基于光纤陀螺的组合导航系统研究

采用基于光纤陀螺的IMU和GPS接收机,以DSP为信息处理核心,实现了GPS/TNS组合导航系统.介绍了光纤陀螺工作原理和误差模型,描述了组合导航系统并通过试验对该系统进行分析.实验结果表明,基于光纤陀螺的组合导航系统误差范围较小,可以满足较高精度的导航定位要求.

中国民航学院学报

200B年5月$%&’()*%+,-.-*).-)/-%(&(-.0’1-/2%+,3-()

第2?卷增刊

?Q28

=B

基于光纤陀螺的组合导航系统研究

朱志猛 孙毅刚 陈

晔

中国民用航空学院机电工程学院天津J00J00

摘要 采用基于光纤陀螺的*QR和 :;,接收机以S,;为信息处理核心实现了:;,C*+,组合导航系统介绍了光纤陀

螺工作原理和误差模型描述了组合导航系统并通过试验对该系统进行分析实验结果表明基于光纤陀螺的组合导航

系统误差范围较小可以满足较高精度的导航定位要求

关键词 光纤陀螺惯性导航组合导航卡尔曼滤波

中图分类号 O2?1@5文献标识码 T文章编号 10015000(200B)7002U02 陀螺仪是敏感相对于惯性空间角运动的装置.它作为一种重要的惯性敏感器,用于测量运载体的姿态角和角速度,是构成惯性系统的基础核心器件.惯性系统的性能很大程度上取决于陀螺仪的性能(1).本文采用基于光纤陀螺的惯性导航系统*+,(-./01-23.24-521-6.7871/9)和:;,(536<23=67-1-6.-.57871/9)组

性小于0IJ,偏差变化小于0K1C7,带宽大于200EF.选择好陀螺后,需对其进行误差补偿.陀螺误差包括安装误差,比例系数误差和陀螺漂移.陀螺漂移又包括常值漂移,趋势项漂移和一次启动随机漂移.其中,比例系数误差,安装误差以及陀螺常值漂移等属于系统性误差,可以通过实验标定(2GJ)的方法加以补偿.系

成的导航系统统性误差模型可表达为,其结合了惯性导航的自主性,实时性以及:;,的

高精度定位 ,误差无积累等优点,使导航系统的成本下降,可靠’(L)1((*0(M*H(+(M*2(+,M*J(+-M!(.),(!,M)-(!-) !

#

性增加,精度提高.所用的实验数据为实时采集计算而获得,所/,L)H,(*0,M*H,+(M*2,+,M*J8+-M)(,!(M!,M)-,!-)"

得结果具有实际应用价值.$/-L)H-(*0-M*H-+(M*2-+,M*J-+-.)(-!NM),-!,M!-)

式中/,/,/为惯组的(向,,向,-向通道陀螺仪输出的电压

#

(,-

值(9O)*,*,* 1光纤陀螺原理与误差补偿

0(

0,

0-

为惯组的(向,,向,-向通道陀螺仪输出的

常值漂移*1(,*1,,*1-,*2(,*2,,*2-,*J(,*J,,*J-为惯组的(向,,向,-向通道陀螺仪受沿(,,,-向的视加速度影响的漂移系数)1(,)1,,)1-为惯组的(向,,向,-向通道陀螺仪的刻度系数,即输出梯度(9OC7G1)),(,)-(,)(,,)-,,)(-,),-为惯组的(通道敏感绕

1.1光纤陀螺工作原理

光纤陀螺是一种基于,25.2>效应的新型光电陀螺仪.,25.2>效应是相对惯性空间转动的闭环光路中传播光的一种普

(轴,,轴,-轴的角速度陀螺仪!(的安装误差(02P)!(,!,,!-为

遍的相关效应,即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特

惯组绕(向,,向,-向的输入角速度(7G1)+(,+,,+-为沿惯组

征相等的光,以相反的方向传播,最后汇合到同一探测点.若

的(向,,向,-向的视加速度(0).

绕垂直于闭合光路所在平面的轴线,相对于惯性空间存在着转

随机漂移则需建立数学模型并用卡尔曼滤波方法进行补偿.

动角速度,则正,反方向传播的光束走过的光程不同,从而产

通常取陀螺随机漂移为#1#2.#3.#0.式中#2为随机常值漂移#3

生光程差.理论上可以证明,其光程差与旋转的角速度成正比.因此,已知光程差及与之相应的相位差信息,即可测得相应的角速度.由转动引起的时间差导致相反方向传播的两束光波之间的相位移称为,25.2>相移.绕垂直于光路平面的角速度!所产生的光程差与相位差之间的关系为 !!?""#$!.式中 !!

%"为,25.2>相移%为光在真空中的速度"为光在真空中的波长"为光纤圈半径&为单圈光路长度$为光纤圈匝数!为输入角速度.

1.2光纤陀螺误差补偿

陀螺是惯性导航系统的核心器件,陀螺仪的精度是系统精度的重要指标之一,所以需要认真选择陀螺和补偿误差.本系统选用的光纤陀螺仪属于中精度陀螺,它的一些参数指标如下偏差重复性小于0@02A7,随机漂移小于BCDEFGHA2,比例因子稳定

收稿日期

5-09-15修回日期 5-12-05

作者简介 朱志猛(82-),男,江苏南通人,硕士研究生,研究

为一阶马尔柯夫过程#0为白噪声.因此陀螺误差模型可表达为

"L0!#2""3L1#$40

##

#3.!3

式中40为相关时间.

2组合导航系统设计

2.1系统硬件设计

:;,C*+,组合导航要求具有较高的导航运算速度和精度以及较丰富的外设接口,方便与外部多传感器进行数据通信.鉴于此,设计了组合导航系统.其包括J个部分数据采集部分,包括陀螺仪,加速度计,:;,等的输出信号和

导航参

解算部

向为机场设备自动化

第1页