偏振控制器PC偏振控制器PC起倪器0000-极管激光器光线耦合器LDXC耦合器DC2线圖木端探洲器N》相位调制器调制参考信号被调制的信号交流信号发生器锁相放大器记录仪++转角信号图1-12美国Stanford大学的全光纤FOG的情况下，采用较大结构尺寸的光纤线圈所得（敏感）到的Sagnac相移信号仅为urad的数虽级。这研制导航级IFOG必须解决的关键技术问题。在高精度的IFOX中，首先必须采用闭环方案。在闭坏的IF(G中，需要采用"相位调制器”在双向光束中产小受控制的相位差，平衡Sagnac效应造成的相移角。这种具有相位调制器等必要附加器件的结构被称为“IFOG的最小系统结构”。在IFOG的产品开发中，世界上多数公司（美国Litlon、德国SEL和LITEF等）都坚持采用最小系统结构。实践结果表明他们的闭坏式IF(G产品得到了广泛应用。与此同时，俄、美和以色列等的一些公司则长期采用开环式IFOG的总体方案，他们的产品精度较低，只能作为速率陀螺仪使用。应当指出，保证环式IFOG的性能不能单纯依赖于光通讯技术的通用性器件和工艺。个好的IOG牛产公司必须掌握以下三种部件的设计与工艺：（1）宽带的发光管光源；（2）集成光路的相位调制器；（3）优质的光纤线圈。为了抑制工扰噪声，在IFOG中必须采用超辐射发光二极管，或掺钾光红光源。.30PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
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在相位调制器方面，压电陶瓷管的机械式相位调制器频带太低，不能采用。为了保证IFOG输出信号的线性度，在目前的产品中无例外地都采用厂集成光路的电光相位调制器。同时，在电光相位调制器，还增加了光分束器和起偏器，构成多功能的集成光路芯片。在前的IFOG产品中，敏感Sagnac效应的光纤线圈在直径和长度上都比较大。例如，在1（）h精度的FOG中，光纤线圈的长度大于110m；在0.01（）/h精度的FOG中，光纤线圈的长度为500~1000m。由此带来的严重缺点之一是产品的温度稳定性和振动性能较差、成本较高。为了缩短IFOG中光纤线圈的长度，1977—1992年，美国MIT的S.Ezekiel和日本东京大学的保立和大等人对“谐振型光纤陀螺仪”（ResonantFOG，RFOG）的系统方案进行了大量实验研究。在RFOG中，采用了光纤环形腔和有源的谐振频率跟踪系统。因此，在结构和电路上，RFOG比RLG复杂。和RLG中反射镜环形腔的高清晰度相比，RFOG中光纤线圈环形腔的清晰度太低。实验研究的结果表明，RFOG的精度很低。此后，美、德等国都转向研究“有源腔的RFOX”。1992一1996年，Stanforu大学的S.Huang和H.J.Shaw等人受Litton公司的委托进行了有源腔RFOG的探索性实验研究。他们采用半导体激光器作为泵浦光源，在特种光纤线圈中激励出“受激Brillouin背向散射光束”(StimulaledBrillouinscatteringbeam），研制成功了有源腔的RFOG。这种RHOG被称为“Britlouin光纤陀螺仪”（BFOG），也可称为"Brillouin激光陀螺仪”（BRLG)。与此同时，德国BGT公司的M.Raab和W.Bernard等人也进行了BRLG的实验研究。他们在实验装置上得到了较好的拍频信号①。由于BRLG的系统结构对环境温度比较敏感，需要来用极高精度的温度稳定系统，因而很难在野外使用。还应指出，在有源腔的RFOG中，由于在顺、逆时针光束之间产生①2000年，作者曾应邀访问了德国T公司，M.Raab和W.Bemard向作者展示BRLG的实验装置，赠送了详细的技术资料，建议作者在中国开展这项研究。.31PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
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了模式竞争现象，双向光束的光强很难做到完相等，这将导致RFOG中Kerr效应误差较大。这是研制RFOG中的刃外个技术难点。由于存在上述技术上的难点，开发RFOG（包括BFOG）的产品还需要继续进行理论和实验研究。同时，在器件方面，需要研允“移频器”（Phaseshilter）等光电子器件。尽管如此，由丁有源式谐振型光纤陀螺仪具有实现的可能性，今后RFOG的研究仍然具有重人的学术价值和实际意义。因此，在本的第10竞中，将详细介绍BFOG的研究结果。2000年，BGT公司介绍了他们当年研究BRLG的背景情况。为了开发车辆定位定向系统，他们购买了法国有关公司的导航级IFOG产品。野外测试结果表明，所购买的1FOG产品性能并不稳定。为此，他们决定自行研制BRLG。随着MOEMS技术的发展，1983年以来，美、法，俄等国开始研究和开发“微型光学陀螺仪"（Microopticalgyro，MOG)的产品。19962000年，清华大学承担了我国MC>G的预先研究项日。在本书的第11章中，将详细介绍这些研究的结果。1.12平台式惯性导航系统1953年，美国MIT的“Draper实验室”为远程飞机研制了液浮陀螺的平台式INS，收名为“惯性空间参考装置”（Spaceinertialrefcrencecquipment,SPIRE)。在SPIRE中，采用厂只加速度计和一只单月出度液浮积分陀螺仪。在系统结构上，平台式INS可以分为以下三类：（1）几何式：（2）解析式；（3）半解析式在几何式系统中，对陀螺仪不要施加任何控制力矩，平台被陀螺仪稳定在惯性空间之中。为了在机械结构上（几何上）直接测量载体的姿态角，需要采用五坏结构”的平台（图1-13）。在解析式系统中，只需要采用二环平台，就可以隔离载体的角运动。在这种系统结构中，对陀螺仪也不需要施加任何控制力矩，因而平.32.PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
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航向轴横滚轴51俯仰轴载体图1-13几何式INS台被陀螺仪稳定在惯性空间之中。为了狄得载体的姿态角得号和导航信号，在导航计算机中，需要对加速度计的输出信号进行坐标变换和对时间积分等计算。半解析式系统的特点是需要对陀螺仪施加控制力矩。这样，平台将始终被控制、跟踪当地大地三面体的角运动。由于平台被稳定在大地三面体之中，这种平台可以直接测量载体的姿态角。为了保证载体的航向角不受限制，可以大于360°旋转，必须采用四环结构的平台。SPIRE曾在B-29型飞机上进行了远程飞行试验，从MIT附近的Bedlord市到美国西海岸的LosAngeles市，航程数T千米，定位误差为1nmilc4o这次试飞获得巨大的成功成知INS发展上的一个程碑。众所周知，在载体运动时，加速度计中的输出信号不仅包含了载体与地球之间的相对运动加速度，同时还包含了牵连运动加速度和地球引力加速度，需要从输出信号中扣除所有的“牵连运动加速度”和“引力加速度”。在惯性导航理论中，它们被统称为“有害加速度”。在解析式系统中，牵连加速度等于零，有害加速度只有引力加速·33PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
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1度。在20世纪50年代，电了计算机还处于发展的初期，采用解析式系统的总体方案较为方使，导航计算量较少。在导航计算机中，需要从加速度计的输出信号中扣除有害的引力加速度分量，同时，把它们由“惯性坐标系”变换为“导航坐标系”，即可得到载体与地球之间的相对运动加速度，进行姿态角和导航信号的计算。在半解析式系统中，加速度计稳定在大地兰面体之中。在加速度计的输出信号中，没有引力加速度，同时，加速度计的输出信号也不需要进行坐标变换计算。四此，在多种载体上，半解析式系统得到了广泛应用。在有些半解析式系统中，例如，飞机导航系统，平台稳定在当地的大地水准面中，但在方位上则稳定在惯性空间。这种半解析式系统被称为“游移方位”的INS1.13惯性导航系统的机械编排方程从加速度计输出信号到导航定位信号之间的全部计算公式称为INS的“机械编排方程”，它是在导航计算机中编排计算程序的依据。为了计算导航信号，需要采用以下二种坐标系：惯性（i)坐标系；地球（e）坐标系；以及导航（n)坐标系。假定选择“北-东一下”坐标系作为“导航坐标系”（Ornynn），并假定“n"和“"两个坐标系之间相应的转角分别为α，β，。当它们均为微量时，它们之问的坐标变换矩阵C和C可分别写为1--1CI=(1 - 3)Qα1」LBC,-[C](1 - 4)七述坐标变换矩阵对时间微分的公式为dc.Ch(t)2%(1 - 5)dit式中2品为与角速度列短阵0%相对应的反对称矩阵.34PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
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