小型化光纖陀螺捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置的研究與設(shè)計(jì)本文主要介紹了由新型的光纖陀螺組成的小型化捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置的研究與設(shè)計(jì)。該裝置由三軸一體化光纖陀螺組合、三個(gè)石英撓性加速度計(jì)、DSP信號(hào)處理電路(包含V/F轉(zhuǎn)換電路輸出脈沖的計(jì)數(shù)器)、V/F轉(zhuǎn)換電路、功放電路板、電源模塊和機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其工作原理如下：三軸一體化光纖陀螺組合的三個(gè)線圈與三個(gè)石英撓性加速度計(jì)安裝在三維空間支架上，分別輸出角速度和加速度信號(hào)，通過DSP完成姿態(tài)解算、導(dǎo)航解算和自動(dòng)駕駛儀解算，然后DSP發(fā)出執(zhí)行命令，通過功放電路板驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件來完成飛行控制。其中功放電路板由其它單位承擔(dān)制作任務(wù)，并與本文研制的小型化捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置聯(lián)調(diào)后，一起交與總體實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)。其中三軸一體化陀螺組合由三軸一體化集成光學(xué)表頭和陀螺信號(hào)處理電路組成。光學(xué)表頭部分將三個(gè)敏感線圈安裝在三維空間支架上，它電路，最終輸出與角速度成正比的數(shù)字信號(hào)。三個(gè)石英撓性加速度計(jì)輸出經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換電路后為脈沖信號(hào)，經(jīng)過DSP信號(hào)處理電路上的計(jì)數(shù)器后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，此數(shù)字信號(hào)可由DSP讀取進(jìn)式。模擬火控系統(tǒng)裝訂參數(shù)、陀螺及加速度計(jì)仿真信號(hào)、陀螺及組合內(nèi)部的溫度信號(hào)由多通道A/D進(jìn)行采樣。模塊的軟件部分是系統(tǒng)的核心部gyro(FOG).Thesystemiscomposedof3-axisintegamplifyingelectricboard,electricsourcemoduleandmechanicalframachievesattitude,navigationandorderisgiventofulpoweramplifyingcircuit.Amongthechargeofanothercompany,adeliveredtogetherwiththelchangedintopulsebyV/FtransfeTheDSPsignalprocessingcircuitincludesDSPdigitalFPGA,UART,interfaceARDSPperipherychips,andbuildsthreeroutefrequencysamplecounterofDopplerRadar.InterfaceARINC429minterfaceRS422accomplishestheoutputofthedigitalsignal.Optionaloftheanaloguearm-contccelerators,andthetemperatureinsidethegyrosandtheinnerintegratetRelatedsoftwareissomewhatthehardcoreofthewholesystem,involvesdaKeywords:strapdownIMU,3-axisintegratedunit,fiberopticgyro,digital英文全稱中文全稱布里淵光纖陀螺DigitalSignalProc光纖陀螺FieldProgrammableGate中斷允許寄存器干涉式光纖陀螺諧振腔光纖陀螺StrapdownInertialNavigati 1 2 2 21.2.3發(fā)展趨勢(shì) 5 61.3.1.對(duì)陀螺的要求 6 61.3.3.對(duì)慣測(cè)組合的要求 7 8第二章捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置的組成及原理 9 9 92.3姿態(tài)矩陣 2.4.2速度計(jì)算 2.4.3導(dǎo)航計(jì)算 2.5.1組成 2.5.2功能 2.6本章小結(jié) 第三章三軸一體化光纖陀螺技術(shù) 3.2.1薩格奈克效應(yīng) 3.3.1對(duì)外接口 3.3.2三軸一體化光纖陀螺誤差模型 3.4本章小結(jié) 第四章加速度計(jì)的選用與V/F轉(zhuǎn)換技術(shù) 4.1引言 4.3V/F轉(zhuǎn)換電路 404.3.1V/F轉(zhuǎn)換電路基本原理分析 414.3.2V/F轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 42 第五章導(dǎo)航計(jì)算機(jī)板的設(shè)計(jì) 46 47 5.3.3時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 5.3.4存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì) 5.4.26路D/A輸出信號(hào)的設(shè)計(jì) 5.4.4RS422串口通訊的實(shí)現(xiàn) 63 第六章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 6.1系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境CCS的介紹 6.2匯編語言和C語言的混合編程 6.2.1混合編程的方式 6.2.2混合編程的接口規(guī)范 7.1前言 7.2數(shù)字輸出的測(cè)試軟件 7.3.1X軸陀螺的測(cè)試數(shù)據(jù) 7.3.2Y軸陀螺的測(cè)試數(shù)據(jù) 7.3.3Z軸陀螺的測(cè)試數(shù)據(jù) 7.3.4測(cè)試結(jié)果分析 7.4本章小結(jié) 研究工作的目的意義 主要研究成果 對(duì)今后工作的設(shè)想 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄 參考文獻(xiàn) 第一章緒論捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)是將加速度計(jì)和陀螺儀直接安裝在載體上，在計(jì)算機(jī)中實(shí)時(shí)計(jì)算姿態(tài)矩陣，即計(jì)算出載體坐標(biāo)系和導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而把載體坐標(biāo)系的加速度信息轉(zhuǎn)化為導(dǎo)航坐標(biāo)系下的信息，然后進(jìn)行導(dǎo)航解算。由于其具有自主性強(qiáng)、連續(xù)輸出、機(jī)動(dòng)靈活、成本低和體積小等優(yōu)點(diǎn)，在慣導(dǎo)系統(tǒng)中占有優(yōu)勢(shì)。因此，大量的戰(zhàn)術(shù)武器和艦艇、飛機(jī)、戰(zhàn)車的導(dǎo)航系統(tǒng)采用捷聯(lián)式系統(tǒng)。捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置(IMU)是慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心器件，IMU輸出的精度在很大程度上決定了系統(tǒng)的精度，其由陀螺儀和加速度計(jì)兩種慣性器件組成。因?yàn)橥勇輧x的漂移誤差和加速度計(jì)的零位偏值是影響慣導(dǎo)系統(tǒng)精度最直接的和最重要的因素，所以如何改變慣性器件的性能，提高慣性組件的測(cè)量精度，特別是提高陀螺儀的測(cè)量精度，一直是慣性導(dǎo)航領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。第2次世界大戰(zhàn)后期，德國人率先采用簡(jiǎn)單的慣性儀表作為近程彈道導(dǎo)彈V-2火箭自主式制導(dǎo)系統(tǒng)的核心部件，隨后，美蘇兩國進(jìn)入了戰(zhàn)后長(zhǎng)期冷戰(zhàn)的軍備競(jìng)賽時(shí)期。隨著各種戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、空間技術(shù)、航空、航海及陸地戰(zhàn)車等軍事裝備的發(fā)展和不斷完善，慣性技術(shù)也得到了空前的發(fā)展與進(jìn)步。在長(zhǎng)達(dá)30多年的時(shí)間內(nèi)，陀螺漂移從10°/h左右提高到0.000015°/h,幾乎提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)，但真正工程應(yīng)用中的陀螺儀卻長(zhǎng)期停留在0.001°/h左右。陀螺儀的種類很多，包括機(jī)電的、激光的、光纖的、壓電的和微機(jī)械的等等。各種陀螺儀都具有自身的優(yōu)點(diǎn)。但到目前為止，在眾多類型的陀螺中，光纖陀螺儀更受到各種應(yīng)用的關(guān)注。光纖陀螺具有大動(dòng)態(tài)、預(yù)熱時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天和車輛的組合導(dǎo)航系統(tǒng)中。在國外，0.01°/h～1°/h的工程樣機(jī)已用于飛行器慣性測(cè)量組合裝置。美國利頓公司已將0.1°/h的光纖陀螺儀用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈慣導(dǎo)系統(tǒng)。新型導(dǎo)航系統(tǒng)FNA2012采用了1°/h的光纖陀螺儀和衛(wèi)星導(dǎo)航GPS。美國國防部決定光纖陀螺儀的精度1996年達(dá)到0.01°/h;2001年達(dá)到0.001°/h;2006年達(dá)到0.0001°/h,有取代傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀的趨勢(shì)。11.2本課題研制背景捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低和體積小等優(yōu)點(diǎn)。因此，大量的戰(zhàn)術(shù)武器和艦艇、飛機(jī)、戰(zhàn)車的導(dǎo)航系統(tǒng)采用捷聯(lián)式系統(tǒng)，包括由撓性陀螺、激光陀螺和光纖陀螺組成的系統(tǒng)2。光纖陀螺具有大動(dòng)態(tài)、預(yù)熱時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天和車輛的組合導(dǎo)航系統(tǒng)中。由光纖陀螺組成的陸地導(dǎo)航系統(tǒng)已有產(chǎn)品問世，如德國的LLN-96型系統(tǒng)3。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國從1983年到1994年的10余年間，各類慣性陀螺儀由86%下降到35%,激光陀螺儀由14%略增加到16%,并從1988年開始未見上升趨勢(shì)，而光纖陀螺儀則由0%上升到49%。4]目前我國光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)用化階段，已在多個(gè)導(dǎo)彈和衛(wèi)星型號(hào)中進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，取得非常好的效果，不久將批生產(chǎn)。我國武器裝備“機(jī)械化、信息化、制導(dǎo)化”的發(fā)展方向?yàn)楣饫w陀螺的應(yīng)用提供了廣闊的發(fā)展空間，相信各類高性能光纖陀螺在我軍武器裝備上將被大量應(yīng)用，為提高我軍戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略精確打擊能力做出貢獻(xiàn)。小型化光纖陀螺捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置的研究與設(shè)計(jì)是航天時(shí)代電子公司與上海航天局八零三所針對(duì)某型號(hào)的合作課題。希望通過本課題，完成光纖陀螺捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置研究與設(shè)計(jì)，并能進(jìn)入批量生產(chǎn)階段，早日裝備部隊(duì)。1976年，美國猶他大學(xué)的Vali和R.W.Shorthil首次提出了光纖陀螺的概念。它標(biāo)志著第二代光學(xué)陀螺——光纖陀螺的誕生(第一代光學(xué)陀螺為激光陀螺)。光纖陀螺采用的是Sagnac干涉原理，用光纖繞成環(huán)形光路并檢測(cè)出隨轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的反向旋轉(zhuǎn)的兩路激光束之間的相位差，由此計(jì)算出旋轉(zhuǎn)的角速度。與機(jī)電陀螺或激光陀螺相比，光纖陀螺具有如下顯著特點(diǎn)：①無運(yùn)動(dòng)部件，儀器牢固穩(wěn)定，耐沖擊和抗加速度運(yùn)動(dòng)；②繞制的光纖增長(zhǎng)了激光束的檢測(cè)光路，使檢測(cè)靈敏度和分辨率比激光陀螺儀提高了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而有效地克服了激光陀螺儀的閉鎖問題；③無機(jī)械傳動(dòng)部件，不存在磨損問題，因而具有較長(zhǎng)的使用壽命；④相干光束的傳播時(shí)間極短，因而原理上可瞬間啟動(dòng)；⑤易于采用集成光路技術(shù)，信號(hào)穩(wěn)定可靠，且可直并與計(jì)算機(jī)接口聯(lián)接；⑥具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍，約為2000°/s;⑦結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)體積小，質(zhì)量輕。光纖陀螺就原理與結(jié)構(gòu)而言，可以將其分為干涉式光纖陀螺(IFOG)、諧振腔光纖陀螺(RFOG)、布里淵光纖陀螺(BFOG);從檢測(cè)相位的方法看，也可將其分為開環(huán)光纖陀螺和閉環(huán)光纖陀螺兩類。光纖陀螺不僅具有環(huán)形激光陀螺的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，而且在某些方面還優(yōu)于環(huán)形激光陀螺，無論在軍用還是民用領(lǐng)域里都擁有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力和廣闊的潛在市場(chǎng)。5光纖陀螺儀的突出特點(diǎn)使其在航天航空、機(jī)載系統(tǒng)和軍事技術(shù)上的應(yīng)用十分理想，因此受到用戶特別是軍隊(duì)的高度重視，以美、日、法為主體的光纖陀螺儀研究工作已取得很大的進(jìn)展。光纖陀螺儀研究工作大部分集中在干涉式，只有少數(shù)公司仍在研究諧振式光纖陀螺。光纖陀螺的商品化是在上世紀(jì)90年代初才陸續(xù)展開，中低精度的光纖陀螺(特別是干涉式光纖陀螺)己經(jīng)商品化，并在多領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用；高精度光纖陀螺儀的開發(fā)和研制正走向成熟階段。美國是全球率先研制光纖陀螺的國家，承包商、大學(xué)及政府代理機(jī)構(gòu)都在開發(fā)相Laboratory公司，斯坦福大學(xué)等，主要服務(wù)于美國軍隊(duì)和航天航空部門，而其中以以下3家機(jī)構(gòu)最為出眾。(1)Honeywell公司Honeywell公司是環(huán)形激光陀螺的先驅(qū)，也是光纖陀螺的有力競(jìng)爭(zhēng)者。其生產(chǎn)的干涉式光纖陀螺規(guī)格齊全，從戰(zhàn)術(shù)級(jí)(1°/h～10°/h)到導(dǎo)航級(jí)(0.003°/h～0.01°/h)、戰(zhàn)略級(jí)(0.001°/h)都具備。該公司的高精度光纖陀螺采用2km～4km的保性度和動(dòng)態(tài)范圍(偏置精度0.00023°/h,隨機(jī)游走角0.00009°/h1/2,標(biāo)度因數(shù)0.3×10?)?，F(xiàn)在，Honeywell公司的研究重點(diǎn)已經(jīng)從戰(zhàn)術(shù)級(jí)的光纖陀螺轉(zhuǎn)移到高精度、戰(zhàn)略級(jí)光纖陀螺(如高精度消偏型陀螺)在姿態(tài)與航向參考系統(tǒng)的應(yīng)用研究上。該公司的導(dǎo)航系統(tǒng)部門是于2001年收購原Litton公司的主要部門而成立的。級(jí)等，在中、低等精度的光纖陀螺領(lǐng)域已相當(dāng)成熟并產(chǎn)品化，如LN200,LN250,KVH工業(yè)集團(tuán)的光纖陀螺研制是于1997年在原有的導(dǎo)航與慣性測(cè)量系統(tǒng)基礎(chǔ)上日本是光纖陀螺研究生產(chǎn)的大國。日本航天航空電子(JAE)公司、三菱 (Mitsubishi)公司、日立電纜在1991年成功研發(fā)世界上第1套用于警車的FOG導(dǎo)航系統(tǒng)。另外，JAE公司還積極我國也非常重視光纖陀螺技術(shù)的研究，上世紀(jì)80年代后，許多大學(xué)和研究所相繼啟動(dòng)光纖陀螺的研發(fā)項(xiàng)目，如航天工業(yè)總公司所屬13所和上海803所、國防科技大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)等，也取得了一定的成績(jī)，如1996年，航天總公司13所成功研制采用Y分支多功能集成光路、零偏穩(wěn)定性達(dá)0.4°/h全數(shù)字閉環(huán)保偏光纖陀螺，浙江大學(xué)和Honeywell公司幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)利用消偏可提高精度等。國內(nèi)的光纖陀螺研制水平雖然與國際水平有一定距離，但已具備或接近中、低精度要求，并在近年來開始嘗試產(chǎn)業(yè)化。此外，國內(nèi)一些企業(yè)亦嘗試與國外科研機(jī)構(gòu)合作(如烏克蘭某大學(xué)),生產(chǎn)光纖陀螺相關(guān)產(chǎn)品。先進(jìn)微電子與光電子技術(shù)的發(fā)展，如光電集成和光纖陀螺專用光纖的發(fā)展，加速了光纖陀螺的小型化和低成本化?，F(xiàn)代干涉式光纖陀螺每軸都是使用發(fā)射/接收集成模塊和分束/調(diào)制集成模塊，而三軸的光纖陀螺發(fā)射/接收集成模塊已在實(shí)驗(yàn)室研制成功，它的3個(gè)感應(yīng)軸使用同一個(gè)SLD光源，并把6個(gè)調(diào)制器、3個(gè)分束器、3個(gè)探測(cè)器集成到同一個(gè)片子上，整個(gè)模塊小于5cm×2cm×2cm。可以預(yù)期，下一代光纖陀螺商業(yè)化后，光纖陀螺在小型化、集成化程度將有很大的提高，價(jià)格上將有很大的下降。全球定位系統(tǒng)的先天性缺陷，如信號(hào)易被高大建筑物衰減、電子地圖的局限性等，影響了全球定位系統(tǒng)的導(dǎo)航準(zhǔn)確率，所以，在全球定位系統(tǒng)基礎(chǔ)上安裝慣性導(dǎo)航系統(tǒng)就成為一個(gè)理想的配搭，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)特別是捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)是現(xiàn)在導(dǎo)航技術(shù)的研究熱點(diǎn)。在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)陀螺的選擇上，光纖陀螺受到了微機(jī)械/微光電機(jī)械陀螺的挑戰(zhàn)。由于工作原理的不同，微機(jī)械式陀螺構(gòu)成的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的尺寸要比光纖陀螺小得多，價(jià)格也比光纖陀螺低得多。這樣使微機(jī)械陀螺在中低級(jí)精度導(dǎo)航受到歡迎。光纖陀螺和微機(jī)械式的陀螺的研制是為了替代舊式機(jī)械陀螺和現(xiàn)有大部分激光陀螺的應(yīng)用，只保留激光陀螺在高靈敏度高可靠性領(lǐng)域的小范圍應(yīng)用。長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，微機(jī)械/微光電機(jī)械將主宰中、低等級(jí)別的導(dǎo)航應(yīng)用，而光纖陀螺將以優(yōu)異的性能在策略級(jí)應(yīng)用上處于統(tǒng)治位置。3.標(biāo)準(zhǔn)化“IEEEStd95221997(R2003)”。總而言之，光纖陀螺今后的研究趨勢(shì)可歸納為如下：(1)采用三軸測(cè)量代替單軸，研發(fā)多功能集成光學(xué)芯片、保偏技術(shù)等，加大光纖陀螺的小型化、低成本化力度；(2)深入開發(fā)中、低精度光纖陀螺的應(yīng)用，特別是民用慣性導(dǎo)航技術(shù)；(3)加強(qiáng)高精度級(jí)纖陀螺的技術(shù)與應(yīng)用研究，開發(fā)新型的光纖陀螺BFOG和RFOG等。本任務(wù)的目的就是順應(yīng)光纖陀螺的發(fā)展趨勢(shì)，研制滿足系統(tǒng)要求的小型化光纖陀螺捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置。1.3技術(shù)指標(biāo)要求a.線性測(cè)量范圍：b.隨機(jī)漂移：c.標(biāo)度因數(shù)：d.標(biāo)度因數(shù)非線性：±0.01°/s~±300°/s≤5000ppm(1o)(模擬量)≤500ppm(1o)(數(shù)字量)g.頻帶：≥70Hz(最終解調(diào)量輸出，非速率陀螺輸出);a.線性測(cè)量范圍：b.隨機(jī)漂移：c.標(biāo)度因數(shù)：d.標(biāo)度因數(shù)非線性：≤5000ppm(1o)(模擬量)≤500ppm(1o)(數(shù)字量)≥100Hz(最終解調(diào)量輸出，非加速度輸出);a.啟動(dòng)時(shí)間(從加電到穩(wěn)態(tài)輸出)<6s瞬態(tài)：27V100W。沿俯仰、偏航方向安裝精度不低于0.01°沿縱向方向安裝精度不低于0.02°需要有角速度和線加速度仿真功能，供系統(tǒng)回路測(cè)試仿真用。通過對(duì)外接口加注角速度模擬信號(hào)和線加速度模擬信號(hào)，分別和實(shí)測(cè)得到的角速度和線加速度模擬量求和，求和后一路輸至導(dǎo)航控制計(jì)算機(jī)板相應(yīng)A/D口進(jìn)行采集，另一路經(jīng)電阻匹配隔離后輸出至捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置對(duì)外接口，具體參見圖1-1。角速度和線加速度仿真通道的比例因數(shù)為1.00±0.1。角速度模擬量輸出(去計(jì)算機(jī)板)電路角速度模擬量輸出(去100芯插座)線加速度模擬量輸出(去計(jì)算機(jī)板)電路線加速度模擬量輸出(去100芯插座)圖1-1組合仿真功能示意圖1.4本論文的主要內(nèi)容在本課題之前，作者曾參與光纖陀螺測(cè)試、光學(xué)元器件測(cè)試、光源驅(qū)動(dòng)電路研制、光纖陀螺信號(hào)處理電路研制等工作，并學(xué)習(xí)掌握了大量DSP相關(guān)的應(yīng)用設(shè)計(jì)知識(shí)，作者本科為自控慣導(dǎo)專業(yè)，這些為光纖陀螺捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置的研制開發(fā)提供了很大的幫助。小型化光纖陀螺捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置的總體設(shè)計(jì)，導(dǎo)航控制計(jì)算機(jī)(即DSP數(shù)字信號(hào)處理模塊)的研究與設(shè)計(jì)，V/F轉(zhuǎn)換電路的研究與設(shè)計(jì)，光纖陀螺建模補(bǔ)償研究，捷聯(lián)慣測(cè)測(cè)試軟件設(shè)計(jì)等均由作者設(shè)計(jì)完成。在研制過程中，同事們參與了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，三軸一體化陀螺技術(shù)研制與設(shè)計(jì)，二次電源設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和測(cè)試方面的工作。本論文分為七個(gè)章節(jié)，第一章緒論，概述了捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展過程及光纖陀螺的發(fā)展歷程，介紹了本研究課題的背景及系統(tǒng)要求；第二章闡述了小型化光纖陀螺捷聯(lián)系統(tǒng)組成，工作原理及建模補(bǔ)償；第三章介紹了三軸一體化光纖陀螺技術(shù)；第四章介紹了加速度計(jì)選取及V/F轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)；第五章主要介紹了數(shù)字信號(hào)處理模塊硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；第六章介紹了數(shù)字信號(hào)處理模塊軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；第七章介紹了系統(tǒng)的2.1慣性導(dǎo)航的基本概念導(dǎo)航就是正確引導(dǎo)航行體沿著預(yù)定的航線在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)目的地。為了完成這個(gè)任務(wù)，需要隨時(shí)知道導(dǎo)航體的瞬時(shí)地理位置、航行速度、航行體的姿態(tài)航向等導(dǎo)航參數(shù)；導(dǎo)航系統(tǒng)只提供各種導(dǎo)航參數(shù)，不直接參與控制，是一個(gè)信息處理系統(tǒng)，即把導(dǎo)航儀表所測(cè)量的航行信息處理成需要的各種導(dǎo)航參數(shù)；航行自動(dòng)控制(制導(dǎo))系統(tǒng)是由導(dǎo)航系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)組成的閉環(huán)系統(tǒng)，即把導(dǎo)航系統(tǒng)提供的導(dǎo)航信息轉(zhuǎn)換成對(duì)航行體航行的控制信息送給白動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)，通過自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)白動(dòng)控制航行體的航行。慣性導(dǎo)航是一種自主式導(dǎo)航方法。依靠自身(慣性器件：陀螺和加速度計(jì))完成導(dǎo)航任務(wù)。和外界無光、電聯(lián)系。慣性導(dǎo)航的基本原理是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，在飛行器內(nèi)用導(dǎo)航加速度表測(cè)量飛行器的加速度，通過積分運(yùn)算得到飛行器的速度和位置信息。具有不依賴外界信息、不向外界輻射能量、不受干擾、隱蔽性好的特點(diǎn)，且慣導(dǎo)系統(tǒng)能連續(xù)地提供載體的全部導(dǎo)航、制導(dǎo)參數(shù)(位置、線速度、角速度、姿態(tài)角),故廣泛應(yīng)用于航天、航空、航海領(lǐng)域，特別是軍事領(lǐng)域。原點(diǎn)在地球中心，Z軸沿地球自傳軸方向，Xi,Y?軸在赤道平面內(nèi)，指向恒星方向，不隨地球的自傳而變化。這個(gè)坐標(biāo)系是慣性系統(tǒng)的參考標(biāo)準(zhǔn)。原點(diǎn)在地球中心，Z.軸和地球自傳軸重合，X,Y軸在赤道平面內(nèi)，其中X指向零度子午線，該坐標(biāo)系和地球固聯(lián)。指向地球中心(即和重力方向一致),地理坐標(biāo)系相對(duì)地球坐標(biāo)系的方位關(guān)系就是飛行器的地理位置經(jīng)緯度。圖2-1慣性、地球、地理坐標(biāo)系Figure.2-1Theinertia,earth,geo圖2-2載體坐標(biāo)系載體坐標(biāo)系和飛行器固連，坐標(biāo)原點(diǎn)在飛行器重心，X沿飛行器的縱軸方向，Y沿飛行器的豎軸向下。載體坐標(biāo)系相對(duì)地理坐標(biāo)系的方位為飛行器的姿態(tài)和航向。以上各坐標(biāo)系均為右手直角坐標(biāo)系，見圖2.1和圖2.2導(dǎo)航需要的參數(shù)有很多，如飛行器的瞬時(shí)地理位置、地速、飛行器的姿態(tài)和航向、偏流角、已飛距離、待飛距離、航跡角等。在這些導(dǎo)航參數(shù)中，最基本的是飛行器的飛行器的姿態(tài)和航向?qū)嶋H上就是載體坐標(biāo)系X。Y。Z和地理坐標(biāo)系NED之間的方位關(guān)系。取ONED(北東地)為地理坐標(biāo)系(n系)為參考坐標(biāo)系，0X,Y.Z為載體坐標(biāo)系(b系),0X,為載體縱軸，陀螺儀的測(cè)量軸G、G、G?分別與載體坐標(biāo)系的X軸、Y。軸、Z軸對(duì)應(yīng)。如圖2-3所示，ψ、θ、x分別為航向角、俯仰角和傾斜角。9載體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系的關(guān)系如下所示：其中C為姿態(tài)矩陣，如果知道了姿態(tài)矩陣的元素值，則可以計(jì)算出飛行器的姿態(tài)和航向角1。即在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中關(guān)于姿態(tài)矩陣的算法有以下三種：三參數(shù)法、四參數(shù)法和九參三參數(shù)法也叫歐拉角法，通過求解微分方程可以直接得到飛行器的航向和姿態(tài)角，由此得到的姿態(tài)矩陣永遠(yuǎn)是正交陣，不存在非正交誤差。但是由于微分方程中包含三角函數(shù)的運(yùn)算，且當(dāng)θ=90度時(shí)，存在奇點(diǎn)，因此不能用于全姿態(tài)飛行器。九參數(shù)法也叫方向余弦法，可以全姿態(tài)工作，但需要解算九個(gè)聯(lián)立的微分方程，計(jì)算量較大，所以通常采用四元數(shù)法。四元數(shù)是由一個(gè)實(shí)數(shù)單位1和一個(gè)虛數(shù)單位i、j、k組成的含有四個(gè)元的數(shù)，其三種表示形式為第13頁其中Q為四元數(shù)是一個(gè)復(fù)數(shù)，u為虛數(shù)單位矢量，α為Q與實(shí)軸的夾角。根據(jù)歐拉定理，可以構(gòu)造四元數(shù)Q和Q°,其中θ為歐拉角，u表示歐拉軸向的單位矢量，R。為空間矢量在地理坐標(biāo)系上的四元數(shù)映像，R.為空間矢量在載體坐標(biāo)系上的四元數(shù)映像。四元數(shù)與坐標(biāo)變換之間的關(guān)系可以表示為：R?=QRQ四元數(shù)與姿態(tài)矩陣之間的關(guān)系可以表示為：設(shè)t時(shí)刻動(dòng)系0XY?Z以角速度w繞相對(duì)定系0X.Y。Z.轉(zhuǎn)動(dòng)，則Q為Q在b和n上Q°=qob+q?bi+q?bj+q?bk=qon+qi四元數(shù)的微分方程可以表示為：如果寫成矩陣的形式就是即利用畢卡逼近法求得微分方程的解析解，可得或簡(jiǎn)單寫為其中Q(0)、q(0)為上依次計(jì)算的四元數(shù)。在計(jì)算機(jī)中用迭代法完成解算。具體的解算公式如下所示2:w?為陀螺輸出角速度在載體坐標(biāo)系的投影，則在一個(gè)采樣周期內(nèi)，陀螺輸出的角增量為：即當(dāng)組合體向上時(shí)，陀螺組合的安裝坐標(biāo)系與載體坐標(biāo)系的關(guān)系為：通過消除轉(zhuǎn)動(dòng)不可交換性誤差后得到：其中△θ?,△θ?分別為上次和本次解算出來的△O補(bǔ)償?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)帶來的誤差：為地球自傳角速度，φ為當(dāng)?shù)鼐暥裙?-11可進(jìn)一步分解為：級(jí)數(shù)展開后取4階近似，S、C計(jì)算公式如下：由公式2-18計(jì)算四元數(shù)并進(jìn)行姿態(tài)解算：其中q'為上一次計(jì)算的四元數(shù)，歸一化得到：然后由公式2-5計(jì)算得到姿態(tài)矩陣Ch,再根據(jù)公式2-2即可求得姿態(tài)角。由比力微分方程：計(jì)算載體的地理速度，式中：于"=C"是加速度計(jì)的輸出，由于加速度計(jì)固連在載體上，因此需要把原始輸出子預(yù)轉(zhuǎn)換為于；20“×V”哥式加速度，由于地球自傳和載體運(yùn)動(dòng)的合成而形成；可”×V”牽連加速度，由于載體在地球表面運(yùn)動(dòng)而形成；g”重力加速度矢量，在地球表面為：g"=[0,0,g]"。通常把-(20”+0”)ד+g”項(xiàng)稱為有害加速度，必須從加速度計(jì)等效輸出中扣除，方能得到實(shí)時(shí)的載體速度V”。V”@加速度計(jì)組合無體化光纖陀螺組合彈體0攻角αChV/F石圖2-4光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)組合原理框圖由于載體在地球表面運(yùn)動(dòng)，因此定位計(jì)算時(shí)必須考慮地球曲率的影響，以經(jīng)緯度和高度作為定位單位，其微分方程為：2.5組成及功能動(dòng)駕駛儀的執(zhí)行部分。其中軟件部分包括系統(tǒng)的初始化和邏輯控制、陀螺的建模補(bǔ)償、接口接口陀螺組合信號(hào)模塊二次電源模塊加表圖2-5方案設(shè)計(jì)框圖Figure.2-5Theschematicdiagramofsystemdes度分量和視加速度分量，以模擬電壓或數(shù)字量形式上傳給導(dǎo)航控制計(jì)算機(jī)，供飛行控制及導(dǎo)航解算用；同時(shí)導(dǎo)航控制計(jì)算機(jī)接收從飛機(jī)火控系統(tǒng)下傳的火控?cái)?shù)據(jù)，以供火控解算；此外，捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置內(nèi)部預(yù)留一定空間以安放某所研制的功放電路板，最終完成為一個(gè)完整的捷聯(lián)慣導(dǎo)控制組合。三軸閉環(huán)光纖陀螺和三只石英撓性加速度計(jì)安裝在三軸正交的結(jié)構(gòu)支架上，組成三軸慣測(cè)組合，組合安裝在彈體上見圖2-6。圖2-6導(dǎo)彈尾視方向坐標(biāo)OXIY1Z1為彈體坐標(biāo)系，OX1aYlaZ1a為執(zhí)行坐標(biāo)系，慣測(cè)組合坐標(biāo)系與彈上執(zhí)行坐標(biāo)系重合。OXla正向(滾動(dòng)陀螺)、OZ1a負(fù)向(俯仰陀螺)、OYla正向(偏航陀螺);三只石英撓性加速度計(jì)的敏感軸正向分別為OXla正向(縱向加速度計(jì))、OZ1a負(fù)向(偏航加速度計(jì))、OYla負(fù)向(俯仰加速度計(jì))。慣性組合測(cè)量繞執(zhí)行坐標(biāo)三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和沿執(zhí)行坐標(biāo)三個(gè)軸的加速度。圖2-7外形結(jié)構(gòu)示意圖小型化光纖陀螺捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)尺寸為Φ186.5mm×97mm大小，具體形狀見圖2-7。在其殼體底部安裝一個(gè)接口(100芯接插件)包括：一次電源輸入，陀螺及加表的模擬數(shù)字仿真輸入，火控系統(tǒng)模擬裝訂參數(shù)、數(shù)字式裝訂參數(shù)(ARINC429接口)、狀態(tài)量裝訂參數(shù)輸入，多普勒雷達(dá)信號(hào)輸入，舵鎖信號(hào)輸出，>@>@NTI2NTπ22A/DADDAA/D實(shí)現(xiàn)見圖2-8、圖2-9。由于任務(wù)的主要承制單位采用的是撓性陀螺方案輸出為模擬>于A>于A2仿真2讠婁名仿真A/D圖2-9加速度計(jì)仿真模塊Figure.2-9Theemulationmodule>NTINTπ@數(shù)字仿真圖2-10實(shí)際的光纖陀螺仿真模塊Figure.2-11TheactualemulationmoduleAA計(jì)數(shù))器A/DA/D圖2-11實(shí)際的加速度計(jì)仿真模塊Figure.2-11Theactualem輸入電源的要求見第一章第三節(jié)對(duì)慣測(cè)組合的要求。捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置輸出的±DC/DC轉(zhuǎn)換為±5V和±15V,轉(zhuǎn)換后的+5V和±15V從組合對(duì)外接插件上相應(yīng)管腳輸出，以利監(jiān)測(cè)?！?5V電源共用一個(gè)地，±5V電源的地與±15V電源的地線不共用，相互獨(dú)立。表2-1電源指標(biāo)電源名稱電壓范圍V紋波范圍mV輸出功