光纖陀螺角速率延遲特性分析與測試

李星善，馬 珣，袁慧錚，王 勇，陸俊清，葛仲浩

(1.湖北航天技術研究院總體設計所，武漢430040；2.湖北三江航天萬峰科技發(fā)展有限公司，湖北 孝感432000)

光纖陀螺角速率延遲特性分析與測試

李星善1，馬 珣2，袁慧錚1，王 勇1，陸俊清1，葛仲浩1

(1.湖北航天技術研究院總體設計所，武漢430040；2.湖北三江航天萬峰科技發(fā)展有限公司，湖北 孝感432000)

在姿態(tài)控制系統(tǒng)中，作為傳感器的陀螺所起的作用至關重要，尤其是在系統(tǒng)動態(tài)環(huán)境比較惡劣的情況下，需要陀螺測量的載體旋轉速度準確且滿足實時性要求，否則會造成大的誤差，嚴重時會造成姿態(tài)失控。針對某型慣測組合中的光纖陀螺，分析了測量延時產(chǎn)生的因素，提出了一種在轉臺上低采樣頻率情況下精確測量延時量的方法。通過實際試驗，得到的結果與理論分析一致，驗證了該方法的正確性和測量精度。

姿態(tài)控制；慣測組合；光纖陀螺；延遲特性

0 引言

慣性測量組合是慣性導航系統(tǒng)的核心部件，作為角速度和加速度傳感器，其測量的精確性對系統(tǒng)的導航結果具有直接的影響。在導彈武器系統(tǒng)中，機動要求越來越多，復雜的彈道給姿態(tài)穩(wěn)定控制提出了更高的要求。為滿足一定的控制裕度，要求傳感器的輸出延時足夠小，減少系統(tǒng)失穩(wěn)的可能性。因此在慣測組合的設計過程中，需要考慮對輸出延時的控制，減少數(shù)據(jù)轉換的次數(shù)及數(shù)據(jù)處理所占用的時間，以提高系統(tǒng)的實時性。除了設計的保證，在平時的標定測試或一般功能測試中，由于沒有參考基準，很難精確得出延時的具體數(shù)值。因此需要設計一種測量方法，對慣測組合的輸出延時進行精確測量，并依據(jù)測量結果對軟硬件設計進行驗證并改進，逐步達到系統(tǒng)對延時的要求。

1 慣測組合的測量延遲分析

慣性測量組合一般由陀螺、加速度計及相應的處理電路組成，以某型光纖慣性測量組合為例，輸出延時包括：光纖陀螺、石英撓性加速度計表頭本身的測量延遲，處理電路造成的延遲，通信延遲等。慣測組合原理如圖1所示。由于對石英加速度計通道的延遲已有成熟的研究結果，本文主要研究光纖陀螺通道的輸出延遲。

圖1 光纖慣測組合原理框圖Fig.1 Functional block diagram of IMU based on fiber gyroscope

在光纖慣測組合中，光纖陀螺測量轉速基于sagnac效應原理，如圖2所示。敏感的相位誤差ΔΦR=2πLD·Ω/λc，其中λ表示真空中的波長，c為真空中的光速，D表示線圈直徑，L表示光纖線圈長度。可以看出根據(jù)sagnac效應，轉速與相位差成正比關系，且是瞬時產(chǎn)生，可以認為原理上無延遲產(chǎn)生。

圖2 真空情況下的Sagnac效應Fig.2 Sagnac effect in vacuum

在數(shù)據(jù)處理過程中，需要進行閉環(huán)處理，周期為光纖環(huán)的渡越時間，即光沿光纖線圈傳播的時間，以1 000m光纖環(huán)為例，本征周期約為3.4μs，考慮到閉環(huán)處理中方波調(diào)制，AD采樣存在延遲，大約為1個處理周期，再加上積分計算，在達到輸出模塊時延時不會超過2個本征周期。在光纖陀螺中，數(shù)據(jù)輸出采用脈沖方式，更新周期為0.5ms，因此會引入不超過1個周期的延遲。由于輸出周期遠大于陀螺閉環(huán)的本征周期，閉環(huán)延遲可以忽略，所以陀螺理論輸出延遲在0～0.5ms之間。

除了陀螺本身的延遲，數(shù)據(jù)處理板的計算以及通信也會造成最終的測量延遲。以某型光纖慣測組合為例，數(shù)據(jù)處理板完成陀螺脈沖的采樣、實時溫度補償、打包發(fā)送等功能，系統(tǒng)工作頻率10MHz。其中脈沖采樣可以在1個處理周期內(nèi)完成，溫補在10個周期左右完成，延時不超過0.1ms。慣組輸出串行通信速率為1MHz，31個字節(jié)，約2 000個周期可以完成不超過0.2ms，因此理論上慣組信號處理板的延遲在0.3ms左右。

綜上所述，光纖慣測組合陀螺通道的測量延遲包括陀螺表頭延遲和數(shù)據(jù)處理板延遲，大約在0.8ms以內(nèi)。

2 測量方案

為準確測量光纖陀螺的延時特性，需要使用精密轉臺作為基準，并對測角精度和實時性有較高的要求。其中測角精度應不小于陀螺的分辨率，陀螺穩(wěn)定精度為0.5(°)/h，本單位某型三軸轉臺0.36″的測角精度可以滿足10(°)/s搖擺時測量要求。

圖3 慣測組合延時特性標定連接圖Fig.3 Design chart for delay characteristics measurement

按圖3所示，將慣測組合固聯(lián)安裝在三軸轉臺內(nèi)框上，使用一塊采樣板對慣組數(shù)據(jù)和轉臺并口測角數(shù)據(jù)同時進行采集。這里采樣板程序中使用了公共時間計數(shù)器，使得接收到的慣組數(shù)據(jù)和轉臺測角數(shù)據(jù)共用一個時間信息，實現(xiàn)了時間的同步。采樣板接收到慣組數(shù)據(jù)和轉臺測角數(shù)據(jù)后，讀取時間計數(shù)器，并打包發(fā)送到上位機處理。

該方案中慣組采樣周期為2ms，轉臺采樣周期為1ms。使用頻率1Hz，幅值3°和頻率0.1Hz，幅值10°的搖擺參數(shù)分別對各個輸入軸進行測試，在上位機上得到了有效的試驗數(shù)據(jù)，通過處理得到準確的陀螺通道延時量。

采用1Hz，3°和0.1Hz，10°時，角度曲線分別為A=3·sin(2π(t-t0))和A=10·sin(2π·0.1(t-t0))。選用的光纖陀螺精度為0.5(°)/h，當采用1Hz，3°試驗條件時，每周期的測角精度約為1.4E-4(°)，代入角度曲線，可辨識的最小時間差為7.4μs。同理采用0.1Hz，10°試驗條件時，可辨識的最小時間差為0.2ms，對測試數(shù)據(jù)進行多周期擬合，測試精度可達到0.1ms以內(nèi)。

3 測試數(shù)據(jù)分析

在X軸頻率0.1Hz，幅值10°的搖擺試驗中，對測得的轉臺角度進行歸一化處理，并使用最小二乘法對正弦角度進行擬合，結果如圖4所示。擬合曲線與測試曲線重合，在該時間軸上，周期為10000.0837ms，相位為-1865.3085ms。

圖4 轉臺角度歸一化擬合曲線Fig.4 Fitting curve of the angle of turn table in normalization method

對X陀螺輸出數(shù)據(jù)進行歸一化處理，由于陀螺輸出的是脈沖角增量，為了與轉臺角度進行對應，對角增量進行積分處理，得到如圖5所示細線條曲線。由于沒有扣除陀螺零偏和試驗時的地速分量，造成曲線向正方向發(fā)生偏移，而不是標準的正弦曲線；扣除零偏和地速分量，重新處理后為圖5所示粗線條曲線，為標準正弦曲線。

圖5 陀螺輸出數(shù)據(jù)歸一化處理Fig.5 The output of fiber gyroscope in normalization method

采用最小二乘法對處理后的陀螺數(shù)據(jù)進行擬合，得到圖6所示曲線。擬合曲線與測試曲線完全重合，在該時間軸上，周期為10000.0859ms，相位為-1864.8427ms。

圖6 陀螺數(shù)據(jù)擬合曲線Fig.6 Fitting curve of the output of fiber gyroscope

轉臺測角數(shù)據(jù)和陀螺積分角度采用同一個時間計數(shù)器，所以擬合正弦曲線相位具有可比性，零點差值為角度延遲量。假設角度歸一化曲線為A=sin(t-t0)，求導為角速率曲線W=cos(t-t0)，可見角度與角速率的零點位置相同，角度的零點差值即為角速率延遲量。

從數(shù)據(jù)可以看出，轉臺角度和陀螺積分角度的擬合周期只相差0.0022ms，在4.9min的測試數(shù)據(jù)中可以忽略。轉臺角度超前慣組輸出0.4658ms。考慮轉臺測角延遲0.05ms，慣組實際延時量為0.5158ms。慣測組合數(shù)據(jù)處理板造成的延遲可以在電路板上直接測量獲得，實測為0.28ms。因此陀螺本身的延遲為0.2358ms。

同理對X軸頻率1Hz，幅值3°的搖擺試驗數(shù)據(jù)進行處理，如圖7、圖8所示。

圖7 轉臺角度歸一化擬合曲線Fig.7 Fitting curve of the angle of turn table in normalization method

圖8 陀螺數(shù)據(jù)擬合曲線Fig.8 Fitting curve of the output of fiber gyroscope

可見數(shù)據(jù)擬合良好，增加測角延遲0.05ms，扣除數(shù)據(jù)處理及通信延遲0.28ms，陀螺本身延遲為0.2967ms。與0.1Hz，幅值10°測試結果基本相同。

對另外兩個輸入軸進行測試，陀螺延遲均在0.2～0.4ms之間，與分析結果一致。

4 結論

在光纖陀螺的延時特性測試中，采樣板使用同一時間計數(shù)器同步慣組數(shù)據(jù)和轉臺角度，省去了硬件同步設計，方案實現(xiàn)簡單。由于采用相同的時間，數(shù)據(jù)處理時得到的相位可直接相減，且進行了慣組數(shù)據(jù)積分、歸一化正弦擬合等處理，有效利用了全部采樣數(shù)據(jù)，得到了精確的相位信息，實現(xiàn)了低采樣速率下對慣測組合延時量的精確測量。

以光纖慣測組合為例進行了延時的理論分析和實際測試，使用該方法測試結果重復性好，與理論分析結果吻合，驗證了測試方法的正確性和測量精度。

[1] Wang Yan.Research on control characteristics of digital closed-loop FOG[D].Beijing：School of Astronautics，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2004.

[2] Gaiffe T.From R&D brassboards to navigation grade FOG-based INS the experience of photonetics ixsea[J].IEEE0-7803-7289-1/02，2002：1-4.

[3] Herve C.Lefevre.張桂才，王巍，譯.光纖陀螺儀[M].國防工業(yè)出版社，2002.

[4] 王巍.干涉型光纖陀螺儀技術[M].中國宇航出版社，2010.

[5] 張桂才.光纖陀螺原理與技術[M].國防工業(yè)出版社，2008.

Analysis and Test for Angular Rate Delay Characteristics of Fiber Optic Gyroscopes

LI Xing-shan1，MA Xun2，YUAN Hui-zheng1，WANG Yong1，LU Jun-qing1，GE Zhong-hao1

(1.The 9th Designing of China Aerospace Science Industry Crop，Wuhan 430040，China；2.Hubei Sanjiang Space Wanfeng Technology Development Co.，Ltd.，Xiaogan 432000，China)

The function of gyroscope is very important in attitude control system.High accurate and real-time output of rotational velocity of vector are crucial for a steady-state system in harsh dynamic environment，otherwise，the systematic error would appear，or even lead to loss of control.In this paper the cause of delay characteristic for FOG was studied，and the accurate measurement method in the case of low-frequency sample on test tables for delay differential was proposed.Finally，the precision and accuracy in the measuring method were verified by experiment，and the results were consistent with theoretical analysis.

Attitude control；Inertial measuring units；Fiber optic gyroscope；Delay characteristic

2015-03-18；

2015-09-02。

李星善(1982-)，男，高級工程師，主要從事光纖陀螺及其慣性系統(tǒng)的研究。E-mail：lxs4233@163.com

U666.1

A

2095-8110(2016)01-0069-04