装备有FOG姿态和方位遥控的参考系统用于D—228飞机的飞行试验。日本日立电线公司已制作出小型化的FOG，并用于检测飞机移动的方位基准。英国航空系统设备公司已推出高精度小型FOG样机。并用于飞机的姿态、方位基准测量和飞行控制中；I-FOG在民用航海中的应用主要是船只的导航[23~24]。
从上一世纪90年代开始，中低精度(偏置稳定性分别在0.1°/h和1°/h以上)的I-FOG已投入批量生产。据报导，Honeywell公司至1996年底已销售两千余套I-FOG应用于民航飞机的航姿系统。日本的日立公司和JAE公司生产的开环FOG已应用于农用直升机、车载导航、天线控制、照相机稳定和找北系统中，精度较高的闭环I-FOG已应用于拖拉机和清扫机器人中。三菱精密公司生产的MFG-2000型I-FOG应用于飞机的飞行控制系统与导航制导系统中。美国Litton公司生产的FOG已应用于惯性测量装置中。德国LITEF公司生产的K2010型FOG已成功应用于LTR-81型航姿系统和LLN-95/96型陆地导航系统[25~27]。
综上所述，FOG具有一系列优点，性能价格比高，近年来其技术发展迅速，因而在各种军民用领域的应用前景十分广阔。
1.2 陀螺寻北技术的研究
陀螺寻北仪又称子午线指示仪、陀螺罗盘，是一种能在静态下全天候自动指示方位的高精度惯性仪表[28]。它作为惯性技术的一个重要应用领域，以其不受自然条件或环境的干扰，独立完成寻北任务，而且具有连续工作时间长、精度高等特点，具有广泛的应用前景。光纤陀螺的特点在许多方面可以满足小型、高精度、快速定向的寻北仪的要求，因而基于FOG的寻北仪系统的研究正成为快速定向系统的一个主要研究方向,在矿山、铁路、建筑、军事、航天等工程测量领域需要精密、快速确定子午线方位的地方有极为广泛的应用。在保证寻北精度的条件下，提高定向的快速性是目前国内外研究的主要目标。
1.2.1 寻北技术的发展与分类
现有的高精度寻北技术就所用器材而言，主要分为陀螺寻北和非陀螺寻北；就所选方法而言，主要有惯性法、天文观测法、大地测量法、卫星定位法、参照物法等多种寻北方法。但在坑道、水下等复杂地形和复杂天气等条件下，天文观测法、大地测量法、卫星定位法和参照物法都会受到不同程度的条件制约，或者精度低，或者根本无法实施。只有惯性法才能不受自然条件或环境的干扰，独立完成寻北任务，而且具有连续工作时间长、精度高等特点，所以最为常用[29]。
按寻北原理和解算方式的不同，目前以陀螺为主要传感器的惯性寻北技术可分为：速度法、角度法和罗经法。速度法通常采用动调陀螺或光学陀螺构成捷联寻北仪，优点是寻北速度快，但受到陀螺漂移的限制，精度较低；角度法利用静电陀螺寻北，能得到较好的寻北性能，但结构复杂，成本很高；陀螺罗经寻北仪采用摆式罗经原理通过陀螺主轴围绕子午线做简谐振荡，测量摆动中心找出子午线方向[30]。
陀螺寻北技术的常见分类：
(1) 按有无陀螺：寻北仪可分为陀螺寻北仪和非陀螺寻北仪两类。
(2) 按采样方式和解算方式的不同可以分为：连续转动方案、多位置方案、四位置方案和二位置方案等。
(3) 按采用寻北方法的不同分为：物理寻北和解析法寻北。
(4) 根据采用的陀螺种类不同可分为：陀螺摆式寻北仪、单轴速率陀螺寻北仪、双轴速率陀螺寻北仪。
1.2.2 陀螺寻北的工程化关键技术
基于FOG的寻北系统是一种捷联式单速率寻北定向系统，它受陀螺随机漂移和常值漂移的影响较大。为了减少陀螺漂移对寻北精度带来的不利影响，多年来，人们采用了诸多实用化关键技术，其中主要有[31][32]。
(1) 动态寻北技术：动态寻北方案是一个有潜在前途的寻北解算方式，一般用于单轴速率陀螺找北系统。它使转台以恒定角速率连续旋转，同时由陀螺测量地球速率的水平分量，最终解算载体轴向与真北方向的初始夹角，实现自主定向。随着某些工程化关键技术的解决，采用激光陀螺或光纤陀螺构成动态寻北系统，已在很大程度上缩短了寻北时间，提高了其解算精度。
(2) 解析调平技术：它是提高FOG寻北系统的精度和快速性的一项重要技术。它使用加速度来实时测量转台的倾斜角，并通过解析算法来对陀螺仪的信息进行校正补偿，以消除由于转台的倾斜时地球自转角速度垂直分量的影响。它克服了人工调平方法操作不便、耗时长等缺点，实现快速寻北的目的，具有很强的工程实用价值。
(3) 多位置测量技术：它能在很大程度上克服静态寻北精度受陀螺常值漂移影响较大的缺点，通过转台转过很多位置，并实时测量地球自转角速度的北向分量在陀螺输入轴上的输出，来解算出其实时零漂和解算载体轴向与真北方向的初始夹角或直接按其相位信息找到真北方向。这是目前应用最为广泛，技术相对成熟的一种实用化关键技术。
1.