激光陀螺捷联系统(激光惯导)测试技术

激光陀螺捷联系统(激光惯导)测试技术内容摘要：

方面。 惯导测试设备是标定、测试和检验惯性导航 仪表或惯性导航系统的设备，它包括单轴伺服转台、双轴伺服转台、三轴伺服转台、仿真台、角振动台、离心机、火箭橇等。 每套设备必须配备计量被测件输出量的仪器或设备，称之为数据采集系统。 采集的数据要用计算机进行分析和处理。 根据国内惯导测试技术的应用水平及发展动态，目前，其发展趋势和研究方向可以简单归结如下。 1．惯导测试设备的研制技术 惯导系统的快速发展及新的任务需求，对惯导测试设备的研制及技术指标提出了更新更高的要求。 ① 在功能上，由于捷联系统的发展，测试设备不仅要提供高精度的位置、速率功能，而且要提供具有相位可控 、幅度可控、宽带精度的振动功能，即要求集动态、静态为一体的惯导测试设备，要求有加速度控制和实时动态输出。 ② 进一步提高技术指标。 位置分辨率 ，位置精度 (RMS)；速率分辨率 /s；速率范围 ～10000/s；速率平稳性 106 等等。 ③ 对惯导系统要实现自动化测试，即转台控制、被测件的启动、数据采集、数据处理一体化，这是提高测试精度的关键。 ④ 加强各种环境下的测试。 随着测试精度的要求越来越高，有些原来可以忽略的环境因素已经成为必须考虑并加以控制的内容，如温度环境、力学 环境、电磁环境的影响等。 ⑤ 对测试设备的可激光陀螺捷联 系统测试技术 7 靠性、指标的稳定性、电磁兼容性提出了新的要求。 可靠性、稳定性是不容忽视的，转台的功能越来越复杂，精度越来越高，不稳定不可靠 因素 就成为测试的大敌，而模块化、标准化、工程化正是解决这个问题的突破口。 另外电磁兼容性的进一步研究也势在必行。 2．惯导测试理论的研究 随着科学技术的发展，对惯性仪表的要求越来越高。 然而，单靠改进仪表设计来提高惯性仪表器件精度的方法，在加工、制造、装配及调试中，遇到的困难越来越多。 因此，基于理论利用软件补偿来提高实际使用精度变得更有重要意义。 根据测 试数据，建立误差模型，对误差参数进行分离、辨识，然后对系统采取 误差 补偿措施， 提高惯性仪表的使用精度 ，满足惯导系统的使用要求。 因此，惯导测试理论的研究己显得十分重要。 在现有惯性仪表的研制水平下，进一步提高惯导系统的输出精度，是惯导测试理论研究的主方向。 其内容主要包括： ① 误差机理分析 在惯 性系统 建模方面，需要对现有的惯性仪表误差形成的机理进一步研究，搞清楚在使用全过程环境条件下误差形成的物理机理。 ② 误差模型的建立 在系统误差机理已知的前提下，建立惯导系统综合环境下系统数学误差模型。 目前，所 使用的误差模型都 是比较简单的，惯性仪表误差模型主要考虑了与过载无关的零次项和与过载成比例的一次项，而高次项、动态项、非线性项、时变项、与气候及电磁场环境条件有关的误差项 ，由 于各种条件限制基本没有考虑。 因此， 建立准确的误差模型很是必要。 ③ 标定方法研究 对于所用 的惯导系统，需要研究能够把系统的各项误差充分激励出来的标定方法，为获得更加准确的误差补偿参数奠定基础。 ④ 误差辨识理论研究 随着国内在控制、辨识理论方面学术水平的不断提高，研究采用先进的辨识理论对误差参数进行准确分离的方法已成为可能，因此，需要 对 实用化的、工程化的误差 分离方法 进行研究。 ⑤ 误差补偿方法研究 对于不同类型的惯导系统，为了解决 使用中“天地 不 一致”的 问题 ，需要研究更加先进的补偿方法。 就国内整个测试技术而言，在现阶段， 由于存在精密加工、微电子技术等方面的薄弱，惯性 仪表 误差 建模、标定和 补偿技术的研究对提高我国惯导系统的精度 将具有更重要 的意义。 激光陀螺捷联 系统测试技术 8 激光陀螺捷联系统 测试技术 研究 至今，国内激光陀螺捷联系统基本采用了“六表”构成，即惯性仪表选用了三块单自由度的激光陀螺及三个石英加速度计。 由于除了陀螺不同外，系统其余部分均与传统的捷联系统组成相同，因此，所采用 的测试设备有相当大的继承性。 激光捷联系统的测试技术应该充分继承挠性陀螺捷联系统已有的技术成果，并且，要针对激光陀螺及系统的特点再加以改进和完善。 然而，事实上，激光陀螺捷联系统的测试设备基本上是全部照搬，从而造成了激光陀螺捷联系统的研制水平快速发展，而相应的测试技术的研制水平却很不匹配。 为了满足实际需要，充分表现出激光捷联系统良好的性能、较高的输出精度，迅速提高目前 激光陀螺捷联 系统的测试技术水平已显得十分重要。 激光陀螺是全固态惯性陀螺仪表 ， 没有高速旋转 的 转子 ，在结构和工艺上与挠性陀螺有着根本上的区别，因而在 激光陀螺捷联系统的测试技术有其自身的特点。 当前，比较突出的两个问题如下： 1． 激光陀螺捷联系统的误差模型与挠性陀螺捷联系统的有很大的区别。 从激光陀螺的工作原理可知，激光陀螺误差模型中不含有与加速度有关的误差项，从形式上比挠性陀螺的误差模型要简单，但激光陀螺受磁场、温度等环境因素的影响却相对比较大。 由于误差形成的机理不同，因此二者的误差模型是不同的，相应用于分离误差的标定方法也有很大不同。 另外，在机抖式激光陀螺工作过程中，因为其测量机理的需要，人为加入了高频抖动，测量信号中加杂了高频干扰项，对误差参数的辨识带 来了一定的困难，因而进行误差参数辨识所采用的方法也有所不同。 2． 两套系统信号在采集、处理的方法不同。 为适应激光陀螺高速采样、滤波要求，实现高精度的测试，现有的测试系统中数据采集设备无法完全满足要求。 需要对 激光陀螺捷联 系统的测试系统在硬件上进行改进和完善。 为了对激光陀螺捷联系统 进行准确可靠的测试， 改进、完善现有的 激光陀螺捷联 系统 综合测试系统 已显得很重要。 它 不 仅要完成 激光陀螺 捷联系统的功 能测试，激光陀螺组件和加速度计组件 的精度 测试 ，而且还要完成对激光陀螺捷联系统的误差 标定 、误差参数的分离。 同时为 产品的 整个 测试 过程提供 计算机控制的自动化测试技术，使整个测试过程变得简单、方便、易行，排除以前人工操作时人为误差因素的影响，提高测试的精度和可靠性，缩短整个测试过程所需的时间。 激光陀螺捷联系统 标定 技术 激光陀螺捷联系统 标定方法是 激光陀螺捷联系统 测试技术中重要的组成部分。 和其它惯性测量元件的标定方法相同，其标定方法也分为分立标定方法和系统标定激光陀螺捷联 系统测试技术 9 方法。 通常的标定分为实验室标定和外场标定两个阶段完成的。 两个阶段实现的功能是不一样的，实验室阶段主要进行一些静态误差常数的标定，如陀螺仪的标度因数误差及安装误差、加 速度计的刻度因子误差和交叉耦合误差系数等，而外场测试阶段的工作主要是对实验室标定结果的检验和修正。 1． 分立标定法 分立标定法 直接 利用陀螺仪和加速度计的输出作为观测量，对系统的参数进行标定。 一般包括加速度计在重力场的多位置实验以及激光陀螺仪的速率实验。 在参数辨识方面，工程上常用的是求解方程法和最小二乘法。 在较高精度的导航系统标定场合，由于用线性回归模型拟合系统误差模型存在着较大的模型误差，而且最小二乘法对有色噪声的抑制能力较为有限，因此最小二乘标定方法不是最佳方案。 卡尔曼滤波方法是基于均方差最小准则下 的动态估计方法。 卡尔曼滤波器融合了预测信息和观测信息，可以有效的抑制有色噪声。 对于非线性系统和时变系统，卡尔曼滤波器也有较好的处理效果。 目前，运用卡尔曼滤波进行自标定己经成为研究的主流方向[6][7][8][9]，但在工程实践上还有许多需要解决的问题。 2． 系统标定方法 系统标定方法是在系统进入导航状态后，采集导航数据进行误差参数辨识的标定方法。 根据在应用中所需的外部信息，系统标定方法又可分为自标定方法和外标定方法。 自标定方法是不依赖外部信息进行自主标定的方法，一般用于静基座条件下的误差标定。 外标定方法是依 靠外部测量信息辅助进行标定的方法，常用于动基座条件下的误差标定。 虽然系统级标定方法是从 80 年代发展起来的，各方面理论上的研究也比较多，但工程上的应用受到其缺点的限制，目前工程上广泛采用的标定方法还是经典的分立标定方法。 综合 测试 系统 激光陀螺捷联系统测试 系统是由计算机控制的自动化测试系统，通过与被测激光陀螺惯性组合在电气上直接连接，自动完成对惯性组合综合电气性能和静态特性的测试，并记录测试结果。 其主要功能包括以下几个方面： 系统自检 ； 状态测试 ， 完成系统的功能 控制， 其中包括陀螺、加 速度计的关键运行参数的测试以及捷联系统的接口检测； 完成激光陀螺等惯性仪表的精度测试； 激光陀螺捷联 系统测试技术 10 完成系统的标定试验 ； 故障诊断与定位。 作为激光陀螺捷联惯性组合的专用测试系统，测试对象精密复杂，是一个多输 入 多输出装置，其测控变量中既有模拟量 （ 电压、电流 ） ，又有离散量 （ 数字数据、脉冲序列 ） ，因此，测控过程任务多、精度高、时间短、实时性强。 根据测试系统的总体功能 /性能要求，并考虑到测试对象和使用特点，该测试系统主要具有以下优点 ： 采用工业 PC 产品，以工控计算机为核心，组成测试控制系统，拥有优异的主机性能 、丰富的外围设备和强大的 I/O 接口功能 ； 与被测对象连接的信号全部进行电气隔离，地线设计合理，实现信号的非接触式测量，减小了各信号 耦合 带来的误差，并保证了测试的安全性 ； 基于 Windows 环境下开发的应用软件包，利用 支持文件 技术成功地解决了软件包底层数据接口的问题，为今后进一步利用 Windows 环境下开发实时控制软件提供了实际应用的技术基础 ； 自动化测试系统，测试质量高、人机工效好、可维护性好。 高速数字采集系统 数据采集技术是现代信号处理的基础，广泛应用于通信、遥测、遥感等领域。 在激光捷联系统的测试工作中，对 LIMU 输出信号的采集是进行各种处理和测试的第一步。 随着 LIMU 制造工艺飞速发展、精度的不断提高，对数据采集系统的要求也愈来愈高，高速高精度的数据采集是 LIMU 测试技术发展的必然趋势。 目前应用于工业控制计算机的采集系统大多是基于 ISA 总线结构。 这种结构的最大缺点是传输速率低，最高传输速率只有 8MB/s，由于带宽的限制，已成为制约计算机性能的瓶颈。 与常用的 ISA、 EISA 和 MCA 等扩展总线相比， PCI 总线具有负载能力强、支持 32/64位数据传输、采用多总线和线性突发传输模式、 独立于 CPU、自动配置、支持即插即用等众多优点。 同时，随着计算机技术的发展，出现了以微型计算机为平台，配以专用测量和测试的插卡及专用软件的 PC 仪器，也即虚拟仪器。 将基于 PCI 总线的数据采集卡与专用的测试硬件、软件相结合，即能实现高速数据采集和实时数据处理等功能。 与传统的基于 ISA 总线的数据采集卡相比，基于 PCI 总线的数据采集卡无论在速度还是综合性能方面都要强得多。 可见，基于 PCI 总线的数据采集技术是高速数据采集的发展方向，在要求大容量、实时性的高速数据采集中，采用 PCI 总线作为数据传输总线是值得研究的。 作 为测量系统的核心设备， 本课题以此 数据采集卡作 为硬件研究的重点。 针 对激光陀螺捷联系统 综合 测试的需求 ，我们面临的信号 采集 处理任务愈来愈繁激光陀螺捷联 系统测试技术 11 重，对数据采集系统的要求也 必然 愈来愈高 ， 高速高精度数据采集 技术的应用势在必行。 目前，测试系统中所 用 工控计算机 的采集系统大多基于 ISA 总线结构，这种结构的最大缺点是传输速率低。 ISA 只有 8 位和 16 位两档，最高传输速率只有 8MB/s，由于带宽的限制，已成为制约 工控计算机 性能的瓶颈，不能满足高速数据采集与处理的要求，无法实现高速数据的实时传输。 因而，在现有 ISA 数据采集卡的基础上 ， 研制 基于 PCI总线结构的数据采集系统。 本课题中，利用 PLX 公司的 PCI 接口芯片 PCI9052 设计了基于 PCI 总线的高速数据采集卡，并为其在 Window 环境下应用编写了 WDM 硬件驱动程序。 并以此为硬件基础，利用 VC++编写了 Windows 环境下图形界面的应用程序，对 激光陀螺捷联惯性组合进行了功能和精度的测试，完成了某型号 激光陀螺捷联 捷联系统标定工作，经过实际的静态导航解算与跑车实验，证明其能够实现所需的功能和精度要求。 论文研究内容及结构安排 本课题在 激光陀螺捷联 系统测试技术大的框架内，对所涉及到 的激光捷联式系统数字滤波方法、标定方法、计算机总线、接口技术、硬件设计以及驱动程序的开发做了比较系统的研究。 针对激光陀螺的特点，对 激光捷联 捷联系统进行了误差模型分析，对各种影响因素所带来的误差项进行了定性定量的分析，建立了各误差项与物理概念之间的联系；对现有误差模型进行了改进，使其更实用和工程化；对标定方法进行了深入的研究，利用解析法给出了分立式标定方法的理论依据；对系统自标定方法进行了理论探讨，为进一步的实际应用打下基础。 对测试设备进行了改进和完善，使测试系统能够更加方便、精确的对单个的激光陀螺、加速度 计以及捷联系统进行功能和精度的测试；完成了基于 PCI总线结构的高速数据采集系统的开发，其中包括数据采集卡的硬件开发和测试程序的软件编写工作，首次实现了高速的 PCI 总线标准在激光陀螺的捷联系统的测试工作中的应用。 以上内容将在后继各章节做仔细的阐述： 第二。