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光纖陀螺尋北儀連續旋轉尋北方案及算法研究
- 2019-12-20-

      為了有效地抑制光纖陀螺的零偏和隨機漂移,進一-步提高光纖陀螺尋北系統的精度和性能,研究并實現了基于連續旋轉尋北方案的光纖陀螺尋北系統。提出了2種計算光纖陀螺敏感軸初始位置與真北方向夾角的尋北算法.并分別進行了討論和分析。采用零偏穩定性為0.05°/h的閉環光纖陀螺進行尋北實驗,在對采集到的光纖陀螺輸出信號進行低通濾波處理后,分別使用2種算法解算尋北結果。實驗結果表明.連續旋轉方案的性能與旋轉速率有關.提高轉臺的旋轉速率雖然能有效地提高尋北速度.但同時會降低尋北精度;提出的2種算法都能有效實現快速、高精度地尋北;在不同初始位置上,當轉臺旋轉速度為49/s時,2種算法所需的尋北時間為90s,算法1的尋北精度優于0.051° .算法2尋北精度優于0. 046°。


      陀螺尋北儀可以為許多陸基設備提供方位基準,在武器瞞準、地面機動車輛導航、隧道建設等國防和民用領城都有重要用途。傳統的機械陀螺儀定位精度較高,但體積大、結構復雜且價格昂貴,在性價比和壽命方面受到較大制約。光纖陀螺是基于薩格奈克效應的新型全固態光學陀螺儀,它沒有機械運動部件.工作不受位置和天氣的影響,且具有體積小。靈敏度高、啟動時間短.耐沖擊、壽命長、動態范圍寬,功耗低等諸多優點,它的應用將使慣性定向或導航系統更具吸引力"。光纖陀螺在定向系統中的一個重要應用是捷聯尋北儀.基于光纖陀螺的尋北儀固聯于被測載體上,能夠在較短的時間內以較高的精度測量出載體參考方向相對于地理真北方向的夾角。


      光纖陀螺尋北儀通常采用的方案是基于旋轉定點測量的靜態方案.包括二位置方案、四位置方案和多位置方案等。這些方案的基本思想是利用水平轉臺,使光纖陀螺的敏感軸在水平面內轉動固定的角度,保持光纖陀螺靜止并采集輸出信號,通過2個多個對稱位置的輸出抵清陀螺零偏。再調用相應的尋北算法解算出尋北結果。在光纖陀螺尋北儀中,光纖陀螺自身的零偏和隨機漂移對尋北儀的性能有很大影響.為此.相關領域的專家和學者提出了各種方法來提高尋北精度。


      與傳統的靜態尋北方案相比,基于連續旋轉的動態尋北方案能夠通過連續的恒速旋轉使陀螺信號受到周期性調制,有效地抑制光纖陀螺的零偏和隨機漂移,提高尋北精度,縮短尋北時間。本文在對光纖陀螺連續旋轉尋北系統的結構組成和光纖陀螺輸出特性分析的基礎上,提出了2種適用于連續旋轉尋北方案的尋北算法. 


      對連續旋轉方案采集到的位置信息和光纖陀螺輸出.常用的處理方法是采用最小二乘估計 ,從而得到初始方位角,其算法思想與靜態多位置方案的尋北算法相同。本文提出2種不同的算法來處理采集到的數據,更方便、精確地得到尋北結果。


      連續旋轉尋北方案有效地抑制光纖陀螺的零偏和隨機漂移,提高尋北精度,縮短尋北時間。本文在對光纖陀螺連續旋轉尋北系統的結構和光纖陀螺輸出特性分析的基礎上,提出了2種適用于連續旋轉尋北方案的尋北解算算法,并分別進行了分析和仿真。采用-一個零偏穩定性為0. 05%/h的閉環光纖陀螺進行尋北實驗,在對采集到的光纖陀螺輸出信號進行低通濾波后,使用2種算法分別解算尋北結果。實驗結果表明,算法1和算法2都能有效實現快速、高精度地尋北,且尋北結果的精度與轉臺的轉速大體成反比。為了保證算法的有效性,轉臺的轉速必須為能夠整除360的整數值。提高轉臺的旋轉速率雖然能有效地提高尋北速度,但同時會降低尋北精度。因此,在連續旋轉方案在應用過程中,需要綜合考慮,合理選擇旋轉速率。當轉臺旋轉速度為49/s時,2種算法所需的尋北時間為90 s,在不同初始位置上,算法1的尋北精度優于0.051°,算法2的尋北精度優于0.046*,算法2的性能總體上稍優于算法1,但算法2在實現過程中多加了一個低通濾波器,其算法實現過程不如算法1簡單。在實際應用中,可根據系統要求選擇合適的解算方法。



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