专利名称：光纤陀螺组合体惯性测量装置及其标定方法
技术领域：
本发明涉及光纤陀螺组合体惯性测量装置及其标定方法，特别涉及一种用于航天器导航、制导与控制的小型化、高可靠、多表冗余光纤陀螺组合体惯性测量装置，属于惯性测量技术领域。
背景技术：
航天器作为高新科技发展的标志，在我国的国防建设中扮演着极为重要的角色。未来高技术条件下的局部战争对信息的获取能力提出了很高的要求，航天的姿态稳定度是有效地执行瞄准、对接等各项任务的前提和保障，其中惯性仪表又是姿态控制系统的关键敏感器，它直接影响姿态控制系统的精度和性能。航天器通常采用陀螺仪组成的惯性测量装置与光学敏感器(如红外地平仪、太阳敏感器和星敏感器等)共同组成卫星的姿态测量系统。利用陀螺短时间测量精度高和光学敏感器没有累积误差的特性，二者相辅相成，共同得到持续的高精度姿态和姿态角速率测量信息。光纤陀螺是一种全固态惯性仪表，它具有传统机电仪表所不具备的优点。它是仅由光学器件和电子器件组成的闭环系统，通过检测两束光的相位差来确定自身角速度，因此在结构上它是完全固态化的陀螺，没有任何运动部件。光纤陀螺正是以其原理和结构上的优点，使其在许多应用领域具有明显的优势，尤其是在对产品可靠性和寿命要求很高的航天器上，其主要特点表现在以下几个方面(1)高精度国外高精度光纤陀螺精度已达0. 00038° /h ； (2)全固态光纤陀螺的部件都是固态的，具有抗真空、抗振动和冲击的特性；(3)长寿命光纤陀螺所用的关键光学器件都可满足空间应用15年的长寿命要求；(4)高可靠性光纤陀螺结构设计灵活，生产工艺相对简单，可方便地对其进行电路的冗余设计，或者采用冗余光纤陀螺构成惯性测量系统，这样可以提高系统的可靠性。现有技术中光纤陀螺组合体惯性测量装置多采用三轴设计方案，这样就可以测量航天器三轴相对于惯性空间的姿态，但此设计方案不采用冗余设计，其中任一个轴发生故障时均不能提供三轴相对于惯性空间的姿态，可靠性较差，无法实现故障隔离。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供光纤陀螺组合体惯性测量装置及其标定方法，该装置为一种多轴冗余构型、力学环境适应能力强、标定精度高。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。本发明的光纤陀螺组合体惯性测量装置，包括一个六棱锥和一个底座；在六棱锥的六个侧面上均匀分布6个光纤陀螺仪，在底座内安装有6个信号处理与接口电路和6路二次电源；光纤陀螺仪用于测量航天器本体相对于惯性空间的姿态角速度；6个信号处理与接口电路分别接收6个光纤陀螺仪的输出信息，同时分别将处理完成的数据发送至控制分系统；
6路二次电源将6路一次母线电压变换至光纤陀螺组合体内部能够使用的电压，分别为6个光纤陀螺仪和6个信号处理与接口电路供电。有益效 果本发明的6个光纤陀螺仪安装在六棱锥的六个侧面上，使光纤陀螺组合体惯性测量装置的重心尽量位于几何中心处，提高了光纤陀螺组合体惯性测量装置的抗力学性能；本发明的6个光纤陀螺仪在系统构成上各自独立,每个光纤陀螺仪配有独立的二次电源和信号处理与接口电路，形成6路独立的惯性测量单元，互为冗余备份；有效提高了系统的可靠性；在轨使用时，任意不多于三个轴发生故障依然能够提供三轴姿态角速度，从而实现故障检测和隔离；本发明的标定方法能够更加精确地标定出光纤陀螺组合体惯性测量装置的零位、标度因数和安装误差，能够有效地提高在轨使用精度。
图I为本发明的结构示意图；图2为信号处理与接口电路的组成示意图；图3为二次电源的组成示意图；图4为标定示意图；其中，I-六棱锥，2-底座，3-光纤陀螺仪，4-接插件，5-基准镜，6-散热槽，13-安装孔。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。实施例光纤陀螺组合体惯性测量装置，如图I所示，包括一个六棱锥I和一个底座2 ;在六棱锥I的六个侧面上均匀分布6个光纤陀螺仪3，在底座2内安装有6个信号处理与接口电路和6路二次电源；在底座2的四个角上还安装有6个接插件4，其中，两个角上分别安装2个接插件4，另外两个角上分别安装I个接插件4 ;在底座2的一个角上安装有一个基准镜5 ;在底座2上还开有4个散热槽6，用于散热；在底座2的四个角上分别有一个安装孔13，用于固定在航天器结构体上；6个信号处理与接口电路分别接收6个光纤陀螺仪的输出信息，同时分别将处理完成的数据发送至控制分系统；6路二次电源将6路一次母线电压变换至光纤陀螺组合体内部能够使用的电压，分别为6个光纤陀螺仪和6个信号处理与接口电路供电；上述六棱锥I的半锥角为54° 44' 08"；上述6个光纤陀螺仪的外形均为一直径为108mm,高为54mm的圆柱体,在圆柱体内部有光路部分和电路部分，其中光路部分包括光源、耦合器、Y波导、光纤环和探测器；光源为SLD光源，耦合器为单模光纤耦合器，光纤环采用四级对称绕制方法；电路部分采用差动信号检测方式实现光电信号的检测及滤波，输出与角速度成正比的脉冲信号，同时实现闭环控制；上述6个信号处理与接口电路均采用以DSP (32bit)为核心的中央信息处理单元，接收光纤陀螺仪输出的脉冲信号和光纤陀螺仪的温度信号，进行数据处理，并将处理后的数据发送至控制分系统；如图2所示，该电路包括程序存储器(PROM)、DSP处理器、看门狗、RC复位电路和FPGA ；FPGA接收光纤陀螺仪输出的脉冲信号和光纤陀螺仪的温度信号，同时接收DSP处理器的指令将接收到的脉冲信号和温度信号传递给DSP处理器，DSP处理器完成接收信号的处理和转换，同时定时复位看门狗电路；DSP处理器读取PROM中的程序指令并按照设定功能来执行，RC复位电路用于信号处理与接口电路上电时对DSP处理器和FPGA进行复位；二次电源包括电阻Rl、R2、R3、R4、R5、电容Cl、C2、熔断器FI、F2，二极管VI、V2、
场效应管V3、滤波器和电源模块；二次电源将+27VDC转化为+5V、-5V的输出电压，如图3所示；一次电源输入电压为+27VDC，进线端串接两个并联的熔断器Fl和F2对一次电源进行保护，其中F2熔断器串联Rl和R2组成的并联电阻以提高可靠性；R3、R4、R5、V1、V2、V3、Cl和C2构成浪涌抑制电路，R3和R4并联后与V3串联，Cl和C2串联后与R5并联、V1、V2串联后与R5并联、R5与V3并联；浪涌抑制电路的输出的电压信号经过滤波器后输入给电源�？椋坏缭茨？榻缪棺晃�+5V、-5V的输出电压；光纤陀螺组合体惯性测量装置的标定方法为I)将光纤陀螺组合体惯性测量装置安装在十二面体工装上，如图4所示，设6个光纤陀螺仪分别为G1、G2、G3、G4、G5、G6，在底座2上安装有两个接插件4的两个角之间的六棱锥I侧面安装Gl，并定义与Gl敏感轴垂直的面为基准面7 ;G1、G2、G3、G4、G5、G6按照俯视逆时针方向均匀分布在六棱锥I的表面上；基准面7、8、9、10、11、12分别与G1、G2、G3、G4、G5、G6的敏感轴垂直；X、Y、Z构成基准镜5的三个坐标轴；X、Y构成的平面与底座2的平面平行<1垂直于底座2的平面；并设东、西、南、北、天、地六个方向的地速分别为《E、- E、-coN、《N、G1、G3、G5三只光纤陀螺仪的敏感轴构成正交坐标系1，G2、G4、G6三只光纤陀螺仪的敏感轴构成正交坐标系2 ；2)坐标系I按照“东地北”、“西北地”、“南东天”、“北天东”、“天西南”和“地南西”6位置放置在大理石平板上，建立6位置的输出方程为
Nn =K>E-K1yCOu+Kico^K10
N12=-K1xOe+K^n-K1zmu+K10
N13-K1xCon+K1yCO^K1zCOu+K10.,⑴
N14 =K1x(I)n+K^cou+K>E+K10
N15=K1xCou-K^e-K1zCon+K10
N16-K1xCOu-K^wn-K1zCoe+K10上述地速单位。/s，Nn、N12、N13、N14、N15、N16分别为Gl的角速度输出，单位为脉冲个数，K1x、K1y, K1z、Kj1为标定系数，单位为脉冲个数/(° /s)。
,N +N +N +N +N +N则Gl陀螺的零位为~^~-~-，同理得到其他五只陀螺的零
6
位，分别记为K。2、K;、K。4、K〗、K06O3)光纤陀螺组合体惯性测量装置安装在十二面体工装上，使Gl的敏感轴朝天，设定转台的角速率 O1 《n(n = 32)分别为±0. 001° /s、±0.002° /s、±0.003° /s、±0.006° /s、±0. 01° /s、±0. 02° /s、±0. 03° /s、±0. 06° /s、±0. 1° /s、±0. 18° /s、±0.3° /s、±0.55° /s、±l° /s、±1.8° /s、±2° /s、±3° /s,从低速开始，正负交替按照250ms采样，每个速率点采样Gl输出数据Imin ；4)每个速率点下求取Gl输出的均值，记为^，标定静止状态时角速率输出平均值
�，则实际转速输出为Fi =瓦-瓦，令
权利要求
1.光纤陀螺组合体惯性测量装置，其特征在于包括一个六棱锥和ー个底座；在六棱锥的六个侧面上均匀分布6个光纤陀螺仪，在底座内安装有6个信号处理与接ロ电路和6路二次电源； 6个信号处理与接ロ电路分别接收6个光纤陀螺仪的输出信息，同时分别将处理完成的数据发送至控制分系统； 6路二次电源将6路一次母线电压变换至光纤陀螺组合体内部能够使用的电压，分别为6个光纤陀螺仪和6个信号处理与接ロ电路供电。
2.根据权利要求I所述的光纤陀螺组合体惯性测量装置，其特征在于在底座的四个角上还安装有6个接插件，其中，两个角上分別安装2个接插件，另外两个角上分別安装I个接插件；在底座的一个角上安装有ー个基准镜；在底座上还开有4个散热槽；在底座的四个角上分別有ー个安装孔。
3.—种权利要求2所述的光纤陀螺组合体惯性测量装置的标定方法，其特征在于 1)将光纤陀螺组合体惯性测量装置安装在十二面体エ装上，设6个光纤陀螺仪分别为Gl、G2、G3、G4、G5、G6，在底座上安装有两个接插件的两个角之间的六棱锥侧面上安装Gl，并定义与Gl敏感轴垂直的面为基准面7 ;G1、G2、G3、G4、G5、G6按照俯视逆时针方向均匀分布在六棱锥的表面上；基准面7、8、9、10、11、12分别与61、62、63、64、65、66的敏感轴垂直；X、Y、Z构成基准镜的三个坐标轴；X、Y构成的平面与底座的平面平行；Z垂直于底座的平面； 设东、西、南、北、天、地六个方向的地速分别为ωΕ、-ωΕ、-ωΝ、ωΝ、ωい-ωヮGl、G3、G5三只光纤陀螺仪的敏感轴构成正交坐标系1，G2、G4、G6三只光纤陀螺仪的敏感轴构成正交坐标系2 ； 2)坐标系I按照“东地北”、“西北地”、“南东天”、“北天东”、“天西南”和“地南西”6位置放置在大理石平板上，建立6位置的输出方程为
4.一种权利要求3所述的光纤陀螺组合体惯性测量装置的标定方法，其特征在于还包括基准镜的标定方法，方法如下1)调整基准镜的安装面使Y轴与I面的夹角Y控制在10"以内，并且测出出Y角；2)测出X轴与I面夹角α，Y轴与3面的夹角β，得到基准镜坐标系与坐标系I之间的转换矩阵为
全文摘要
本发明涉及光纤陀螺组合体惯性测量装置及其标定方法，特别涉及一种用于航天器导航、制导与控制的小型化、高可靠、多表冗余光纤陀螺组合体惯性测量装置，属于惯性测量技术领域。包括一个六棱锥和一个底座；在六棱锥的六个侧面上均匀分布6个光纤陀螺仪，在底座内安装有6个信号处理与接口电路和6路二次电源。本发明的重心尽量位于几何中心处，抗力学性能好；本发明的6个光纤陀螺仪，互为冗余备份；可靠性高；在轨使用时，任意不多于三个轴发生故障依然能够提供三轴姿态角速度，实现故障检测和隔离；本发明的标定方法能够更加精确地标定出零位、标度因数和安装误差，能够有效地提高在轨使用精度。
文档编号G01C25/00GK102735232SQ20121021086
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月26日 优先权日2012年6月26日
发明者向政, 孟祥涛, 廉明, 张东旭, 张峰, 杨清生, 王巍 申请人:北京航天时代光电科技有限公司
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