光纤陀螺旋转捷联惯导系统的发展与应用_孙伟

应用
测量范围（ （ ° ） / s） 漂移率（ （ ° ） / h）
战术导弹、运载火箭、汽艇
按需要
＞ 10
中近程导弹、通用飞机、卫星
＞ 100
1～ 10
中程导弹、通用飞机、卫星
＞ 100
0． 1～ 1
远程导弹、军用飞机、大型舰艇、卫星
＞ 100
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
0． 01～ 0． 1
战略导弹、航天飞机、潜艇、卫星
＜ 10
利用自动补偿技术减少惯性器件慢变误差对系统精度 的影响，是研制高精度惯导系统需要 攻 克 的 关 键 技 术 之 一［5，6］。旋转调制技术通过引入确定性机械旋转对惯性器 件误差进行调制，是一种从系统角度消除器件误差的技术 手段［7～ 9］。同常规惯导系统相比，采用旋转调制技术的惯 导系统有望在相同的器件水平下实现系统精度的大幅度提 高，从而满足舰船对惯导系统长航时、高精度的导航要求， 因此，惯 导 系 统 有 重 要 的 研 究 价 值 和 广 阔 的 应 用 前
Abstract： Aiming at requirement of warship for long time and high precision navigation，research on technology based on FOG strapdown inertial navigation system （ SINS） rotary modulation is carried out． The background of FOG and the application of rotary modulation technology are proposed． The development state of FOG and rotary modulation technology are analyzed contrastively． The development direction of rotary modulation technology and the technical scheme of rotary fiber SINS are elaborated． Key words： strapdown inertial navigation system（ SINS） ； fiber-optic gyro（ FOG） ； rotary modulation； development
光纤陀螺自 20 世纪 70 年代以来，便以其优异的性能 引起人们的广泛重视。国外目前研制光纤陀螺的公司有 40 多家，包括 Honeywell，Litton，Smith，Northrop，IXSEA 等世 界著名惯导公司，产品精度范围覆盖了从战术级、惯性级到 战略级的各种精度。美国是最早研制与应用光纤陀螺的国 家，其中低精度的光纤陀螺已成熟并有系列化产品，包括单 轴、双轴、三轴结构［13～ 17］，如美国 Honeywell 公司的第二代 干涉型光纤陀螺，美国采用了集成光学多功能芯片技术与
景［10～ 12］。 1 光纤陀螺技术的发展与应用
光纤陀螺是具有重要军用和民用价值的角速度传感 器，各国都投入了大量的人力、物力进行研发。美国、欧洲 的光纤陀螺研发处于世界领先地位，大部分关键技术已得 到解决，产品性能（ 灵敏度、稳定性、环境适应性等） 大大提 高。特别是，得益于光纤通信技术发展，光纤陀螺的工作波 长逐渐从 850 nm 移向 1 550 nm。目前，高精度、宽动态范 围、高稳定性及数字输出的光纤陀螺已成为研究热点。
在光纤捷联惯导系统方面，时代电子公司、北航、北理工 大学、33 所、哈尔滨工程大学等单位都做出了大量工作。时 代电子公司光纤捷联航姿基准产品已经在战术导弹、鱼雷和 卫星多个型号上应用。33 所和哈尔滨工程大学相关产品也 已在多个型号中应用。 2 旋转调制技术的发展与应用
国外光学陀螺单轴平台旋转调制技术发展起步较早，现 已有成熟产品，并已应用于美国海军、北约舰队等多国武装 力量，以前主要是激光陀螺产品，后来逐步发展了光纤陀螺 产品［18～ 20］。1968 年，国外有学者提出： 通过旋转惯性测量单 元（ IMU） 的形式，可以补偿惯性元件的漂移误差。20 世纪 70 年代，美国将壳体翻滚自动补偿技术应用于静电陀螺监 控器中，延长了系统的重调周期，使与其配备的舰船惯性导 航系统获得了极高的长时间工作精度。1980 年，斯佩里公 司在提出用光学陀螺研制长时间使用高精度导航系统的设 想后，利用该公司改进的激光陀螺研制了单轴旋转式系统，
表 2 光纤陀螺应用领域和精度等级
总的来看，高精度光纤陀螺与其惯性系统目前在国外
Tab 2 Applications field and precision level of FOG
已 形 成 了 一 个 新 的 研 究 热 点，受 到 了 各 公 司 的 高 度 重 视。 目前，国外高精度光纤陀螺技术与产品也日趋成熟，在舰船 导航、空间技术、军事应用等领域具有明确的应用背景和较 强的竞争力。表 2 列出了光纤陀螺在各类系统中的性能与 用途。表 3 列出了 2005 年前光纤陀螺在国外的用途和所
中图分类号： U 666． 1
文献标识码： A
文章编号： 1000—9787（ 2012） 11—0001—04
Development and application of FOG rotary SINS*
SUN Wei1，2 ，SUN Feng2 ，LIU Fan-ming2
（ 1． School of Geomatics，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China； 2． School of Automation，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）
摘 要： 针对舰船对长航时、高精度导航的需求，开展基于旋转调制的光纤陀螺惯导系统技术研究，从光
纤陀螺仪（ FOG） 的研制背景和旋转调制技术的应用出发，对比分析了国内外光纤陀螺和旋转调制技术的
发展现状。阐述了旋转调制技术的发展方向并研制高精度旋转光纤捷联惯导系统的技术途径。
关键词： 捷联惯导系统； 光纤陀螺； 旋转调制； 发展
按需要
＞ 10
＞ 100
1～ 10
＞ 100
0． 1～ 1． 0
≤10
＜ 0． 1
精度等级 低精度
中低精度 中高精度
高精度
1990 ～ 1994 84～ 64 % 13～ 20% 3～ 11% 0～ 5%
1995 ～ 1999 60～ 41 % 25～ 46% 15～ 40% 10～ 30%
2000 ～ 2004 38～ 20 % 50～ 68% 45～ 75% 40～ 85%
＜ 0． 01
精度等级 低精度 中精度 中精度 中精度 高精度
表 3 光纤陀螺在国外武器中的用途和所占比例
Tab 3 Purpose and ratio of FOG in foreign weapons
应用 战术导弹 中近程导弹、飞机、卫星 中程导弹、通用飞机、卫星 远程导弹、舰艇、卫星等
测量范围（ （ ° ） / s） 漂移率（ （ ° ） / h）
公司名称 实验室精度（ 1σ）
德国
LITEF
＜ 0． 001° / h
法国
IXSEA
0． 001° / h
美国 AlliedSignal 公司 ≤0． 0005° / h
美国 Northrop 公司 ≤0． 0003° / h
美国 Honeywell 公司 0． 00006° /槡h
应用精度（ 1σ） ＜ 0． 01° / h 0． 003° / h
2012 年 第 31 卷 第 11 期
传感器与微系统（ Transducer and Microsystem Technologies）
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檸檸檸檸檸殠 综述与评论
檸殠
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光纤陀螺旋转捷联惯导系统的发展与应用*
孙 伟1，2 ，孙 枫2 ，刘繁明2
（ 1． 辽宁工程技术大学 测绘与地理科学学院，辽宁 阜新 123000； 2． 哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001）
0引言 随着高精度光纤陀螺［1］（ fiber-optic gyro，FOG） 为代表
的惯性器件迅猛发展，研究高精度、可维护性好和可靠性高 的 长 航 时 光 纤 陀 螺 惯 导 系 统 （ inertial navigation system， INS） 是目前导航领域内的一个研究热点。光纤陀螺对我 国相对薄弱的材料工业、精密加工工业等基础工业能力的 依赖较少，主要依靠光学和电子器件，目前，我国在这些领 域的不断发展进步，为发展高精度光纤陀螺提供了雄厚的 技术储备和相当规模的工业基础［4］。
并进行了海上试验。其单轴系统采用的是单轴 4 位置转停 方案来补偿光学陀螺的漂移，这也成了以后世界上所有成熟 的单轴旋转式惯导系统的主要调制方案。20 世纪 90 年代 先后发展了 MK39Med3C 和 WSN—7B 单轴旋转系统（ 图 1） 并 在军用舰船领域得到了较广泛的应用［21］。
图 1 AN / WSN—7B 单轴旋转惯导系统结构 Fig 1 Structure of AN / WSN—7B single-axis rotary INS 20 世纪 90 年代，Sperry 在 MK49 的基础上发展了 WSN— 7A 双轴激光陀螺旋转系统［22］。但据报道，WSN—7A 的重调 周期可达 14 d。在应用方面，MK49 目前仍在进行标准化用 于北约舰船和潜艇，而 WSN—7A 只装备于美国海军，成为其 水面战舰和攻击型核潜艇的新一代惯导系统。
第 11 期
孙 伟，等： 光纤陀螺旋转捷联惯导系统的发展与应用
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1994 年，美国后来又启动了战略核潜艇用高精度光纤 陀螺惯性导航计划，由 Pennsylvania 州立大学应用研究实验 室、海军研究实验室、Boeing 公司、AlliedSignal 公司和 Honeywell 公司合作执行，当时预计 2010 年可制成第一套试验系 统（ 如图 2） ，采用了三轴连续旋转方案（ 初期为四轴旋转方 案） ，理论上可使光纤陀螺的比例因子、安装轴的不稳定性 以及静态漂移在长时间使用中得到很大程度的抵消。据报 道，该光纤陀螺三轴旋转系统已于 2005 年初步研制出来，其
≤0． 001° / h ≤0． 005° / h 0． 00023° / h
纤陀螺技术研究的单位，另外，船舶 707 所、北京理工大学、 航空 618 所、哈尔滨工程大学以及其它军工甚至民营企业等 也都在跟踪研究光纤陀螺技术，但总体发展相对迟缓。近年 来，随着型号应用的拓展和牵引，使国内光纤陀螺技术取得 了快速发展。目前，中低精度光纤陀螺已经实现工程化，中 高精度光纤陀螺工程化的速度大大加快。目前，航天时代电 子公司、北京航空航天大学、哈尔滨工程大学等单位在高精 度光纤陀螺研制中成绩突出，光纤陀螺技术的进步为研制高 精度光纤捷联惯导系统提供了技术保障。
收稿日期： 2012—03—27 * 基金项目： 辽宁省教育厅一般项目（ L2011047） ； 国家自然科学基金资助项目（ 60834005，60775001）
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传感器与微系统
第 31 卷
全数字闭环电路、2～ 4 km 的保偏光纤线圈、高功率的光纤
占比例。
激光器，偏 置 精 度 达 到 0． 000 23° / h，标 度 因 数 为 0． 3 × 10 － 6 ，产品现已得到应用。
径为 220 mm，零漂达到 0． 001° / h，ARW 达到0． 000 15° /槡h 。 当前，国际 上 主 要 研 制 光 纤 陀 螺 公 司 的 产 品 技 术 指 标 如 表 1。
表 1 国际主要公司的光纤陀螺典型指标 Tab 1 FOG typical indicators of main international company
国内光纤陀螺研究起步于 20 世纪 80 年代，从“七五”开 始预先研究，“八五”纳入计划性研究和开发，目前的研究单
欧洲的光纤陀螺研发工作主要集中在法国、俄罗斯和 德国。法国研制的 THP，HP，MP 三个系列 FOG，其光纤直
位已有几十家，其中，中国航天时代电子公司（ 原航天13 所、 803 所） 、北京航天航空大学、航天 33 所等是国内较早进行光