第三章光学惯性测量装置课件
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3.1 光学惯性测量装置概述 3.2 光学惯性测量装置总体设计 3.3 光学惯性测量装置误差标定 3.4 光学惯性测量装置温度补偿
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
3.1 光学惯性测量装置概述
概述
光学惯性测量装置是以光纤/激光陀螺为角运动测量仪表，主要输出 载体角加速度及加速度信息的各类惯性测量设备的统称。其主要构成 形式一般有以下几类。 1）常规的光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合（Strap-down Inertial Measurement Unit，SIMU）。捷联惯性测量组合也称为 惯性测量单元或惯组等，是捷联惯性导航（制导）技术的硬件基 础。常规配置的光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合产品一般包含正 交的3个光纤/激光陀螺和3 个加速度计，以及二次电源、信号处 理与接口电路等部件，可输出三维角速度、加速度等信息。捷联 惯性测量组合和捷联惯导算法结合就可构成捷联惯性导航系统 （Strap-down Inertial Navigation System，SINS）。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统电路及电气接口方案设计
系统电气部件主要完成惯性系统内各类信号的采集、处理及 与外部的信息交换等功能。由于数字电路具有精度高、抗干扰性 好、有利于系统集成与提高智能水平等特点，因而电气系统向数 字化方向发展是惯性技术产品的未来趋势。光纤/激光陀螺惯性系 统中的电路部件一般包括：信号采集/处理（CPU）及接口电路板、 温度或加速度等信号的模/数转换电路板（如石英挠性加速度计用 的I/F电路板）、二次电源电路板（一般采用专用DC/DC、AC/DC模 块）等，有的还有温控电路板。
惯性仪表的输出可能受温度和磁场等环境因素的影响，特定 应用场合需要测试出惯性仪表对环境的灵敏度，并可通过屏蔽或 建模补偿的方法降低其影响。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统实验和验证方案设计
环境应力筛选及环境适应性试验 环境应力筛选时产品研制过程中的一个重要环节，其目的是
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统总体方案确定及精度分配
光纤/激光陀螺的主要技术指标和测试程序应该遵循相关标准， 如《GJB2426-2004 光纤陀螺测试方法》，《IEEE Std 952-1997 单轴干涉式光纤陀螺仪指标和测试规范性指南》（IEEE Standard Specification Format Guide and Test Procedure for SingleAxis Interferomentric Fiber Optic Gyros）， 《GJB24271995 激光陀螺仪测试方法》等。加速度计相关标准有《QJ240292摆式加速度计主要精度指标评定方法》、《GJB1037A-2004单轴 摆式伺服线加速度计实验方法》、《QJ253-86惯性仪表用电气元 件通用技术条件》等。研制方与用户应按相关标准的要求达成一 致并体现在研制任务书中。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
一般设计流程
光纤/激光陀螺惯性测量装置设计流程示意图
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统总体方案确定及精度分配
在研制惯性测量装置产品之前，首先要根据要求确定其总体 技术方案，包括产品外形结构与安装接口方案、电路原理与电气 接口方案、惯性仪表的类型与配置方案及仪表精度分配等。典型 光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合的元部件一般包括：三轴正交安 装的3个光纤/激光陀螺和3个加速度计、不同功能的电路板、惯组 本体及其他结构件。其他类型的产品可在上述典型方案的基础上 进行某些元部件或功能的适当增减而实现。选择惯性仪表时主要 应考虑静/动态性能指标、环境条件适应性、价格等因素，并尽量 选用成熟技术。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
一般设计流程
光纤/激光陀螺惯性测量装置的设计流程一般包括两个方面： 一方面是用户任务书指定功能和性能的设计实现，另一方面是产 品任务剖面的分析和应用环境条件的适应性设计。
光纤/激光陀螺惯性测量装置选定适用的惯性仪表后，在电气 接口分析的基础上，形成电气接口及软件设计方案。明确了产品 的任务剖面后，有针对性地分解出需要满足的环境条件，在结构 设计时充分考虑热设计与电磁兼容性（EMC）要求，环境磁场和冲 击、振动等力学环境影响等，形成总体结构设计方案。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统电路及电气接口方案设计
系统对外电气接口方案包括输入/输出信号类型与格式、供 电（如电源类型、功率）、数据总线类型及通信协议等内容，常 用的数据总线有RS422/485,1553B,ARINC429,CAN等，有的用户还 要求输出模拟量、脉冲量等。产品设计中，应按任务书或用户要 求选择适合的电路元件、接插件、电缆等配套件，遵循系列化、 通用化和模块化要求，优先选用项目优选目录中指定的元器件， 并尽量减少品种类型。
目前结构设计常用的计算机辅助设计软件有Pro/Engineer，Solid Works等
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
寿命与可靠性、安全性、维修性设计
惯性系统寿命分为储存寿命和工作寿命，战术导弹、火箭等要求 惯性系统储存寿命长，而工作时间相对短，为保证产品能承受储存过 程中的温度和湿度等自然环境的影响，一般采用系统级密封设计，从 材料和工艺上保证光纤/激光陀螺等惯性仪表性能的长期稳定性。卫 星、飞船等空间应用领域，要求惯性系统工作寿命长，可采用长寿命 光学器件或采用冗余方案，以延长系统工作寿命。飞机、船舶等应用 领域，惯性系统产品不仅长期工作，而且要多次通电、重复使用，因 此产品的可检测性、维修性也十分重要。可检测性的改善将减少故障 检测时间、降低维修费用，也将其看作维修性的一部分。
3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统实验和验证方案设计
综合性能试验 综合性能试验一般要按用户要求进行，包括相关的精度试验、
参数稳定性试验、可靠性试验，以及配合总体部门的半物理仿真 试验、车/船载条件下试验、全弹（箭）或整星联合试验等，以对 惯性系统得到整体性能与质量稳定度等做出较客观、全面的评价。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统总体方案确定及精度分配
在基本确定了光纤/激光系统的原理构成方案之后，应根据用 户指标要求，按各陀螺与加速度计进行性能指标分解。指标分解 的方法主要包括理论推导和数学仿真，或参照已有产品进行类比 等方法，同时要考虑产品的工作环境条件，并使所选用惯性仪表 的指标留有适当余量。
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光学惯性测量与导航系统
Optic Inertial Measurement & Navigation System
主 讲： 杨功流 教授 晁代宏 讲师 张小跃 讲师
电 话： 9664，6542-823
北京航空航天大学仪器Βιβλιοθήκη Baidu学与光电工程学院
第三章 光学惯性测量装置
通过施加一种或几种规定的应力，将制造过程中引入产品的各种 潜在缺陷在出厂前以硬件故障的形式暴露出来加以剔除，可防止 其在产品交付后的使用环境中变为故障。通过该实验可淘汰早期 失效产品，尽早让产品进入失效率浴盆曲线的平直段，从而可达 到提高产品使用可靠性的目的。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统实验和验证方案设计
惯性测量组合中惯性仪表误差模型系数标定和误差补偿技术。 惯性仪表误差中的确定性部分可通过标定分离出来并在使用
时进行补偿。将惯性仪表的实际输出与已知输入时的理论输出进 行比较就可完成惯性测量装置的标定。如以地球转速（ie ）、转 台转速作为速率基准可标定陀螺的误差模型系数，以地球重力加 速度（g）为基准可标定加速度计的误差模型系数。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统机械结构方案设计
光纤/激光陀螺惯性系统机械结构承载着惯性仪表和各种电路，既 要保证一定的结构强度与刚度，以满足产品的力学、热学、电磁等环 境适应性要求，又要保证产品加工与装配的工艺性、维修性，并有利 于批量生产和使用维护。系统结构设计要提供惯性仪表在系统的安装 位置及方式，并保证所需的安装精度，要避免应力集中的结构，中高 精度产品还要考虑采用适当的电磁屏蔽措施。系统的外形结构与安装 方式在满足用户要求的前提下，还要考虑其误差系数标定和测试、工 作时方位对准等要求（如采用光学瞄准时，需设置光学棱镜等）。
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3.1 光学惯性测量装置概述
概述
3）冗余配置型光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合。惯性陀螺的结 构与性能特点有利于实现多表冗余配置，并获得精度和可靠性更 高的捷联惯性测量组合产品。这类产品中的光纤/激光陀螺和加速 度计数量分别都在3个以上。按光纤/激光陀螺冗余轴数目来划分， 常见的有四表和六表冗余配置方案，前者一般采用三轴正交一轴 斜置或对称斜置的配置方式，后者常采用六轴对称斜置的配置方 案。
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3.1 光学惯性测量装置概述
概述
2）非常规的光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合。这类惯性测量组 合也有多种类型，有的仅有1~3个光纤/激光陀螺而无加速度计， 有的则有1~3个光纤/激光陀螺和1~2个加速度计，一般自带二次电 源和信息处理器，可输出经过误差补偿后的角速度或角加速度信 息，有时称其为“光纤/激光陀螺组件”，常用于航天器角速度或 角加速度值的测量。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统电路及电气接口方案设计
系统电气体制及电磁兼容性设计也是光纤/激光陀螺惯性系统 电气设计中的一项重要内容。由于光纤/激光陀螺直接输出数字量， 配套的电气部件也都基本采用数字体制，电磁兼容性能较好。在 产品设计时，主要可参考数字电路电磁兼容性设计的相关规范和 标准。
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3.1 光学惯性测量装置概述
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3.1 光学惯性测量装置概述
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3.1 光学惯性测量装置概述
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3.1 光学惯性测量装置概述
概述
上述几类光纤/激光陀螺测量装置既可单独形成产品应用到实 际中（如用于卫星、飞船的姿态测量等），也可与其他设备或软 件组成功能更强的各类应用系统，主要包括基于光纤/激光陀螺的 惯性导航/制导系统、惯性组合导航系统、惯性航姿测量系统、寻 北系统、定位/定向系统等。因此，光纤/激光陀螺惯性测量装置 是各类光纤/激光陀螺应用系统的硬件基础，直接影响应用系统的 技术性能，通过对其结构与电气部件、误差建模与补偿软件、环 境适应性与可靠性等方面的优化设计，实现其整体性能的提升， 是提高各类光纤/激光陀螺应用系统整体性能水平的重要前提。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统总体方案确定及精度分配
惯性测量装置的电气部分常以信号处理器（如单片机、DSP 芯片等）和编程逻辑器件（CPLD，FPGA等）为核心，构成信号处 理和接口电路。光纤陀螺捷联惯性测量组合仅需几种直流电源 （如 5V，15）V ，常通过DC/DC变换器将外部直流电源（如27V） 变换得到。
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3.1 光学惯性测量装置概述
概述
4）由三轴一体光纤/激光陀螺构成的惯性测量装置。此类装置与 前面几类产品的区别在于它采用了三轴一体化设计的光纤/激光陀 螺，而不是单轴光纤/激光陀螺。三轴一体光纤/激光陀螺将3个单 轴光纤/激光陀螺的光路和电路进行集成一体化设计（如公共光源 等），使其结构更紧凑、更轻小、更低功耗，它与加速度计也可 构成不同类型的惯性测量装置。
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3.1 光学惯性测量装置概述
概述
光学惯性测量装置是以光纤/激光陀螺为角运动测量仪表，主要输出 载体角加速度及加速度信息的各类惯性测量设备的统称。其主要构成 形式一般有以下几类。 1）常规的光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合（Strap-down Inertial Measurement Unit，SIMU）。捷联惯性测量组合也称为 惯性测量单元或惯组等，是捷联惯性导航（制导）技术的硬件基 础。常规配置的光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合产品一般包含正 交的3个光纤/激光陀螺和3 个加速度计，以及二次电源、信号处 理与接口电路等部件，可输出三维角速度、加速度等信息。捷联 惯性测量组合和捷联惯导算法结合就可构成捷联惯性导航系统 （Strap-down Inertial Navigation System，SINS）。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统电路及电气接口方案设计
系统电气部件主要完成惯性系统内各类信号的采集、处理及 与外部的信息交换等功能。由于数字电路具有精度高、抗干扰性 好、有利于系统集成与提高智能水平等特点，因而电气系统向数 字化方向发展是惯性技术产品的未来趋势。光纤/激光陀螺惯性系 统中的电路部件一般包括：信号采集/处理（CPU）及接口电路板、 温度或加速度等信号的模/数转换电路板（如石英挠性加速度计用 的I/F电路板）、二次电源电路板（一般采用专用DC/DC、AC/DC模 块）等，有的还有温控电路板。
惯性仪表的输出可能受温度和磁场等环境因素的影响，特定 应用场合需要测试出惯性仪表对环境的灵敏度，并可通过屏蔽或 建模补偿的方法降低其影响。
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系统实验和验证方案设计
环境应力筛选及环境适应性试验 环境应力筛选时产品研制过程中的一个重要环节，其目的是
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统总体方案确定及精度分配
光纤/激光陀螺的主要技术指标和测试程序应该遵循相关标准， 如《GJB2426-2004 光纤陀螺测试方法》，《IEEE Std 952-1997 单轴干涉式光纤陀螺仪指标和测试规范性指南》（IEEE Standard Specification Format Guide and Test Procedure for SingleAxis Interferomentric Fiber Optic Gyros）， 《GJB24271995 激光陀螺仪测试方法》等。加速度计相关标准有《QJ240292摆式加速度计主要精度指标评定方法》、《GJB1037A-2004单轴 摆式伺服线加速度计实验方法》、《QJ253-86惯性仪表用电气元 件通用技术条件》等。研制方与用户应按相关标准的要求达成一 致并体现在研制任务书中。
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一般设计流程
光纤/激光陀螺惯性测量装置设计流程示意图
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系统总体方案确定及精度分配
在研制惯性测量装置产品之前，首先要根据要求确定其总体 技术方案，包括产品外形结构与安装接口方案、电路原理与电气 接口方案、惯性仪表的类型与配置方案及仪表精度分配等。典型 光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合的元部件一般包括：三轴正交安 装的3个光纤/激光陀螺和3个加速度计、不同功能的电路板、惯组 本体及其他结构件。其他类型的产品可在上述典型方案的基础上 进行某些元部件或功能的适当增减而实现。选择惯性仪表时主要 应考虑静/动态性能指标、环境条件适应性、价格等因素，并尽量 选用成熟技术。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
一般设计流程
光纤/激光陀螺惯性测量装置的设计流程一般包括两个方面： 一方面是用户任务书指定功能和性能的设计实现，另一方面是产 品任务剖面的分析和应用环境条件的适应性设计。
光纤/激光陀螺惯性测量装置选定适用的惯性仪表后，在电气 接口分析的基础上，形成电气接口及软件设计方案。明确了产品 的任务剖面后，有针对性地分解出需要满足的环境条件，在结构 设计时充分考虑热设计与电磁兼容性（EMC）要求，环境磁场和冲 击、振动等力学环境影响等，形成总体结构设计方案。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统电路及电气接口方案设计
系统对外电气接口方案包括输入/输出信号类型与格式、供 电（如电源类型、功率）、数据总线类型及通信协议等内容，常 用的数据总线有RS422/485,1553B,ARINC429,CAN等，有的用户还 要求输出模拟量、脉冲量等。产品设计中，应按任务书或用户要 求选择适合的电路元件、接插件、电缆等配套件，遵循系列化、 通用化和模块化要求，优先选用项目优选目录中指定的元器件， 并尽量减少品种类型。
目前结构设计常用的计算机辅助设计软件有Pro/Engineer，Solid Works等
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
寿命与可靠性、安全性、维修性设计
惯性系统寿命分为储存寿命和工作寿命，战术导弹、火箭等要求 惯性系统储存寿命长，而工作时间相对短，为保证产品能承受储存过 程中的温度和湿度等自然环境的影响，一般采用系统级密封设计，从 材料和工艺上保证光纤/激光陀螺等惯性仪表性能的长期稳定性。卫 星、飞船等空间应用领域，要求惯性系统工作寿命长，可采用长寿命 光学器件或采用冗余方案，以延长系统工作寿命。飞机、船舶等应用 领域，惯性系统产品不仅长期工作，而且要多次通电、重复使用，因 此产品的可检测性、维修性也十分重要。可检测性的改善将减少故障 检测时间、降低维修费用，也将其看作维修性的一部分。
3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统实验和验证方案设计
综合性能试验 综合性能试验一般要按用户要求进行，包括相关的精度试验、
参数稳定性试验、可靠性试验，以及配合总体部门的半物理仿真 试验、车/船载条件下试验、全弹（箭）或整星联合试验等，以对 惯性系统得到整体性能与质量稳定度等做出较客观、全面的评价。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统总体方案确定及精度分配
在基本确定了光纤/激光系统的原理构成方案之后，应根据用 户指标要求，按各陀螺与加速度计进行性能指标分解。指标分解 的方法主要包括理论推导和数学仿真，或参照已有产品进行类比 等方法，同时要考虑产品的工作环境条件，并使所选用惯性仪表 的指标留有适当余量。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
光学惯性测量与导航系统
Optic Inertial Measurement & Navigation System
主 讲： 杨功流 教授 晁代宏 讲师 张小跃 讲师
电 话： 9664，6542-823
北京航空航天大学仪器Βιβλιοθήκη Baidu学与光电工程学院
第三章 光学惯性测量装置
通过施加一种或几种规定的应力，将制造过程中引入产品的各种 潜在缺陷在出厂前以硬件故障的形式暴露出来加以剔除，可防止 其在产品交付后的使用环境中变为故障。通过该实验可淘汰早期 失效产品，尽早让产品进入失效率浴盆曲线的平直段，从而可达 到提高产品使用可靠性的目的。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统实验和验证方案设计
惯性测量组合中惯性仪表误差模型系数标定和误差补偿技术。 惯性仪表误差中的确定性部分可通过标定分离出来并在使用
时进行补偿。将惯性仪表的实际输出与已知输入时的理论输出进 行比较就可完成惯性测量装置的标定。如以地球转速（ie ）、转 台转速作为速率基准可标定陀螺的误差模型系数，以地球重力加 速度（g）为基准可标定加速度计的误差模型系数。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统机械结构方案设计
光纤/激光陀螺惯性系统机械结构承载着惯性仪表和各种电路，既 要保证一定的结构强度与刚度，以满足产品的力学、热学、电磁等环 境适应性要求，又要保证产品加工与装配的工艺性、维修性，并有利 于批量生产和使用维护。系统结构设计要提供惯性仪表在系统的安装 位置及方式，并保证所需的安装精度，要避免应力集中的结构，中高 精度产品还要考虑采用适当的电磁屏蔽措施。系统的外形结构与安装 方式在满足用户要求的前提下，还要考虑其误差系数标定和测试、工 作时方位对准等要求（如采用光学瞄准时，需设置光学棱镜等）。
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3.1 光学惯性测量装置概述
概述
3）冗余配置型光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合。惯性陀螺的结 构与性能特点有利于实现多表冗余配置，并获得精度和可靠性更 高的捷联惯性测量组合产品。这类产品中的光纤/激光陀螺和加速 度计数量分别都在3个以上。按光纤/激光陀螺冗余轴数目来划分， 常见的有四表和六表冗余配置方案，前者一般采用三轴正交一轴 斜置或对称斜置的配置方式，后者常采用六轴对称斜置的配置方 案。
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3.1 光学惯性测量装置概述
概述
2）非常规的光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合。这类惯性测量组 合也有多种类型，有的仅有1~3个光纤/激光陀螺而无加速度计， 有的则有1~3个光纤/激光陀螺和1~2个加速度计，一般自带二次电 源和信息处理器，可输出经过误差补偿后的角速度或角加速度信 息，有时称其为“光纤/激光陀螺组件”，常用于航天器角速度或 角加速度值的测量。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统电路及电气接口方案设计
系统电气体制及电磁兼容性设计也是光纤/激光陀螺惯性系统 电气设计中的一项重要内容。由于光纤/激光陀螺直接输出数字量， 配套的电气部件也都基本采用数字体制，电磁兼容性能较好。在 产品设计时，主要可参考数字电路电磁兼容性设计的相关规范和 标准。
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3.1 光学惯性测量装置概述
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3.1 光学惯性测量装置概述
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
3.1 光学惯性测量装置概述
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
3.1 光学惯性测量装置概述
概述
上述几类光纤/激光陀螺测量装置既可单独形成产品应用到实 际中（如用于卫星、飞船的姿态测量等），也可与其他设备或软 件组成功能更强的各类应用系统，主要包括基于光纤/激光陀螺的 惯性导航/制导系统、惯性组合导航系统、惯性航姿测量系统、寻 北系统、定位/定向系统等。因此，光纤/激光陀螺惯性测量装置 是各类光纤/激光陀螺应用系统的硬件基础，直接影响应用系统的 技术性能，通过对其结构与电气部件、误差建模与补偿软件、环 境适应性与可靠性等方面的优化设计，实现其整体性能的提升， 是提高各类光纤/激光陀螺应用系统整体性能水平的重要前提。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统总体方案确定及精度分配
惯性测量装置的电气部分常以信号处理器（如单片机、DSP 芯片等）和编程逻辑器件（CPLD，FPGA等）为核心，构成信号处 理和接口电路。光纤陀螺捷联惯性测量组合仅需几种直流电源 （如 5V，15）V ，常通过DC/DC变换器将外部直流电源（如27V） 变换得到。
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3.1 光学惯性测量装置概述
概述
4）由三轴一体光纤/激光陀螺构成的惯性测量装置。此类装置与 前面几类产品的区别在于它采用了三轴一体化设计的光纤/激光陀 螺，而不是单轴光纤/激光陀螺。三轴一体光纤/激光陀螺将3个单 轴光纤/激光陀螺的光路和电路进行集成一体化设计（如公共光源 等），使其结构更紧凑、更轻小、更低功耗，它与加速度计也可 构成不同类型的惯性测量装置。