动载体姿态测量关键技术研究文献综述讲解Word文档格式.docx

1、由于开发成本过高，使得开发风险较大，不利于集多家之所成。针对稳定平台的缺点，我们可寻求另一种方式解算式方法实现稳瞄稳向：即通过姿态测量装置实时测量出载体姿态角，根据载体姿态的变化计算出瞄准线变化的角位移量，并通过伺服控制系统将瞄准线控制在瞄准目标的方向上。相比稳定平台，基于动载体姿态测量的解算式稳瞄稳向方法大大节省了体积开销、成本开销，由于稳瞄稳向精度的提高主要通过算法优化实现，有利于产品的升级换代。基于动载体姿态测量通过数学解算方法实现稳瞄稳向的文献和工程应用相对较少，主要在于载体运动使得载体姿态处在复杂变化之中，加之各种不可预知的干扰，使得准确掌握其姿态信息比较困难。因此研究基于动载体条件

2、下的姿态测量方法，实现动载体条件下的高精度姿态测量与稳瞄稳向具有现实的军事意义和应用价值。 2国内外研究现状2.1姿态测量方法研究现状姿态测量是利用仪器设备，采取科学的方法来获取载体相对坐标基准的方位与指向。在航天器、导弹、车辆的导航以及卫星、机器人、平台的姿态控制中都需要用到姿态测量1。姿态测量技术发展到现在主要包括单一传感器姿态测量和多传感器组合姿态测量两种形式。单一传感器姿态测量中，有基于陀螺的姿态测量、基于加速度计的姿态测量，以及基于GPS的姿态测量等2。基于陀螺的姿态测量是利用陀螺对角度率敏感的原理，通过积分运算得到姿态角度。相比无陀螺姿态测量系统，陀螺系统不需要解算角速度，这从一定

3、程度上降低了算法的复杂程度，提高了实时性；但测量误差随时间积累的特点限制了其长时间稳定测量3。国内外在无陀螺惯性测量组合方面，有单独采用加速度计进行姿态测量的研究，我们称其为全加速度计姿态测量。从加速度计个数上看，有六加速度计、九加速度计、十二加速度计等测量方案。对于全加速度计姿态测量，国内外主要处于理论探索和实验阶段，工程应用较少。基于GPS的姿态测量系统采用GPS技术，利用相位差分原理，采用天线布阵技术，可以实现载体的姿态的测量，如使用 3 个以上 GPS 天线的姿态测量系统，可以测量三维的姿态角，该方法多用于空间较大的飞机、舰船、导弹等姿态的测量；但GPS技术由于受到美国控制，且其对外开

4、放的信号精度不高，在军事应用中使用受到限制45。多传感器组合姿态测量中，有陀螺与加速度计组合、加速度计与磁强计组合、陀螺/加速度计与磁强计组合、陀螺/加速度计与GPS组合以及其它不同形式的组合。多传感器组合测量主要是利用各传感器测量的姿态信息，通过信息融合的方法，减小噪声干扰并实现姿态最优估计，以达到提高测量精度和改善系统可靠性的目的678。 尽管单一传感器就可以单独进行姿态角度测量，但是其准确性主要取决于惯性器件的精度，并且系统误差会随时间积累，不适用于长时间载体姿态的确定9。所以，使用单一传感器难以得到相对真实的姿态角度。相比单一传感器姿态测量，多传感器组合测量的精度一般较高，它通过发挥各

5、种器件测量信息的优势，取长补短，最后提供给用户具有高精度和高可靠性的姿态信息，因此工程应用中多采用后者。本课题拟采用多传感器组合测量的方法，以实现各传感器信息的优势互补，在动载体条件下得到精确姿态信息。2.2稳瞄稳向技术研究现状 稳瞄稳向是指在载体运动过程中采取某种手段使得瞄准装置不受载体姿态变化的干扰，始终稳定指向目标方向。实现稳瞄稳向的方法有三种：采用稳定平台直接稳定方式，捷联稳定方式，解算稳定方式10。目前，国内外装备实现稳瞄稳向主要采用稳定平台实现。稳定平台通过惯性器件建立，且不随载体姿态变化而变化，将目标测定器直接放置在稳定平台上，可实现与载体姿态变化的隔离，从而实现稳瞄稳向。在光电

6、稳定平台中，陀螺稳定平台迄今得到了广泛的应用，它是采用一个环架系统作为光电传感器的光学平台，在平台上放置陀螺来测量平台的运动，陀螺敏感姿态角的变化经过放大以后驱动环架的力矩电机，通过力矩电机驱动平台使光电传感器保持稳定。在国外起初应用于手持式望远镜和瞄准具中，并在八十年代装备部队，现已广泛应用于地基、车载、舰载、机载、弹载、天基等各种观测、摄像系统中。1996年，美国的航空红外制造商前视红外系统公司以电子新闻采集市场为目标推出了一种双传感器系统，它包括一个用于低照度的高分辨率红外摄像机和用于白天的标准广播摄像机，这两台摄像机一起被安装在一个紧凑的三轴陀螺稳定的万向架中，能够提供50的图像稳定精

7、度，意大利的Caselle-Torinese公司生产的11072Caselle-Torinese光轴稳定平台的旋转范围可以做到高低方位均为，最大旋转速度为/s，稳定精度为0.4mrad。英国的Ferranti Electro-optics公司生产的FIN1155用于坦克的陆地导弹/稳定平台，其瞄准线的稳定精度达到了0.1mrad。法国的SAGEM公司研制的舰载对空红外全景监视系统可以在的摇摆，的纵摇时的稳定精度达到0.5mrad。1994年法国生产的“唯吉-105”型周视光电火控红外系统，在方位为，俯仰角为范围内稳定精度为0.1mrad。以色列研制的ESP-1H采用两轴陀螺稳定平台，在方位角为

8、，俯仰角在的范围内，最大旋转速度为/s的稳定精度高达50，而ESO-600C的稳定精度高达1511。国内上世纪80年代开始研制瞄准具稳定平台，90年代逐渐展开了陀螺稳定平台的研制。北京618所90年代初期研制了机载陀螺稳定平台，其稳定精度可达到0.1mrad，中科院成都光电所承担的863子课题快速反射镜成像跟踪系统，采用了二级稳定技术，并于1994年通过评审。华中光电技术研究所研制的舰载红外稳定平台的稳定精度为1mrad，清华大学精密机械与机械学系惯性导航研究室于1997年研制出机载瞄准线稳定跟踪系统，并交付部队使用12。车载稳定平台的研究开始于80年代后期，最初用于坦克炮长镜上以稳定瞄准线，

9、其原理是在框架陀螺的转子上安装导光棱镜，以达到稳定瞄准线的目的，其稳定精度可达到0.2mrad，但瞄准范围仅仅是方位、俯仰，加之人机工程差，使用受到了限制。此外，电子3所、长春光机所、西安应用光学研究所等都在开展该应用领域的研究工作，由于受到惯性元件技术的限制，以及研究成本较高，致使在稳定跟踪平台的改进与研制方面没有取得突破性进展，与国外差距较大。相比稳定平台实现稳瞄稳向的方式，捷联式稳瞄稳向仅在瞄准线轴线方向上固定陀螺等敏感元件，当瞄准线改变时，敏感元件测出其变化量，将该偏差作为控制信号叠加到跟踪控制系统中，控制瞄准线反方向运动以消除偏差。解算式稳瞄稳向通过姿态测量装置实时测量出载体姿态角，

10、根据载体姿态变化计算出瞄准线变化的角位移量，加到跟踪控制系统中进行补偿。相比稳定平台方式，后两种方法大大降低了开发成本，简化了设计减小了体积；解算式稳瞄稳向方法更是充分利用了载体上的姿态测量设备，进一步简化了稳瞄稳向系统的设计，其产品的升级主要依赖算法改进实现，因此有利于产品的更新换代。采用解算式稳瞄稳向方法的文献和工程应用较少，因此研究基于动载体姿态测量的捷联稳瞄稳向方法具有重要意义。2.3光纤陀螺的研究现状为提高姿态测量的精度，首先要选择高精度、性能稳定的姿态测量器件。光纤陀螺是近年来发展较快，并被广泛应用于军事和民用领域的高精度惯性器件，在姿态测量方面有其独特的优势。光纤陀螺是以 Sag

11、nac 效应为基本原理的角速率传感器，其原理如图 1所示。光纤陀螺是利用光纤线圈构成闭合光路，即来自光源的光被分成两束相干光，分别从光纤线圈的两端耦合进光纤传感线圈并被反转，从线圈两端输出的光会产生相位差，利用该差值完成惯性测量。光纤陀螺属于高精度陀螺仪，可以用于飞机、战术制导武器、车辆等领域。根据产生时间先后和实现技术不同，可以分为：干涉型光纤陀螺（IFOG）、谐振型光纤陀螺（RFOG）和受激布里渊散射光纤陀螺（BFOG）13。与机电陀螺和激光陀螺相比，光纤陀螺的特点是结构简单、性能稳定、体积小、精度高、启动时间短、动态范围宽、可承受较大过载、重量轻、功耗小、成本低、寿命长、无机械转动部分、

12、无激光陀螺仪的闭锁问题14。与MEMS陀螺相比，光纤陀螺在精度方面有很大优势。光纤陀螺有很高的敏感度，但产品的温度稳定性和振动性能较差，这在姿态测量系统设计中是必须考虑的15。图 1光纤陀螺原理示意图国外中低精度的光纤陀螺技术已经成熟并产品化，被广泛应用于航空、航天、航海、武器系统等领域中。美国的 HoneyWell 公司、Northrop Grumman公司和 Draper 实验室在光纤陀螺研发方面处于领先地位。目前，HoneyWell 公司已经制造出精度为 0.000038/h 的干涉型光纤陀螺。Northrop Grumman公司的光纤陀螺产品覆盖战术级、导航级、空间技术级等，特别在中低

13、精度领域相当成熟，如 IMU200、IMU600、FOG2500 等，精度为 1/h0.001/h。最近，Draper 实验室利用光子晶体光纤制造了一个干涉型光纤陀螺（PC-IFOG），采用光子晶体光纤（PCF）后，IFOG 的尺寸和特性均有明显的改进。欧洲研制光纤陀螺的知名机构主要有法国的Ixsea公司和俄罗斯的Fizoptika公司。Ixsea 公司于 2004 年成立子公司 Ixspace，专门进行航天应用光纤陀螺的研究，现已开发了三个系列产品：Astrix 200 型、Astrix 120 型和 120HR 型。其中，Astrix 200 的零偏稳定性达到 0.001/h，角度随机游走

14、为 0.0002/h，标度因数稳定性在 30ppm16。俄罗斯的 Fizoptika 公司实现了全光纤结构方案生产 FOG，采用这种技术生产的 FOG 在精度上稍差（0.1/h），但是其尺寸小、功耗低、成本低，在国际市场上销量较好17。日本是光纤陀螺研究生产的大国，其主要机构有东京大学尖端技术室、日立公司、三菱公司、JAE 公司等，在干涉型光纤陀螺的实用化，特别是中低精度级别的实用化方面走在世界前列18。国内研制光纤陀螺的单位有北航、浙大、北理工、航天十院、航天33所、上海803所、航天时代电子公司、上海永鼎光电子技术有限公司等。目前，中低精度水平上的光纤陀螺已实现了工程化应用。据了解，北航采用大功率掺铒光纤光源、光路和电路一体封装已成功研制了精度优于0.01/h的FOG，如图2所示19。清华大学还开展了光波导陀螺的研究，把光纤敏感线圈改为光纤敏感环，可减小光纤敏感线圈在结构和绕制等方面的难度、降低成本20。图2北航中高精度FOG2.4地磁传感器研究现状地磁场有相当好的模型，它的强度和方向是位置的函数，且有很好的矢量响应性，可以通