二頻機(jī)抖激光陀螺慣性測(cè)量單元最優(yōu)安裝配置的評(píng)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于抖動(dòng)靈敏度的二頻機(jī)抖激光陀螺慣性測(cè)量單元最優(yōu)安裝配 置的評(píng)估方法，屬慣性導(dǎo)航、制導(dǎo)及控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光陀螺儀是以薩格納（Sagnac)效應(yīng)為基礎(chǔ)的由環(huán)形激光諧振腔構(gòu)成的測(cè)量角 速率及角度的裝置。在激光陀螺儀的誤差源中，鎖區(qū)效應(yīng)是限制激光陀螺實(shí)際應(yīng)用的主要 誤差源之一。鎖區(qū)效應(yīng)是指在低輸入角速率條件下，激光陀螺儀的輸出為零的現(xiàn)象?？朔i 區(qū)效應(yīng)的方法有多種，如速率偏頻、機(jī)械抖動(dòng)偏頻、塞曼偏頻、磁鏡偏頻和法拉第偏頻等，其 基本思想是使激光陀螺的工作狀態(tài)快速跨越鎖區(qū)或者根本不經(jīng)過(guò)鎖區(qū)，其中機(jī)械抖動(dòng)偏頻 法是最常用的一種偏頻方法。二頻機(jī)抖激光陀螺就是采用機(jī)械抖動(dòng)偏頻法克服鎖區(qū)效應(yīng)的 激光陀螺儀。
[0003] 機(jī)械抖動(dòng)偏頻法將原來(lái)集中在零點(diǎn)附近的鎖區(qū)分割成位于抖動(dòng)角頻率的整數(shù)倍 附近的一系列小鎖區(qū)，形成動(dòng)態(tài)鎖區(qū)，為了消除動(dòng)態(tài)過(guò)鎖區(qū)引起的動(dòng)態(tài)閉鎖誤差，較好的辦 法是向抖動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)中注入隨機(jī)噪聲，這樣可以通過(guò)時(shí)域平均的方法來(lái)減小進(jìn)出鎖區(qū)所帶 來(lái)的誤差。
[0004] 抖動(dòng)控制系統(tǒng)通常要完成諧振頻率跟蹤、抖動(dòng)幅度穩(wěn)定、隨機(jī)噪聲注入三塊功能， 如圖1所示。
[0005] 文獻(xiàn)1 ( "抖動(dòng)偏頻激光陀螺的抖動(dòng)控制器"，《應(yīng)用激光》，2000年，第20卷第1期，國(guó) 防科技大學(xué)應(yīng)用物理系，湯建勛等)在克服傳統(tǒng)抖動(dòng)控制器缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種利用 環(huán)路自激振蕩產(chǎn)生的正弦波作為機(jī)械抖動(dòng)偏頻機(jī)構(gòu)的抖動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將角速率傳感器和 幅度解調(diào)電路構(gòu)成反饋回路進(jìn)行自動(dòng)增益控制的抖動(dòng)控制器。該方法得到的機(jī)械抖動(dòng)偏頻 機(jī)構(gòu)的抖動(dòng)頻率建立在機(jī)械抖動(dòng)偏頻機(jī)構(gòu)的諧振頻率點(diǎn)上，是系統(tǒng)的自激振蕩頻率并嚴(yán)格 跟隨機(jī)械抖動(dòng)偏頻機(jī)構(gòu)諧振頻率的變化而變化。該電路方案目前非常成熟，但模擬電路分 立元件多、體積大，缺乏靈活性和擴(kuò)展性。另一種諧振頻率跟蹤方式是采用模擬或數(shù)字鎖相 環(huán)，但基于鎖相環(huán)的抖動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)仍然比較繁瑣。
[0006] 文獻(xiàn)2( "激光陀螺數(shù)字抖動(dòng)控制方法與特性"，《國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)》，2006年，第28 卷第5期，國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，潘獻(xiàn)飛等)設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的二頻 機(jī)抖激光陀螺數(shù)字抖動(dòng)控制方法，建立了二頻機(jī)抖激光陀螺機(jī)械抖動(dòng)偏頻機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模 型，比較研究了模擬正弦波驅(qū)動(dòng)和數(shù)字方波驅(qū)動(dòng)機(jī)械抖動(dòng)偏頻機(jī)構(gòu)的抖動(dòng)特性，指出了后 者不同于前者的抖動(dòng)幅度變化規(guī)律及非線性的隨機(jī)噪聲注入方式?；诠δ軓?qiáng)大的數(shù)字處 理器的數(shù)字控制電路，將二頻機(jī)抖激光陀螺的抖動(dòng)偏頻、腔長(zhǎng)控制和狀態(tài)檢測(cè)等功能集成 到一個(gè)中央處理器上，極大地縮小了電路體積、增強(qiáng)了電路功能、提高了電路的靈活性和擴(kuò) 展性。方波抖動(dòng)的數(shù)字抖動(dòng)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于方波抖動(dòng)具有豐富的高次諧波，很容易干 擾其它電路。
[0007] 但是，上述文獻(xiàn)均是從單一的二頻機(jī)抖激光陀螺的抖動(dòng)控制入手，針對(duì)的是如何 使二頻機(jī)抖激光陀螺的機(jī)械抖動(dòng)偏頻機(jī)構(gòu)工作在正常狀態(tài)下。而在實(shí)際構(gòu)建二頻機(jī)抖激光 陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)，二頻機(jī)抖激光陀螺總是要安裝在慣性測(cè)量單元中的同一個(gè)安裝 基座上，而且通常為三個(gè)正交安裝或三個(gè)以上的冗余安裝，這樣，各個(gè)二頻機(jī)抖激光陀螺的 機(jī)械抖動(dòng)偏頻機(jī)構(gòu)的高頻角振動(dòng)會(huì)互相激勵(lì)產(chǎn)生耦合振動(dòng)，同時(shí)，二頻機(jī)抖激光陀螺的機(jī) 械抖動(dòng)偏頻機(jī)構(gòu)的高頻角振動(dòng)也會(huì)激勵(lì)安裝基座產(chǎn)生親合振動(dòng)，當(dāng)這些親合振動(dòng)幅度較 大，也就是當(dāng)任何二頻機(jī)抖激光陀螺的抖動(dòng)頻率和安裝基座的固有頻率相近時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致 二頻機(jī)抖激光陀螺的抖動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)變大，在抖動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)達(dá)到設(shè)定的上限仍無(wú)法正常工作 時(shí)，甚至?xí)p壞二頻機(jī)抖激光陀螺的機(jī)械抖動(dòng)偏頻機(jī)構(gòu)，降低二頻機(jī)抖激光陀螺的使用壽 命。
[0008] 為了更好地將二頻機(jī)抖激光陀螺這一高精度、高性價(jià)比的產(chǎn)品應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng) 域，尤其是對(duì)體積、重量有特殊要求并且對(duì)振動(dòng)和噪聲相對(duì)敏感的領(lǐng)域，就需要有一個(gè)針對(duì) 由二頻機(jī)抖激光陀螺構(gòu)成的慣性測(cè)量單元最優(yōu)安裝配置方案的整體評(píng)估方法，從而解決目 前由于任意安裝或僅憑經(jīng)驗(yàn)安裝所造成的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作可靠性下降、精度降低 的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是針對(duì)由二頻機(jī)抖激光陀螺構(gòu)成的慣性測(cè)量單元，提供一種基于抖 動(dòng)靈敏度的最優(yōu)安裝配置方案的評(píng)估方法，提高由二頻機(jī)抖激光陀螺組成的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航 系統(tǒng)的導(dǎo)航精度和可靠性，降低二頻機(jī)抖激光陀螺的抖動(dòng)激勵(lì)對(duì)載體其他振動(dòng)敏感設(shè)備的 影響。
[0010] 本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0011] -種二頻機(jī)抖激光陀螺慣性測(cè)量單元最優(yōu)安裝配置的評(píng)估方法，該方法包括以下 步驟：
[0012] 步驟1.對(duì)二頻機(jī)抖激光陀螺慣性測(cè)量單元中各安裝方位與不同抖輪型號(hào)的二頻 機(jī)抖激光陀螺組成的安裝配置方案進(jìn)行排列組合：
[0013] 1.1)對(duì)于正交安裝的二頻機(jī)抖激光陀螺慣性測(cè)量單元，定義三個(gè)安裝方位為X，Y， Ζ方向；定義三種不同抖輪型號(hào)的二頻機(jī)抖激光陀螺按照抖動(dòng)固有頻率的高低依次為A，Β，C 型;根據(jù)排列方式if = 3! = 6可知共有6種不同的安裝配置方案；
[0014] 1.2)對(duì)于三個(gè)以上冗余安裝的二頻機(jī)抖激光陀螺慣性測(cè)量單元，定義安裝方位為 Χι,Χ2,......Χη方向；定義不同抖輪型號(hào)的二頻機(jī)抖激光陀螺按照抖動(dòng)固有頻率的高低依 次為Ai，A2,......An?。根據(jù)排列組合=々可知，共有η!種不同的安裝配置方案，記 為k，k> 6;
[0015] 步驟2.對(duì)二頻機(jī)抖激光陀螺的抖動(dòng)靈敏度進(jìn)行測(cè)試：
[0016] 2.1)將二頻機(jī)抖激光陀螺按照步驟1中的第i(i = l，2,......，k)個(gè)安裝配置方案 進(jìn)行組裝，對(duì)由二頻機(jī)抖激光陀螺組成的慣性測(cè)量單元進(jìn)行模擬的或數(shù)字的抖動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制 (具體方式參考文獻(xiàn)1或文獻(xiàn)2);
[0017] 2.2)設(shè)定第」（」=1，2,......，n)個(gè)二頻機(jī)抖激光陀螺的目標(biāo)抖動(dòng)幅度，并記為
[0018] Mij，（i = l，2,......,k, j = 1,2,......,η)；
[0019] 2.3)采集第」（」=1，2,......，n)個(gè)二頻機(jī)抖激光陀螺抖動(dòng)控制系統(tǒng)中的抖動(dòng)驅(qū) 動(dòng)信號(hào)，并記為
[0020] Dij，（i = l，2,......,k, j = l,2,......,η)；
[0021 ] 2.4)采集第j (j = 1，2，......，n)個(gè)二頻機(jī)抖激光陀螺抖動(dòng)控制系統(tǒng)中的實(shí)際抖 動(dòng)幅度，該實(shí)際抖動(dòng)幅度是從二頻機(jī)抖激光陀螺的抖動(dòng)控制系統(tǒng)中的抖動(dòng)反饋信號(hào)中得 到，并記為
[0022] M7 ij, (i = 1,2,......,k, j = 1,2,......,η)；
[0023] 2.5)計(jì)算在第1(1 = 1，2,......，k)個(gè)安裝配置方案中相應(yīng)二頻機(jī)抖激光陀螺的 抖動(dòng)靈敏度 I :· .
[0024] -7D xMiL ， f M心
[0025] 在正常工作條件下，抖動(dòng)控制回路是穩(wěn)定的，實(shí)際抖動(dòng)幅度與設(shè)定的目標(biāo)抖動(dòng)幅 度相同，抖動(dòng)靈敏度與抖動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度成反比，抖動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度越小，抖動(dòng)靈敏度 越高;在極限條件下，如高低溫、安裝基座的固有頻率與二頻機(jī)抖激光陀螺的抖動(dòng)頻率發(fā)生 耦合時(shí)，抖動(dòng)控制回路是半穩(wěn)定或不穩(wěn)定的，在設(shè)定抖動(dòng)驅(qū)動(dòng)上限的條件下，實(shí)際抖動(dòng)幅度 與設(shè)定的目標(biāo)抖動(dòng)幅度不同，抖動(dòng)靈敏度與目標(biāo)抖動(dòng)幅度與實(shí)際抖動(dòng)幅度的比值成反比。
[0026] 2.6)重復(fù)步驟2.1)至2.5)完成所有k個(gè)安裝配置方案中η個(gè)二頻機(jī)抖激光陀螺的 抖動(dòng)靈敏度的測(cè)量；
[0027] 步驟3.對(duì)二頻機(jī)抖激光陀螺慣性測(cè)量單元的k個(gè)不同安裝配置進(jìn)行評(píng)估，得到最 優(yōu)安裝配置方案：
[0028] 3.1)將步驟2中計(jì)算得到的第i個(gè)安裝配置方案中相應(yīng)二頻機(jī)抖激光陀螺的抖動(dòng) 靈敏度Sij相乘得到第i個(gè)安裝配置方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)： η
[0029] =f {S/ι, (? -1,2,...,..,I:, j -1,2"...,..,η), /=1
[0030] 3.2)比較安裝配置方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)Ei，Ei最大者對(duì)應(yīng)的安裝配置方案即為最優(yōu)安 裝配置方案：
[0031 ] Ebest=max(Ei), (i = 1,2,......,k)〇
[0032] 本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：
[0033] 1)本發(fā)明定義了用于評(píng)估由二頻機(jī)抖激光陀螺組成的慣性測(cè)量單元最優(yōu)安裝配 置的抖動(dòng)靈敏度的概念，利用抖動(dòng)控制系統(tǒng)中的抖動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)及目標(biāo)和實(shí)際抖動(dòng)幅度方便 地測(cè)量二頻機(jī)抖激光陀螺的抖動(dòng)靈敏度，原理簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)；
[0034] 2)本發(fā)明的測(cè)試過(guò)程只需更換慣性測(cè)量單元中二頻機(jī)抖激光陀螺的安裝配置，不 需要引入其他測(cè)試手段，就可以完成二頻機(jī)抖激光陀螺慣性測(cè)量單元最優(yōu)安裝配置的評(píng) 估，時(shí)間短，可信度高；
[0035] 3)經(jīng)本發(fā)明評(píng)估得到的二頻機(jī)抖激光陀螺慣性測(cè)量單元最優(yōu)安裝配置可以