浅述陀螺仪与惯性技术的发展现状Word格式文档下载.docx
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美国斯佩里公司于1963年首先次做出了激光陀螺仪的实验装置。
1966年美国霍尼威尔公司开始使用石英作腔体,并研究出交变机械抖动偏频法,使这项技术有了使用的可能。
1972年,霍尼威尔公司研制出GG-1300型激光陀螺仪。
1974年美国国防部下令海军和空军联合制定研究计划,1975年在战术飞机上试飞成功,1976年在战术导弹上试验成功。
进入80年代以来,美国空军表示要坚定地把激光陀螺应用到空军系统中去,并与麦克唐纳•道格拉斯公司签定了两项合同,以实施一项名为&
quot;
综合惯性基准组件&
的研制计划,其内容是研制一种采用激光陀螺的双盒组件式传感器系统。
海军也计划在80年代内将激光陀螺惯导系统用到舰载飞机中,这种系统称为CA1NS1。
陆军准备将激光陀螺用于陆军飞机的定位/导航、监视/侦察、火控以及飞行控制系统。
1985年美国提出了战略防御计划(SDI)后,激光技术在军事系统和空间武器上的应用倍受重视。
根据SDI预算,1985财年在这方面投资10.4亿美元,大部分用于开展激光实验,其中包括激光陀螺的研制。
90年代,根据先进巡航导弹和战术飞机导航的要求,美国进行了激光陀螺捷联性能的研究(SPS)。
麦克唐纳•道格拉斯公司被选为SPS的主承包商,其次还有霍尼威尔、利顿、洛克威尔、辛格•基尔福特等公司参加。
国外激光陀螺仪的研制单位很多,其中,美国和法国研制的水平较高,此外还有俄罗斯、德国等国家。
1.
美国
美国研制激光陀螺仪的厂家有霍尼威尔、利顿、斯佩里等公司。
(1)
霍尼威尔公司
理想的战术惯性器件必须同时具有低成本、体积小、重量轻、坚固等几个特点,霍尼威尔公司的GG1308和GG1320就是为此研制的最新产品。
该公司采用的关键技术如下:
1)在提高精度方面
输出信号的细分技术,在小型化的RLG中,保持所需的分辨率。
提高抖动偏频的频率,以提高RLG的采样频率。
小型化RLG的惯性小,谐振频率高,在抖动偏频装置的设计上,可以提高频率。
由此,可以提高RLG的采样频率和捷联惯性导航系统SINS的计算频率,有利于保证捷联惯性导航系统SINS的精度。
2)在降低成本方面
利用玻璃熔结工艺来实现反射镜和电极等的密封。
采用BK-7光学玻璃取代Zerodur等零膨胀系数材料,为此需要建立光波在谐振器中谐振的条件,并对温度误差采取补偿。
采用GG1308组成的一种惯导系统型号为HGl500一IMU。
采用GG1320组成的惯导系统型号为H-764C。
(2)
基尔福特公司
在单轴RLG的基础上,为满足小型卫星和航天器的需要,该公司研制了微型三轴激光陀螺仪MRLG。
该公司采用力反馈式加速度计和MRLG组成惯性测量组合IMU。
这种惯性导航系统也可用于战术武器,包括鱼雷。
2.法国
法国的激光陀螺仪和系统技术具有很强的实力。
法国SWXTANT公司和SAGEM公司均从70年代开始研究激光陀螺技术,到目前已经形成不同尺寸和精度的激光陀螺仪。
(1)SEXTANT公司
SEXTANT公司1972年开始研究激光陀螺仪,1979年SEXTANT型激光陀螺仪首先用于&
美洲虎&
直升机飞行。
1981年33cm型激光陀螺仪在ANS超音速导弹项目中标,1987年首次把激光陀螺仪用在&
阿里安&
4火箭的飞行,1990年SEXTANT公司在法国未来战略导弹项目上中标。
(2)SAGEM公司
SAGEM公司从1977年开始研究环行激光陀螺仪。
1987年组装了第一个样机GLS32型。
在工艺成熟后,主要生产用于航空及潜水艇的捷联惯导系统。
1987年组装了GLC16型样机,主要用于直升机和小型运载火箭的捷联惯导系统。
[影响]
作为飞行器惯导系统核心的惯性器件,在国防科学技术和国民经济的许多领域中占有十分重要的地位。
激光陀螺仪花费了很长时间和大量投资解决了闭锁问题,直到80年代初才研制出飞机导航级仪表,此后就迅速应用于飞机和直升机,取代了动力调谐陀螺和积分机械陀螺仪。
目前已广泛用于导航、雷达和制导等领域。
光纤陀螺仪
[光纤陀螺仪的定义]
光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件,由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。
光传播路径的变化,决定了敏感元件的角位移。
光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比,优点是全固态,没有旋转部件和摩擦部件,寿命长,动态范围大,瞬时启动,结构简单,尺寸小,重量轻。
与激光陀螺仪相比,光纤陀螺仪没有闭锁问题,也不用在石英块精密加工出光路,成本低。
光纤陀螺仪需要突破的主要技术为灵敏度消失、噪声和光纤双折射引起的漂移和偏振状态改变引起的比例因子不稳定。
灵敏度消失
在旋转速率接近零时,灵敏度会消失。
这是由于检测器中的光密度正比于Sagnac相移的余弦量所引起。
2.
噪声问题
光纤陀螺仪的噪声是由于瑞利背向散射引起的。
为了达到低噪声,应采用小相干长度的光源。
3.
光纤双折射引起的漂移
如果两束相反传播的光波在不同的光路上,就会产生飘移。
造成光路长度差的原因是单模光纤有两正交偏振态,此两种偏振态光波一般以不同速度传播。
由于环境影响,使两正交偏振态随机变化。
4.
偏振状态改变引起的比例因子不稳定。
光纤陀螺仪自1976年美国犹他州立大学首先研制出试验装置,随后,世界各发达国家的科研机构和著名大学都投入了很大的人力、物力和精力研究这一有发展前途的新型光纤旋转速率传感器。
随着光纤通信技术和光纤传感技术的发展,光纤陀螺仪已经实现了惯性器件的突破性进展。
在国外,l°
/h至0.01°
/h的工程样机已用于飞行器惯性测量组合装置。
美国利顿公司已将0.1°
/h的光纤陀螺仪用于战术导弹惯导系统。
新型导航系统FNA2012采用了l°
/h的光纤陀螺仪和卫星导航GPS.美国国防部决定光纤陀螺仪的精度1996年达到0.01°
/h;
2001年达到0.001°
/h;
2006年达到0.0001°
/h,有取代传统的机械陀螺仪的趋势。
一、
光纤陀螺仪的类型
光纤陀螺仪按原理上分类,可以分为:
干涉仪式、谐振腔式和光纤型环型激光陀螺仪。
干涉仪式光纤陀螺仪按照光路的组成又可以分为:
消偏型、全光纤型和集成光学型。
谐振腔式光纤陀螺仪按照光路的组成又可以分为:
全光纤型和集成光学型。
光纤型环形激光陀螺仪是一种利用光纤环形腔中的受激布里渊散射的方向性增益效应来实现利用Sagnet效应检测谐振速率,其原理与激光陀螺仪完全相似。
由于无需复杂的调制解调检测技术,国际上倍受重视。
二、各国研制情况
1.美国
美国的光纤陀螺研制单位有:
利顿公司、霍尼威尔公司、德雷泊实验室公司、斯坦福大学以及光纤传感技术公司等。
利顿公司研制的光纤陀螺
利顿公司的光纤陀螺技术在低、中精度应用领域已经成熟,并且已经产品化。
1988年研制出SCIT实验惯性装置,惯件器件是光纤陀螺和硅加速度计。
1989年公司研制的CIGIF论证系统飞行试验装置。
1991/1992年研制出用于导弹和姿态与航向参考系统的惯性测量系统。
1992年研制出GPS/INS组合导航系统。
霍尼韦尔公司的集成光学光纤陀螺
霍尼韦尔公司研制的第一代高性能的干涉仪式光纤陀螺采用的是Ti内扩散集成光学相位调制器。
采用的其他器件还有0.83um宽带光源、光电探测器/前置放大器模块、保偏光纤偏振器、两个保偏光纤熔融型耦合器以及由1km保偏光纤构成的传感环圈。
为了满足惯性级光纤陀螺的要求,霍尼韦尔公司研制的第二代高性能干涉仪式光纤陀螺采用了集成光学多功能芯片技术以及全数字闭环电路。
(3)美国德雷珀实验室
美国德雷珀实验室从1978年起为JPL空间应用研制高精度光纤陀螺,曾研制过谐振腔式光纤陀螺,研制了9年,由于背向散射误差限制了精度,后来改为采用干涉仪式方案。
在研制干涉仪式光纤陀螺的过程中,采用了三大技术措施:
a.把光源、探测器和前置放大器做成一个模块;
b.光纤传感环圈结构影响精度很大,采用了无骨架绕制光纤环圈的技术途径;
c.多功能集成光学器件模块,包括了所有其余的光纤陀螺的光纤器件。
德雷珀实验室的研究人员认为:
目前0.01°
/h的干涉仪式光纤陀螺成本较高,需要研制自动生产线,降低成本,保证质量。
对于今后的发展问题,德雷珀实验室的研究人员认为:
a.惯性级的干涉仪式光纤陀螺仪,可以取代动力调谐陀螺仪,并逐渐取代激光陀螺仪;
b.惯性级干涉仪式光纤陀螺仪的难点是必须采用1km长度的保偏光纤,如果改用谐振腔式光纤陀螺仪方案,则长度可减为10m左右的光纤。
为此谐振腔式光纤陀螺仍在作为研制方向,使光纤陀螺仪小型化的谐振腔式光纤陀螺的难点在于:
控制电路比干涉仪式光纤陀螺复杂。
随着ASIC技术的发展,将来有可能得到满意的解决,使谐振腔式光纤陀螺成为产品。
采用干涉仪式和谐振腔式混合方案的光纤陀螺仪具有良好的发展前景。
2.日本
日本研制光纤陀螺的单位有东京大学尖端技术室、日立公司、住友电工公司、三菱公司、日本航空电子工业公司。
日本的干涉式光纤陀螺仪已经完成了基础研究,正进入实用化阶段。
偏值漂移已经达到XX。
东京大学进行研究的谐振腔光纤陀螺仪取得了很大进展。
日立公司研制用于汽车导航系统的光纤陀螺,1991年用于日产汽车。
在日本,光纤陀螺作为汽车的旋转速率传感器已进入市场。
利用光纤陀螺仪进行导航时,用车轮转速计传感器测移动距离,用光纤陀螺测量车体的回转,同时采用图象匹配、GPS系统等配合计算汽车的位置和方位,显示在信息处理器上。
俄罗斯
俄罗斯的光纤陀螺有全光纤型和集成光学型。
全光纤型采用的是光纤技术,即所有的光纤器件都做在同一根光纤上。
Fizoptika公司研制的光纤陀螺已经商品化,产品型号有:
VG949、VG941B等。
光纤陀螺仪作为继激光陀螺仪之后出现的新一代陀螺,各国的研制工作已经取得了重大的进展。
光纤陀螺仪的研制对惯性导航和控制领域十分重要,随着计算机、微电子和光纤技术的发展和应用,它将取代传统的机械陀螺和平台惯导系统。
引言
国际国内的中远程导弹和运载火箭,无不采用惯性制导。
惯性制导的核心部分是惯性仪表,即陀螺仪、加速度计以及由它们组成的平台测量系统和速率捷联测量系统。
随着火箭技术的发展,惯性仪表在最近的40年里,精度大幅度提高。
对精度起决定性作用的是仪表支承轴上的干扰力矩,它比初期减小了4个量级,即几万倍之多。
21世纪的惯性仪表,在那些需要特别高精度的应用场合,如传统的机械转子式陀螺仪和加速度计,仍然是首选对象,至少在初期是这样。
当然这种技术的难度和代价是相当高的,一般地说,为实现现代高精度陀螺仪的技术要求,其高速旋转部分的间隙需小于1μm,活动部件的质心不稳定量需在1nm以下,金属材料的稳定性在1个微应变以下,机械加工精度为0.1μm,温控精度0.01℃,局部环境的洁净度优于10级,测试设备的测角精度0.1″,长度测量精度10-7。
研制人员在开发各种新原理、新思路,并已取得了许多成功,得到实际应用。
近期看,在众多的新型陀螺中,光学陀螺、包括激光陀螺或光纤陀螺,具有良好的应用前景。
从长远看微机械惯性仪表具有很多潜在的优势,在未来的军、民各个领域中,必将获得广泛的应用。
惯性器件的可靠性设计将越来越受到重视,除着力于提高其本身的固有可靠性之外,其它如冗余设计及故障检测、诊断、隔离和重构等措施,定会进一步得到广泛使用。
作为惯性系统的两种测量方式,速率捷联技术会随着科学技术的不断进步而逐步替代惯性平台技术。
不过,在今后的一段时期内,惯性平台的高精度和抗严酷环境条件的能力,速率、捷联方式仍难以满足而不能完全替代它。
40年的进展
迄今为止,国内外的导弹和运载火箭普遍采用惯性制导方式,这是由于惯性制导具有自主性,完全不依赖外部基准,不受外部干扰的突出优点。
惯性仪表是惯性制导的核心设备,惯性仪表的漂移误差是构成制导工具误差的主要来源。
到目前为止,还没有其他一种技术能代替惯性仪表的这种自主性。
所以,导弹火箭技术在发展过程中,对高精度、小型化、机动性、快速反应、突防能力和环境条件等方面提出了越来越高的要求,同样也是对惯性仪表的要求。
与此同时,为适应面临的这种挑战,它也不断推动着惯性技术的提高。
在过去的40年中,国内的惯性仪表,包括陀螺仪和加速度计以及由这些敏感器组成的惯性测量系统,即平台测量系统和速率捷联测量系统,在技术上取得了长足的进步。
机械转子式陀螺仪和加速度计是发展的主流。
根据不同的精度和技术要求,研制了滚珠轴承的、液浮的、气浮的、磁浮的、静电的以及挠性等多种支承方式的仪表。
仪表体积和重量不断减小,在陀螺角动量和加速度计摆性减小两个量级的同时,仪表精度又提高了两个量级,这表明支承轴上的干扰力矩减小了4个量级,即减小到初期的几万分之一,这是衡量技术水平的一项重要标志。
测量方式由初期的位置捷联发展为复杂的惯性平台和速率捷联系统。
研制工作涉及的相关专业也由比较单纯的精密机械扩展为控制技术和电子技术等多个学科。
特别是反馈控制技术和计算机的应用,促使惯性技术突飞猛进的发展。
它们不仅使惯性仪表的功能扩展,改善仪表的工作环境,提高仪表的实际应用精度。
而且,由于计算机速度的提高,使得依赖大量数学计算来定向的速率捷联测量方式得到实际应用。
新型元器件和惯性仪表用的特种原材料也得到了同步发展。
诸如气体动压马达,微型螺旋泵,微型导电滑环,短路扎传感器,高精度力矩器等一批元器件相继研制成功。
高性能的专用磁性材料,惯性级铍材以及高比重浮油等都代表相应材料领域的最高水平。
各方面的制造和加工工艺也同时得到了提高。
随着仪表精度的不断提高,如何把相当于千分之一、万分之一地球自转速率和百万分之一的相对误差测试、标定和分离出来的问题日益突出,因而在测试方法研究和测试设备研制方面投入了相当可观的力量,拥有一批高性能、高精度的计算机控制的自动化测试设备及相关的基础设施。
围绕惯性技术所取得的各项成果,满足了不同时期众多武器和运载型号的技术要求,充分说明了我国的惯性技术跻身于世界先进行列的这个事实。
简要回顾
19世纪末以前,人们一直停留在力学范围内来研究陀螺的现象和特性,利用这种特性作成的仪表,可以用来观察地球的自转。
可是由于在当时转子转速的提高受到限制,转子支承轴上的磨擦力矩无法降低,这个愿望直至电机和滚珠轴承发明以后才成为现实,从而陀螺仪被做成陀螺罗经和地平仪,用来在运动物体上指示地理真北和地垂线。
陀螺在火箭上的应用,开始于二战期间德国的V2火箭。
从此,陀螺仪和加速度计成为一门惯性技术而快速发展起来,冷战时期精度上快速提高,功能上有很大扩展。
不仅在海、陆、空、天的军事领域普遍应用,而且在大地测量、空中摄影、隧道开凿和石油钻井等等许多民用部门也用它起到定向和稳定作用。
在军事应用的牵引下,惯性仪表精度大幅提高的同时,相关的制造工艺越来越复杂,生产周期长,成本很高,价格昂贵,令民用部门望而却步。
即使在军用方面,由于陀螺仪转子的高速旋转和惯性测量系统的复杂性,在可靠性、安全性、兼容性、寿命以及体积重量等方面也暴露出某些固有的弱点。
凡此种种,促使科技人员去思考和探索新的测量工具和测量方式,以替代传统的机械转子式的陀螺仪。
因而,各种各样的新型陀螺仪和加速度计相继研制出来并成功地获得应用。
未来发展趋势
机械转子式陀螺仪的精度,目前机械加工和材料水平几乎达到极限,仍有潜力可挖。
国外报道陀螺仪的漂移速率做到了地球自转速率的千万分之一,即10-6(°
/h)。
因此,在跨入21世纪后的一段时间内,在那些需要特别高精度的应用场合,这种传统的转子陀螺仪仍然是首选对象,虽然技术难度和代价是显然的。
一般而言,要实现现代高精度陀螺仪的技术要求,其高速旋转部分的活动间隙要做到1μm左右,仪表活动部件质心的不稳定量在1nm以下,材料不稳定性为一个微应变,机械加工精度0.1μm,温控精度0.01℃,局部环境洁净度优于10级。
测试设备的测角精度0.1″,长度测量精度10-7。
转子式陀螺仪的支承方式,将保留现有的电、液、气、磁和机械等几种方式。
提高这类仪表精度的措施不是靠开发新的支承原理,更主要的要靠继续精心设计,改善材料性能和提高工艺重复性,积累单项成功以取得总体的进步。
对历史回顾便可看出,无论哪种原理之所以取得今天这样的成功,无不饱含锲而不舍、积少成多的经历。
对惯性平台和陀螺加速度计的需求正在减少,但这并不意味着这种技术已经过时。
在有些特殊场合,其它的测量方式还难以取代它们的突出优势。
它不仅在高精度和抗严酷环境条件方面有潜力,而且在误差自标定、自补偿、自对准、自检测、数字化控制、适应机动快速发射以及提高可靠性、维修性、兼容性、寿命等方面还有改进的需要和条件。
因此,平台和陀螺加速度计的发展方向,也不在于创造新的仪表支承方式,而是致力于发挥其本身固有的优势。
除此之外,陀螺平台的稳定功能对那些空中摄影、天线、望远镜等需要姿态稳定的对象,比捷联系统更为直接而有效。
在众多陀螺仪中,光学陀螺仪,包括激光陀螺和光纤陀螺,在当前的航天领域中,形成了与传统机械陀螺争夺市场的局面。
这种陀螺仪基于光速不变的原理工作,已不同于原来力学意义上的惯性仪表。
它既没有高速旋转的部件,也没有液浮陀螺那样的液体,是属于固态陀螺或称干式陀螺的一种。
目前,光学陀螺仪的精度还在中等水平,影响其精度提高的一个因素是低速率输入时,激光陀螺有一个死区,即闭锁现象。
为克服这种现象,研制人员想出了给这种陀螺加机械抖动的办法,或者用转台使之旋转,以产生速率偏置的办法来提高其精度。
这些办法是有效的,同时也是有限的。
因为它们又增加了机械活动部分,使结构复杂,往复式的抖动又会引起输出噪声的增加。
光纤陀螺是稍后于激光陀螺而发展起来的另一种光学陀螺,目前它还赶不上激光陀螺的性能,但由于光纤技术在现代通讯技术方面的特殊作用,与其相关的技术如保偏光纤、超辐射激光二极管光源、耦合器、偏振器和集成光学等在低成本、小型化、适合批生产方面取得了快速的发展,因而这种陀螺的发展有超过激光陀螺的势头。
在航天领域特别是战术导弹制导上会有良好的应用前景。
由于光学陀螺需要复杂的电子线路、高压电源以及良好的信号处理能力,在实际应用中会遇到如可靠性、抗电磁干扰和较大的输出噪声等方面的课题,需要花力气去解决。
与传统的机械陀螺相比,小体积、低成本才是它们的主要优势,加之速率捷联测量方式的崛起和广泛应用,使得这种测量角速率并以数字量输出的新型惯性仪表,有条件在航空、战术导弹制导等应用中占领相当大的市场份额。
除光学陀螺外的其它各式各样的固态陀螺,就测量角速度和测量加速度的原理而言,仍是以哥氏惯性力和比力为其力学基础。
通过内部激励使物体产生往复的线运动,当外部存在角运动时,物体敏感角速率而产生幅度和相位与之对应的哥氏加速度,然后通过电子线路把哥氏惯性力检测出来,从而测到了角速率。
同样,加速度计也是通过敏感质量和力平衡原理测量比力。
这类惯性仪表中,最有吸引力、最受广泛重视和最具发展潜力的要数硅微机械陀螺和微机械加速度计。
它们在单晶硅芯片上使用集成电路制造中的光刻、腐蚀、离子注入以及键合等微机械加工技术制造而成,非常适合大规模生产,成本很低,而且体积极小(仅小指甲盖那么大),重量轻,功耗小,启动快,有利于发展冗余技术,易于实现数字化和智能化。
国外已有少量应用,精度还较低,国内还在试验室阶段。
这种由惯性原理、微细加工和电子技术相结合的新技术,预示着惯性仪表乃至惯性系统的某种飞跃。
它的高速发展将在军民品各个领域获得的应用。
惯性仪表和惯性系统的可靠性设计会越来越受到重视,作为一门工程技术,以往在功能设计和精度设计方面作出了巨大的努力。
相应地,可靠性设计还需要更上一层楼。
从国内外的报道可见,由于惯性制导系统的故障而导致导弹和运载火箭坠毁、飞行失败的事故时有发生。
据统计,电子、电器系统的故障要多于机械部分。
因此,一方面要提高惯性系统本身的固有可靠性,另一方面要采用冗余技术,采用故障检测、故障诊断、故障隔离和系统重构等可靠性措施,最大限度地提高其使用可靠性。
惯性仪表的误差随时间积累的特性,使得制导工具误差也随飞行时间的延长而增大。
作为纯惯性制导,当然主要靠提高惯性系统的精度来降低制导误差。
90年代初,出现了全球定位系统(GPS),带动了惯性系统/GPS组合制导的发展,这确实是一种优势互补的制导方式。
惯性系统具有自主性,不受干扰且输出稳定,缺点是误差随时间积累。
相反,GPS的精度高而误差不积累,但是,它的输出信号易受地理环境和电磁环境的干扰,甚至短时间失去信号。
两者组合,特别是捷联惯性系统/GPS组合制导,可说是珠联璧合。
在战术武器应用方面前景看好。
战略武器方面,惯性系统与其它方式的组合制导,也是一个重要的发展空间。
5.
结论
机械转子式陀螺仪作为有实用价值的测量仪表,诞生于20世纪初期。
经过100年的改进,尤其是后50年航天军事应用的牵引,由于其自主性和高精度,使这种仪表达到了应用的鼎盛时期。
展望21世纪,惯性仪表将向以微机械惯性仪表为代表的全固态型发展,惯性系统向以捷联惯性系统为基础的组合系统发展。
惯性技术将进一步从主要为军事应用向军民两用的方向发展。
航天惯性技术在实施精确打击中的特殊地位,导弹武器精确制导对惯性技术的要求,激光陀螺仪、光纤陀螺仪和微机电惯性仪表目前在国内外研制现状。
惯性技术在实施精确打击中的特殊地位惯性技术是为武器系统定向导航的关键技术。
以陀螺仪、加速度计等惯性器件、惯性测量、惯性导航和惯性制导为主要研究内容的惯性技术,是用来实现载体姿态和轨迹控制的完全自主式的工程技术。
在航天技术中,惯性技术对实施精确打击有着特殊的地位。
精确制导武器依靠机载惯性系统的精确定位、弹载惯性制导的精确导引和末制导的精确瞄准。
导航系统中,惯性导航/制导系统是可信赖、完全自主式的
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