（控制科学与工程专业论文）激光陀螺捷联惯导系统数据采集电路分析与设计.pdf

国防科技大学研究生院学位论文 摘要 激光陀螺捷联惯导系统是当今惯导系统发展的主要方向之一，已经广泛地应用于现役 武器装备改造和新型武器系统研制过程。随着激光陀螺和加速度计性能的不断提高，以及 高速数字处理器的不断涌现，捷联惯导系统实现的技术关键已经实现。如何采用现有的惯 性仪表，得到更高的导航解算精度，成为我们需要面对的问题。 本文针对激光陀螺捷联惯导系统的数据采集电路，从信号带宽缩减和时间延迟两个方 面分析惯性测量数据对导航解算精度的影响情况。首先在一维运动条件下进行理论分析和 仿真验证，然后对于三维运动进行仿真分析，总结出时间延迟对导航计算的显著影响，以 及信号带宽对导航精度的改善作用。 对惯导系统数据采集电路的滤波器组成和时间延迟情况展开研究，并根据惯导系统的 静态实验数据和跑车实验数据对惯性测量数据的频带性质加以分析和验证。最后，在本文 分析的基础上，重新对捷联惯导系统的数据采集电路进行设计。 关键字：捷联惯导系统激光陀螺加速度计时间延迟信号带宽 第1 v 页 国防科技大学研究生院学位论文 a b s t r a c t b e i n gm em a i na s p e c to fi n e n i a ln a v i g a t i o ns y s t e m ，s t r a p d o w ni n e n i a ln a v i g a t i o ns y s t e m ( s i n s ) b a s e do nr i n gi a s e rg y r o s c o p e ( r l g ) h a sb e e na p p l i e di nt h er e f i t m e n to fs e r v i c e w e a p o n sa n dm ed e v e l o p m e n to fn e ww e a p o n s a l o n gw i t h 血ei m p r o v e m e n to fr l ga n d a c c e l e r o m e t e ra n dt h ec o m i n gf b n ho fh i g hs p e e dd i g i t a lp r o c e s s o r ，t h ek e yt e c h n i q u eo fs i n si s c a h i e do u t ，t h e nt h ec o m i n gp m b l e mi sh o wt og a i nh i 曲e rn a v i g a t i o na c c u r a c yb yu s i n g c u r r e n ti n e r t i a lj n s t m m e n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ed a t ac o i l e c t i o nc i r c u i t r yo fs r n si ss t u d i e d t h ei n n u e n c eo fd a t a 矗o mt l l ei n e n i a lm e a s u r eu n i t ( i m u ) t ot l l ep r e c i s i o no fn a v i g a t i o nc o m p u t i n gi sa n a l y z e d t h e a j l a 【y s i si st a k e nf r o mt 、v oa s p e c t s ，s j g n a ib a n d 、v i d t hc u n a i l m e n ta t l dt 油ed e l a y f i r s t ，t h e o r y a n a j y s i sa n ds i m u la t i o ni sc a r r i e dt h f o u 曲f o rr e s e a r c h i n go n e - d i m e n s i o n a lm o t i o n t h e n ， t h r e e d i m e n s i o n a lm o t i o ni ss i m u l a t e dt o g e tt h ei 砌1 u e n c eo f t i m ed e l a y t on a v i g a t i o n c o m p u t i n g ，s od o e st 1 1 ei m p r o v e r n e n to fs i g n a lb a i l d w i d t ht on a v 追a t i o na c c m c y t h ef i l t e rc o m p o s i n ga n dt i m ed e l a y i n go ft h ed a t ac o l l e c t i o nc i r c u i 仃yo fm ei n e n i a i n a v i g a t i o ns y s f e mi sr e s e a r c h e d n l ef r e q u e n c yc h a r a c 【e ro fi n e r t i a jm e a s u r ed a t ai sa 1 1 a l y z e d a c c o r d i n gt ot h es t a t i ca n dd y n a m i ce x p e r i m e n t a ld a t ao f 也ei n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m f i n a l l y ， t h ed a t ac o i i e c t i o nc i r c u i t r yo f t h es i n si sr e d e s i g n e d ，b a s i n go nt h ea n a i y s ei nt l l i st h e s i s k e yw o r d s ：s t r a p d o w ni e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m ( s i n s ) r i n gl a s e rg y r o s c o p e ( r l g ) a c c e i e r o m e t e rt i m ed e l a y s i g n a lb a n d w i d t h 第v 页 国防科技大学研究生院学位论文 图表索引 图2 1 整周期计数流程示意图，8 图2 ，2 数字滤波流程示意图，8 图2 3 石英挠性加速度计工作原理图，1 0 图2 4i f 转换原理图， 图2 5a d 采样流程图，+ 1 2 图2 6 一a d c 原理框图1 3 图3 1 维运动仿真框图，1 9 图3 2 仿真分析中的加速度输入信号1 9 图3 3 计算结果与实际运动的偏差( 滤波器截止频率1 0 h z ，未做时间同步) 2 0 图3 4 计算结果与实际运动的偏差( 滤波器截止频率l o h z ，时间同步) 2 0 图3 5 计算结果与实际运动的偏差( 滤波器截止频率1 0 0 h z ，时间同步) ，2 0 图3 6 连续时间惯导系统仿真框图，2 l 图3 7 传感器测量误差模型2 2 图3 8 仿真生成的理想运动轨迹，2 3 图3 9 理想测量数据的导航解算结果2 3 图3 1 0 加速度信号经过截止频率为5 0 h z 的低通滤波器，2 4 图3 1 l 加速度信号经过截止频率为5 0 h z 的低通滤波器，角速度信号延迟o 1 s 2 4 图3 1 2 加速度信号经过截止频率为5 0 h z 的低通滤波器，角速度信号延迟o 1 l s 2 5 图3 1 3 加速度信号和角速度信号都经过截止频率为5 0 h z 的低通滤波器2 5 图3 1 4 加速度信号经过截止频率为5 0 h z 的低通滤波器，角速度信号经过截止频率为 3 0 0 l z 的低通滤波器，2 6 图3 1 5 加速度信号经过截止频率为5 0 h z 的低通滤波器，角速度信号经过截止频率为 3 0 0 h z 的低通滤波器并对延迟进行匹配2 6 图3 1 6 加速度信号和角速度信号都经过截止频率为1 0 h z 的低通滤波器2 7 图3 1 7 加速度信号和角速度信号都经过截止频率为1 0 0 h z 的低通滤波器2 7 图3 1 8 加速度信号和角速度信号都经过截止频率为2 0 0 h z 的低通滤波器2 8 图4 1 整周期计数逻辑框图，3 0 图4 ，2 机抖陀螺高速采样滤波逻辑框图，3 2 图4 3 静态实验的陀螺计数值和功率谱密度( 整周期采样) ，3 3 图4 4 静态实验的陀螺计数值和功率谱密度( 数字滤波) 3 4 图4 5 跑车实验转弯过程的陀螺计数值和功率谱密度( 整周期采样) 3 6 图4 6 跑车实验转弯过程的陀螺计数值和功率谱密度( 数字滤波) ，3 7 圈4 7 加速度计a d 采样电路组成，3 8 图4 8a d 7 7 0 3 滤波器频率响应曲线和阶跃响应曲线3 8 图4 9a d 采样数据在f p g a 中后处理的逻辑框图3 9 图4 1 0 静态实验的加表计数值和功率谱密度( a d 采样) 4 0 图4 1 i 静态实验的加表计数值和功率谱密度( i f 转换) ，4 l 图4 1 2 跑车实验转弯过程的加表计数值和功率谱密度( a d 采样) 4 2 图4 1 ： 跑车实验转弯过程的加表计数值和功率谱密度( i f 转换) 4 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标往和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目： 邀世睦蠼捷鞋懂昱歪统邀量墨篡垫整金堑生遮盐 学位论文作者签名：裂岩 日期：2 口口f 年f 月彳日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：邀迸匿蠼捷璧避昱丞煎熬堡苤篡塑整佥堑当遮盐 学位论文作者签名： 孑妖瘩 作者指导教师签名：二主l 嶂 日期：? 。疗年f f 月叮日 日期：c 卑，f 月，7 日 ， 国防科技大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 捷联惯性导航系统概述 1 1 1 捷联惯性导航系统及其发展 惯性导航是以牛顿力学定律为基础，利用惯性仪表( 陀螺仪和加速度计) 测量载体的 线运动和角运动参数，在给定初始条件下，由计算机推算得到载体的导航参数。它是一种 自主式的导航方法，完全依靠机载设备自主地完成导航任务，和外界不发生任何光、电联 系，具有隐蔽性好，工作不受气象条件限制的优点，因此在航空、航天和航海领域得到广 泛的使用。 从结构上分，惯导系统有两大类：平台式惯导系统和捷联式惯导系统。 捷联式惯导系统是指把惯性仪表固联在载体上，用计算机来完成导航平台功能的惯性 系统。它与平台式惯导系统相比，具有以下特点： 1 ) 系统体积、重量和成本大大降低； 2 ) 惯性仪表便于安装维护，也便于更换； 3 ) 惯性仪表可以给出载体轴向的线加速度和角速度，与平台式系统相比，可以提供 更多的导航和制导信息： 4 ) 惯性仪表便于采用余度配置，提高系统的性能和可靠性。 惯性仪表直接固联在载体上，也带来了一些新的问题： 1 ) 惯性仪表直接承受载体的振动和冲击，工作环境恶劣； 2 ) 惯性仪表直接测量载体的运动，需具有大的动态测量范围； 3 ) 惯性仪表装机标定相对比较困难需具有较高的参数稳定性。 捷联式惯导系统的主要特征是用计算机来完成导航平台的功能，就是用捷联陀螺测量 的载体角速度计算姿态矩阵，从姿态阵的元素中提取载体的姿态和航向信息，并用姿态阵 把加速度计的输出从载体坐标系变换到导航坐标系，然后进行导航计算。 研制高性能的惯性仪表和姿态方位实时计算是捷联式惯导系统的两个主要技术关键。 高新技术的不断发展，尤其是光电惯性技术和数字计算机技术的飞速发展，陀螺仪和 加速度计的性能不断得到提高，捷联惯性导航系统也得到了广泛地应用与研究。 其中，由于激光陀螺具有的众多优良特性，激光陀螺捷联惯导系统具有适合于高动态 环境、成本低、可靠性好、性能价格比高的特点，在军用、民用方面被广泛应用，是惯导 第1 而 国防科技大学研究生院学位论文 系统发展的主流方向。 1 1 2 激光陀螺捷联惯导系统组成 捷联惯导系统一般可分为惯性仪表组件，仪表电子线路和姿态导航解算计算机三个组 成部分”1 。 其中，惯性仪表组件指测量角运动的陀螺仪和测量线运动的加速度计，这些元件通常 正交地安装在一个刚性构件上，这个刚性构件能够直接或通过减振基座安装在载体上，使 得仪表可以直接测量角速率和比力在三个相互正交轴上的分量，为完成捷联计算任务提供 所必需的信息。 仪表电子线路指惯性敏感器工作所需的专用电路，通常包括仪表电源，温度测量电路， 数据采集电路以及相关的数据总线。 姿态导航解算计算机，主要是根据载体角速率的测量信息，计算得到载体姿态角，再 将比力测量值分解到导航坐标系中，由导航方程计算得到载体的速度和位置。 在已经投入应用的激光陀螺捷联惯导系统中，使用最为广泛的惯性仪表是二频机抖激 光陀螺和石英挠性加速度计。 数据采集电路，是激光陀螺捷联惯导系统中非常重要的组成部分，它主要用于采集激 光陀螺和加速度计的输出、系统硬件工作状态、系统内各点温度等系统底层数据，对其进 行必要的处理，然后根据系统的要求，以特定的频率送出，供导航计算所用。 1 1 3 数据采集电路的研究现状 随着惯性器件精度的不断提高，用于惯导系统的二频机抖激光陀螺和石英挠性加速度 计本身己经可以提供较高的测量精度，但要提供给导航计算机高精度的惯性测量信息，还 有赖于数据采集电路的高精度实现。 目前，数据采集电路的研究主要集中在应用新型的数字信号处理芯片和仪表信号的误 差补偿技术两个领域。 过去，惯导系统数据采集电路的各个功能电路需要使用分立元件进行实现，电路的体 积通常都比较大，电路的器件和步线也比较多，不利于保证数据采集电路的可靠性。另外， 个别功能电路设计的更改，需要整个电路的重新设计和制作，既增加了电路的研究成本， 又浪费了研究人员宝贵的设计时间。随着微电子技术的发展，微处理器体积越来越小、速 度越来越快、功能越来越强大，价格越来越便宜，集成电路芯片集成化程度也越来越高， 采用微处理器和可编程逻辑器件实现数据采集电路的设计成为一种很好的替代手段。可编 程逻辑器件可以完成大部分的功能电路，同时利用微处理器实现一些必要的控制逻辑，再 第2 页 国防科技大学研究生院学位论文 加上外围的相关电路，就实现了数据采集电路的设计。由于微处理器和可编程逻辑器件的 使用，这样的设计便于调试和更改，可以大大节约硬件的体积和成本，也为设计人员节省 了许多宝贵的设计时间。国内的一些科研单位对单片机、d s p 、f p g a 、c p l d 等器件在惯性 测量中的应用做了许多研究，取得了许多较好的成果。 另一方面，惯性仪表测量信号的误差补偿技术的研究也是惯性导航系统研究的一个热 点问题，温度、振动等因素对惯性器件测量结果的影响被广为研究，并相应的发展出各种 误差补偿技术应用于仪表信号的建模和误差补偿领域。 相比于其他数据采集电路，惯导系统数据采集电路的特别之处在于加速度信息和角速 度信息需要同时测量，并用于导航计算，这就要求对数据采集电路两个测量通道的时间同 步问题进行研究。这方面的研究，目前开展的还不是很深入。 另外，惯性仪表的误差补偿研究，一般也主要是集中于对仪表本身一些性质的建模与 误差补偿。由于数据采集过程对测量信号进行了采样、滤波等处理，这就必然会影响到测 量信号的频带组成，进而影响到惯性测量数据的精度。必须对这个方面进行研究，以确定 如何设计数据采集电路，才能满足导航计算对惯性测量数据的要求。 1 2 课题研究的意义 如何提高捷联惯导系统的精度，是当前惯导系统研究的一个重要课题。而惯导系统的 精度，最主要是依赖于惯性器件的精度和性能。由于惯性器件的测量信息必须转换为数字 计算机能够接受的形式，才能为导航系统所用，因此，对惯性测量信息进行采集、处理并 最终提供给导航计算机进行导航解算的数据采集电路是惯导系统硬件组成中非常重要的 一个环节。对于惯导系统来说，惯性器件的精度，不仅包括惯性测量元件本身的精度，还 包括数据采集电路的精度。 在现有系统硬件和导航软件设计的基础上，如何分析、设计和改进数据采集电路，使 其输出能够充分体现惯性器件的精度，并能够更好的为导航算法使用，是惯导系统研究必 须解决的一个重要问题。 本课题以如何为导航解算提供高质量的惯性测量数据为目的，考虑到数据采集电路中 存在着多处信号的采样与低通滤波，其对惯性测量信息的影响主要体现在信号带宽缩减和 时间延迟增加两个方面，对这两个因素在导航计算中的影响进行分析，然后对已有激光陀 螺捷联惯导系统的数据采集电路进行研究，分析其输出数据的性质，进而针对存在的问题 进行设汁改进。 第3 页 国防科技大学研究生院学位论文 1 3 论文的主要工作与结构安排 课题研究主要做了以下两个方面的工作： 1 ) 分析惯性测量数据采集过程带宽缩减和时间延迟对导航计算精度的影响情况。采 用公式推导与仿真分析结合的方法研究这两个参数对导航计算的影响，并对应如 何根据系统精度要求对数据采集电路提出要求和进行指标分配进行了初步的探 讨。 2 ) 确定数据采集电路各采集通道引入的时间延迟，并通过对测量数据功率谱的分析， 对测量数据的频带组成进行了研究。由于激光陀螺和加速度计输出信号的采集过 程，一般都经过了比较复杂的电路和数字处理算法，如何确定各个采集通道对信 号的影响，需要从多个角度深入理解和综合分析。 论文结构安排如下： 第一章为绪论，简单介绍了当今捷联惯导系及其数据采集电路的研究发展现状，并介 绍了本文所做工作和文章的结构安排。 第二章介绍了激光陀螺捷联惯导系统数据采集电路的基本原理，对系统中主要器件的 工作原理进行了简单介绍，并根据各器件输出信号的性质论述了数据采集电路的基本原理 和方法。 第三章分析了惯性测量数据的带宽和时问延迟对导航计算的影响，此部分为本文的第 一个重点，通过对数据采集过程进行必要的假设，分析得到惯性测量数据的信号带宽缩减 和时间延迟对最终导航计算结果的影响。 第四章分析了数据采集电路的实现对惯性测量数据的影响，此部分为本文的另一个重 点，主要分析了激光陀螺和加速度计信号采集电路的主要实现方式及其对测量数据的影 响，并在此分析的基础上重新对数据采集电路进行设计。 某1 页 国防科技大学研究生院学位论文 第二章激光陀螺捷联惯导系统数据采集的基本方法 本文主要研究以二频机抖激光陀螺和石英挠性加速度计为主要部件的惯导系统，本章 对二频机抖激光陀螺和石英挠性加速度计的基本原理进行简单的介绍。 2 1 二频机抖激光陀螺信号采集 2 1 _ 1 激光陀螺原理的简要介绍 激光j 屹螺是基于s a g n a c 效应，以双向行波激光器为核心的量子光学仪表，依靠环形 波激光振荡器对惯性角速度进行感测。 所谓s a g n a c 效应，是指在任意几何形状的闭合光路中，从某一观察点出发的一对光波 沿相反方向运行一周后又回到该观察点时，这对光波的相位( 或它们经历的光程) 将由于 该闭合环形光路相对于惯性空间的旋转而不同。其相位差( 或光程差) 的大小与闭合光路 的转动速率成正比”1 。 环形行波振荡器正、反向行波问的频率差为 u = q 。一= 差q ( 2 ) 其中，a 为光腔内的光波长，芸为比例因子。 将上式对时间t 求积分，可求得时间t 内正反向行波频差所积累的周期数为 肚i 础= 差口 ( 2 2 ) 0 其中，口= i q 斫是t 时间内环形腔相对于惯性空间的总转角。以上就是激光陀螺作为 角速度和角位l 妊感器的原理公式m 。 在应用中，利用光学拍频方法检测出频差u 和脉冲数n ，进而求出每一瞬时的转速q 和转动角度口，即为激光陀螺的输出公式： q ：丝d 4 彳 ( 2 3 ) p ：丝 其中，竺一般称之为激光陀螺的标度因数。 4 爿 第5 页 国防科技大学研究生院学位论文 在环形激光器中，由于激光介质的色散、模式牵引和反射镜等光学元件对光束的后向 散射等原因，有源环形腔内正、反向行波的频率接近到一定程度时，将突然变成完全一样， 即存在一个可能达到的晟小频差u ，。旦频差小于阱，就将变为零。因此当输入转速q 小到一定程度时，有源环形腔内正、反向行波模对的频率将趋于全同，频差u 与q 的比 例关系4 i 再适用。当i u oi o 。与u r 对应的输入转速q l 有： 1r q ，：型：一u ， ( 2 4 ) “ 4 彳( 1 + f ) q ，是环形激光器不采取任何偏频措施时可能敏感的最小转速。当输入转速 q 峰q ， 时，则不能被敏感。u ，是环形激光器相向行波可能出现的最小频差，称为环形激光器的 闭锁频率，q ，是激光陀螺所能感测到的最小角速度，就是通常所说的锁区阈值( 简称锁 区) 。 为克服环形激光器固有锁区这一限制测量灵敏度的关键问题。必须对激光陀螺采取偏 频措施，即在环形激光器内的两束相向行波之间引入一个特定的偏频量，以确保激光陀螺 的工作区远离锁区。 机械抖动偏频是最早实际应用的，也是应用最为广泛的偏频技术。 机械抖动偏频激光陀螺一般采用加入一交变的周期性机械抖动的方法，使陀螺大部分 时间工作在锁区之外，从丽减小闭锁误差，机械抖动偏频信号可以是正弦形式，也可以是 近于方波的梯形波和其它波形“1 。 在抖动偏频中，陀螺将周期性地进入锁区，而且在每个周期内进出锁区各两次。每当 陀螺进入锁区即会丢失信号，带来测量误差，这是抖动偏频无法避免的。为了尽量减少陀 螺在锁区内停留的时问，可以采用快速过锁区的偏置方式，如采用矩形抖动波形，而不是 正弦抖动。无论采用哪种方式，只要能够有规律地在相向行波之间施加足够大的频差，并 能在信号处理中消去此频差，就可以满足偏频要求。 快速过锁区的周期抖动虽然可以一定程度上克服闭锁误差，但是，每次陀螺进出锁区 带来的测量误差总是无法避免。因此，单纯的周期抖动并不能使闭锁效应带来的误差减小 到可以接受的程度。陀螺频繁进出锁区，每次都产生一较小的误差。这些误差虽小，但是 他们会随着时间增长而累积，最终表现为较大的误差，称为动态闭锁误差“1 。 为了消除动态闭锁误差，较好的方法是向等幅抖动中注入一随机噪声，对抖动的相位、 频率或幅度进行调制。这样，进出锁区所带来的误差将被随机化，在多个抖动周期内误差 的平均值将趋向于零，从而可以通过时域平均来消除动态闭锁误差。 第6 页 国防科技大学研究生院学位论文 2 1 2 二频机抖激光陀螺输出信号简要介绍 激光陀螺对惯性转动的敏感信息，包含于环形激光器内沿相反方向运行的行波模对的 频率差值之中。通过光学的方法，可以获得两列频率差为u ，相位差约为丌2 的正弦( 或 余弦) 电信号。这两列电信号包含了输入到激光陀螺中的全部转动信息。其中，频差u 包 含了待测转速q ，和偏频转速q 。引起的频差q 和，毗及零位漂移；相位差则包 含了陀螺所感测到的总转动速度的方向。 激光陀螺输出的两列电信号通过低噪声放大器放大，并进行过零比较，整形成为两路 方波信号，送至数据采集电路进行处理。 2 1 3 激光陀螺信号的数据采集方法 激光陀螺信号的数据采集，就是采用恰当的方法，对两路方波信号进行判向与计数， 从而解调出待测转速q 及其转动方向。 零位漂移是激光陀螺自身固有的一种误差，只能在应用中按系统误差模型加以处 理。偏频转速q 。引起的频差则是可以通过采取特定方法进行消除。 对于二频机抖激光陀螺，由于机械抖动的存在，必须对激光陀螺输出的原始数据中抖 动引起的高频振动进行补偿，通常采用的技术是整周期计数或数字滤波等。 1 ) 整周期计数 整周期计数的方法是通过对机抖陀螺中机械抖动引起的陀螺输出进行研究，从原理上 对其进行消除。 对于机抖陀螺，其输入输出关系满足： = 2 丌丘【q 。+ q ds i n ( 吐b ，) 一q s i n 矿】 ( 2 5 ) 陀螺输出中包含3 部分：外界输入的输出j = 2 丌k q 。，机械抖动的输出 加= 2 万k q 。s i n ( f ) ，以及闭锁误差项占= 一2 丌k q 。s i n ，其中加相对其他两项大许多， 抖动解调的目的就是消除加，得到所需要的角速度信息q 。或角度信息( q 。的积分) 。 对上式以抖动周期靠的整数倍时间积分： i o 十月n，o + 月靠r o + 月nf 0 + 月 多= l $ d l = s d f + l2 7 r k q d 矗n t e l 、d t + l 6 d t 加f 0加帕 ( 2 6 ) ”+ 咖”+ 呖 = l j 西+ l 占出 ，；，： 式2 6 成立的前提是正负抖动幅度相等，以抖动整周期采样时，抖动对积分的影响为 国防科技大学研究生院学位论文 o ，输出中只含有所需角速度信息与闭锁误差项。在实际应用中，陀螺输出经整形后形成 方波信号，积分运算是通过对方波脉冲计数实现的，故只需对鉴相电路生成的两路脉冲进 行整周期计数即可消除抖动n ，。 整周期计数的流程如图2 1 ，图中s i n 、c o s 为激光陀螺整形后的两路方波信号，抖动 参考信号来自角位移传感摧或抖动轮上的压电陶瓷输出，用于提供抖动参考。对陀螺输出 脉冲倍频和鉴相，并进行可逆计数，在抖动的整周期锁存计数结果，作为测量输出。 图2 1 整周期计数流程示意图 2 ) 数字滤波 由于机抖激光陀螺的输出信号在抖动频率附近存在有较大的随机噪声，而测量数据的 有用信息主要集中在较低的频带内。采用数字信号处理的方法，在满足采样定理的前提下， 对陀螺输出的可逆计数结果进行高速采样，再对采样结果进行低通数字滤波，可以消除抖 动频率附近的随机噪声对数据的影响。 激光陀螺输出的数字滤波方法建立在数字信号处理的基础上，其流程如图2 2 所示， 与整周期计数相类似，也是先对陀螺输出脉冲倍频和鉴相，并进行可逆计数。然后对计数 结果进行高速的采样和数字滤波，得到测量结果。 s i n4 倍频 数 倍频 r 可逆高速 数字 据 总 c o s 鉴相 方向 计数采样滤波 线 图2 2 数字滤波流程示意图 数字滤波器的实现，是方法实现的关键所在。数字滤波器通常使用线性时间不变量 ( l t i ) 滤波器，而l t i 数字滤波器又可分为有限脉冲响应( f i r ) 和无限脉冲响应( i i r ) 两大类。f i r 滤波器由于具有结构简单的抽取器和插八器、容易得到高速流水线式的没计、 以及具有线性相位和固定群延迟等特点用于对陀螺输出信号的滤波比较合适。 第8 页 国防科技大学研究生院学位论文 l 阶的f i r 输出对应于输入时间序列x 【川的关系由一种有限卷积数量形式给出，具体形 式有1 ： 一l y ”】x m + ，m = x t 1 ，【n 一明 = 0 其中，从，f o 】o 一直到，f 三一1 】o 均是f i r 滤波器的l 阶的系数， 脉渖响应。对于l t i 系统，可以将式2 7 表示成z 域内的形式： y ( ；) = f ( = ) x ( z ) 其中，( z ) 是f i r 的传递函数，其z 域内的定义形式如下： l l ，( z ) = 厂嘲= 。 ( 2 7 ) 也对应于f i r 的 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 对f i r 滤波器的系数进行设计，即可得到期望的滤波器传递函数。 3 ) 其他补偿高频振动的方法 采集高频抖动，得到并去除陀螺壳体角也是一种补偿高频振动的方法，它建立在添加 较高硬件成本的基础上，本文不做深入研究。 2 1 4 整周期计数与数字滤波的优缺点 整周期计数方法的优点是原理清晰，实现电路相对比较简单。但在实际应用中，整周 期计数存在着以下一些缺点： 1 )不能有效消除机抖陀螺中因随机抖动幅度以及其它因素引起的噪声； 2 )采样周期很难做到与激光陀螺的实际偏频换向周期严格一致； 3 )捷联惯导系统需要定时采样和导航计算，定时采样与抖动不可能完全同步。 数字滤波方法的优点是完全采用数字信号处理方法实现，定时采样的实现非常方便， 对陀螺输出的滤波设计，也可以有效消除机抖陀螺随机抖动及其他因素引起的高频测量噪 声。其缺点是数字计算工作量比较大，对系统硬件需要提出比较高韵要求。 此外，数字低通滤波器的实现使信号的频域和时域性质都发生改变，需要对其进行研 究。 2 2 石英挠性加速度计信号采集 2 2 1 石英挠性加速度计的基本原理 挠性加速度计是一种摆式加速度计，由于采用了挠性支承技术，从根本上消除了轴承 支承所固有的库仑摩擦力，并且结构比较简单。挠性元件的弹性系数受温度影响会造成偏 第9 页 国防科技大学研究生院学位论文 值误差、弹性材料的迟滞会引起滞环误差，采用石英材料的优点是温度系数和弹性模量都 比较小，重复性、稳定性以及线性都比较好“1 。 号 图2 3 石英挠性加速度计工作原理图 如图2 3 所示，当沿输入轴方向上相对于惯性空间有运动加速度时，加速度计的敏感 质量将产生惯性力矩： 肘。= 砒q ( 2 1 0 ) 其中，m 。为敏感质量摆的惯性力矩。优为敏感质量摆的质量，上为摆质量中心至挠 性枢轴的距离，西则为加速度计输入轴方向的输入加速度。 惯性力矩使敏感质量摆绕挠性枢轴产生角位移，进而使差动电容传感器产生电容差 值，经伺服放大器变换为电流信号，通过力矩器产生电磁反馈力矩： m = k ， ( 2 1 1 ) 其中，m 为力矩器的反馈力矩，k 为力矩器的力矩系数，为通过力矩器线圈的电 流。 当m 。= m 时，则有，= ( m k ) 口， 其中，m 三为电流标度因数，即输入加速度为lg 时所需的反馈电流。 当力矩器反馈力矩与敏感质量摆的惯性力矩平衡时，力矩器动圈上所需的电流与输入 加速度成正比。因此，测量，即可得到沿输入轴上的加速度。 典型惯导级石英挠性加速度计的主要性能指标如下： 量程( g ) ：出o 阈值( g ) ：5 x 1 0 4 9 偏值，鼻( ，”g ) ：蔓7 标度因数女( ，删g ) ：1 4 】6 偏值月稳定性( 1 矿) ( g ) ：s5 0 旃l o 页 国防科技大学研究生院学位论文 标度因数月稳定性( 1 口) ( p p m ) ：3 0 石英挠性加速度计的测量精度，是完全可以满足惯导系统测量要求的。但由于精度的 提高，其输出信号相对比较微弱，对加速度计信号采集电路的精度要求也因此越来越高。 2 2 2 加速度计信号的数据采集方法 用于导航系统的石英挠性加速度计自身虽然能提供较高的测量精度，但必须转换为数 字信号才能为导航系统所用。因此，要提供给导航计算机高精度的比力数据，还有赖于其 数字读出电路的高精度实现。 加速度计信号采集电路通常有两种实现方式：i f 转换和a d 采样。 1 ) i f 转换 i f 转换方法将加速度计输出的电流信号转换为脉冲一频率信号，然后对脉冲信号进行 高精度的频率计数，得到对应的加速度测量信号。 图2 4l f 转换原理图 i f 转换的理论依据是电荷平衡，通过电流积分器来实现。其工作原理如图2 4 所示， 当变换电流，传到积分器的输入端时，积分电容充电，当积分器的输出电压以达到一个 门限装置的门限电压时，这个门限装置就产生一个输出信号b ( 高电平) 送到与其相连的 同步器输入端，由于标准脉冲序列f 上升沿的作用，同步器就产生一个信号u ，( 低电平) ， 它就是转换电路的输出信号。同时，信号u ，又被送入换向开关的控制信号输入端，通过换 向开关，标准电流，( ，的流向总是与变换电流厶：的方向相反。因此，当满足条件0 厶，时， 积分电容上的电压开始下降，当u ，低于门限电压值时，门限装置恢复原状态( 低电平) ， 当标准脉冲序列下降沿到来时。信号v ，跳到高电平，换向开关回到原来状态，然后重 复上述周期。在积分电容不断地充电放电的同时，输入的模拟电流信号， ，就被变换为脉冲 第l 】页 国防科技大学研究生院学位论文 一频率信号u ，实现了模拟量到数字量的转换。因此，i f 转换的基本原理就是由标准电流 ，。形成的反积分电荷量，来修正连续的输入电流k 的积分电荷量；标准时间脉冲的确定 宽度，保证了输出信号脉冲当量的严格不变”。 根据电荷量的定义，假设输入电路k 恒定不变，那么在一个变换周期内输入电流提供 的积分电荷量为“： g = k 7 ( 2 1 2 ) 由恒流源提供的反积分电荷量为： q 2 = i 瓦 ( 2 1 3 ) 由电路的变换原理有鸟= q ，即有k r = t 兀 所以，得到输出信号频率的计算公式： 厂：三：生( 2 1 4 ) 。 r 毛 式中：厂输出信号的频率 气输入电流 r 输入电流的积分时间 f 标准电流 7 ：1 标准电流的反积分时间 由式2 1 4 可知，输出信号频率，的准确度，主要取决于l 和瓦的准确度。因此，需 要对电压基准的精度及稳定性、石英晶振的精度等提出较高的要求。 2 ) a d 采样 a d 采样方法是用高分辨率的模数转换器读出加速度计的敏感输出信号，并对读出数 据进行高速实时数据处理，得到高精度的加速度测量数据。 其基本流程如图2 5 所示，通过高精度采样电阻将加速度计输出的电流信号先转换为 电压信号，然后对电压信号进行高精度的a d 采样，得到较高分辨率和数据输出率的测量 数据，然后采用数字信号处理技术，滤除掉混杂在信号中的噪声和采用a d 采样方法引入 的高频噪声，并将采样数据转化为导航需要的速率输出，最终得到具有较高精度的加速度 测量结果。 加速度计 信号f 高精度11 采样数据1。加速度 输出信号_ 调理电路广1a d 采样广1 后处理r 测量结果 图2 5a d 采样流程图 高精度的a d 采样是加速度计数据采集电路中最为核心的一个环节，a d c 以其分 辨率高、线性度好、成本低的特点，成为应用最为广泛的高精度a d c 。如图2 6 所示， 国防科技大学研究生院学位论文 a d c 以很低的采样分辨率和很高的采样速率将模拟信号数字化，通过过采样降低量化噪声 功率密度，同时利用一调制器进行噪声整形，即在调制器中，量化噪声到输出的 传递函数在我们关心的频带内将噪声极大的衰减，而输入信号的传递函数近似为l 。将调 制器的输出进行降采样同时数字滤波，就得到了最终的数字输出。 模拟输入信号数字输出信号 k 3s 图2 6 一a d c 原理框图 理想的a d c 采样量化噪声均匀分布在奈奎斯特频带直流至，2 范围内( f 为采样频 率) ，模拟低通滤波器将滤除正2 以上的噪声。如果采用联的采样速率对输入信号进行采 样( k 为过采样倍率) ，奈奎斯特频率增加到甄2 ，整个量化噪声分布在直流至 z ，2 之 间，其有效值降为原来的1 丘。如果仅简单地使用过采样方法使分辨率提高n 位，必须 进行置= 2 2 ”倍过采样，为使采样速率不超过一个合理的界限，需要对量化噪声的频谱进 行整形，使得大部分噪声位于z ，2 至甄2 之间，而仅仅一小部分留在直流至z 2 内，这 就是一a d c 中调制器所起的作用。噪声频谱被调制器整形后，数字滤波器可去除 大部分的量化噪声能量，使总的信噪比大大增加。 数字滤波器有两个作用：一是对于最终的采样速率，它必须能起到抗混叠滤波器的 作用；二是它必须能滤除一调制器在噪声整形过程中产生的高频噪声。通过对滤波器的 输出数据进行采样抽取，得到最终的数字输出。由于f i r 滤波器具有容易设计、能与采样 抽取过程合并计算、稳定陛好、具有线性相位等特点，大多数a d c 的采样抽取滤波 器都选用f i r 滤波器实现。 2 2 3i f 转换与a d 采样的优缺点 i f 转换方法具有抗干扰性好、接口简单的优点，同时，由于采用电流积分器的变换 原理，可对输入信号进行连续测量，不存在丢失信息的问题。但i f 转换方法中频标由于 受到恒流源充放电的限制一般都相对较低，因此存在分辨率低的缺点。此外，实际应用中 往往需要增加温控电路以使i f 转换电路工作在恒温槽中，这会导致电路的体积、重量和 功耗都相应地加大。 a d 采样方法具有转换速度快、采样精度和分辨率较高、电路组成与原理相对比较简 国防科技大学研究生院学位论文 单等优点。但是a d 采样方法也存在着以下的缺点：一方面，信号的采样不是连续测量方 式，会造成测量信息的丢失，在某些应用场合不允许使用；另一方面，高精度a d c 芯片中 数字低通滤波器的存在，会对测量信号的频带组成发生改变，并会在测量数据中附加一定 的时间延迟，加重了后级数据处理的任务。 2 3 本章小结 本章针对激光陀螺捷联惯导系统的传感器组成，介绍了二频机抖激光陀螺和石英挠性 加速度计的基本工作原理，并根据其输出信号的特点，对经常采用的一些数据采集方法的 基本原理及其优缺点进行了简单的说明。 第1 4 页 国防科技大学研究生院学位论文 第三章惯性测量数据时间延迟和带宽缩减对导航计算的影响 导航计算，就是通过陀螺仪和加速度计的测量值，计算得到载体的姿态、速度和位置 等信息。由于数据采集的过程，刁i 可避免地会对测量数据的频带组成造成影响，并会增加 信号的时间延迟，本章主要分析这两个因素对导航计算的影响情况。 3 1 惯性测量数据采集的主要特征 惯性测量数据的采集，主要是由相关的信号读出电路和必要的数字处理算法完成的。 信号+ 读出电路将原始的测量信号转换为数字信号，再由数字处理算法进行必要的处理，得 到导航计算需要的固定输出速率的惯性测量数据。 为满足采样定理，在数据采集电路中通常含有抗混叠低通滤波器，在数字处理算法中 根据算法的要求有时也会存在有数字低通滤波器，这些滤波器的存在导致原始测量信号的 一部分高频分量与电路中引入的其他测量噪声一起被衰减掉，造成了测量信息的丢失：同 时，采集电路和数字算法也会对信号附加时间延迟，这使得惯性测量数据滞后予传感器的 输出信号。因此，需要对数据采集过程中测量信号高频信息的丢失和时间延迟对导航计算 的影响进行分析， 为了能够更加直接的得到以上两个因素对导航计算的影响，进行以下假设： i ) 不考虑惯性仪表的测量误差和数据采集过程中产生的测量误差； 2 ) 惯性测量信息以连续时间信号形式存在，因此不用考虑数字导航算法对导航计算 造成的影响； 3 ) 将数据采集过程分为加速度计信号采集和激光陀螺信号采集两个部分，每部分抽 象为一个理想的低通滤波器，每个滤波器具有各自的截止频率和时间延迟： 这样得到的惯性测量信号，与实际的运动相比，只是损失了部分高频分量和增加了一 定的时间延迟，对其进行分析，可以清晰得出这两个因素对导航计算的影响。 下面从一维运动条件下这两个因素对导航计算的影响开始分析，并对分析结果进行仿 真验证，继而再在三维运动条件下进行分析。 3 2 一维运动条件下加速度测量数据时间延迟和带宽缩减的影响 对于一维运动，只需要加速度的测量信号就可以对速度和位置进行计算。假设加速度 第1 5 页 国防科技大学研究生院学位论文 明删量是买际加速度1 吾号经过个理想低速滤波器后得到的。理想低通龉坡器的截止频翠 为q 。，时间延迟为。，其传递函数可表示为： g c 叫f 茄芝 c 。， 、设实际运动的加速度为r ( ，) ，滤波器输出的加速度测量信号为，( ，) ，其傅立叶变换分 别为尺( f 国) 和r ( f ) ，则有：月( f ) = g ( ，) r ( i 。) 。 实际运动的速度和位置分别记为v ( f ) 和j ( f ) ，计算得到的速度和位景分别记为v ( f ) 和 s ( r ) ，其傅立叶变换分别为矿( ，m )