光纤环的热致非互易性噪声理论与实验研究

研究了光纤环非稳态传热过程中的非互易相位噪声特性.根据光纤陀螺在实际应用中环境温度的干扰,通过有限差分法,建立了光纤环时变温度场分布模型,对光纤环在非稳态传热过程中的温度场进行了模拟分析.在此基础上,针对不同绕制结构的光纤环,对其温度漂移进行了数值模拟和比较.实验表明,交叉子绕线方案能更好地抑制光纤环热致非互易噪声的影响,从而能提高干涉型光纤陀螺的长期漂移精度.     

基于旋转惯导双轴旋转系统的系统级标定

随着旋转调制惯导系统在空间飞行器上的逐步应用,低精度转台开始作为惯导系统的一部分参与导航过程,对基于旋转惯导系统双轴转台的光纤陀螺捷联惯导系统的系统级标定方法进行研究。建立附加约束条件和简化条件后的加速度计和陀螺的误差模型,在双轴转台上进行合理位置编排和转位,利用静态七位置下的捷联惯导输出数据做惯性导航,以速度误差和姿态误差作为观测量,建立Kalman滤波标定模型,系统辨识出三轴加速度计和陀螺的各项误差参数。通过计算机仿真验证,该方法能够准确利用滤波方法估计出陀螺和加表的共计21个器件误差参数,在工程上具有一定参考价值。     

双轴旋转惯导旋转方式误差特性研究

在惯性导航系统定位精度优化问题的研究中,惯性导航系统在误差源作用下会产生误差.对于捷联惯导系统,常见误差源有陀螺和加速度计的常值飘移、随机游走,IMU的安装误差以及陀螺的刻度系数误差等.旋转调制可以抑制某些误差源对系统的影响,而调制效果主要由旋转方式决定.为研究双轴旋转惯导系统在不同旋转方式下的误差特性,推导了在不同旋转方案下的旋转矩阵表达式.分析了惯导系统在上述两种旋转方式以及在陀螺各常见误差源作用下的误差特性.考虑陀螺常见误差源,仿真了捷联惯导以及两种旋转方式下的双轴旋转惯导系统的位置误差模型.结果表明,在一定旋转方式下,双轴旋转惯导系统能够有效提高系统定位精度.     

加速度计组件温度特性在系统建模

捷联惯导系统(SINS)内部工作温度的升高会引起其中加速度计组件输出脉冲产生漂移.分析了SINS初始对准精度与加速度计组件温度漂移的关系,设计针对双轴位置转台的五位置升温实验,分离出加速度计组件零偏、标度因数误差和温度之间的关系,最终通过多项式拟合建立起补偿模型.常温条件下(25℃～50℃)系统应用结果表明,该建模和温度补偿方法可以改善加速度计组件安装误差标定精度,并提高SINS对准精度和快速启动能力.     

基于光纤传感稳态热容平衡模型的架空线路导线温度监测

架空线路温度监测过程中,受环境温度、日照等因素的影响,导致其监测数据失真,降低监测准确度。提出基于光纤传感器的架空线路导线温度监测方法。建立架空线路导线的稳态热容平衡模型,分析影响导线温度相关因素。通过光纤温度传感器得到热膨胀的反应系数,计算求得光纤布拉格光栅对温度变化的灵敏度系数,构建传感稳态热平衡方程。结合环境温度、风速和日照辐射等参数,利用导线温升公式计算出传感导线各部位热阻值,获得相对应温度监测数据,实现架空线路导线温度监测。实验结果表明,所提方法在不影响线路正常运行情况下,实验测得导线上表面、侧方位和下表面的温度分别为27.8℃、26.6℃和23.4℃,温度监测准确,误差小。     

捷联惯导系统加速度计标度因数和安装误差的试验标定

研究了捷联惯导系统惯性测量组合中加速度计标度因数和安装误差的标定问题。对捷联惯性测量组合中3路加速度计建立了输出模型,提出了在三轴转台上采用多位置试验对加速度计标度因数和安装误差进行标定的方法。实验表明,本方法能够有效地标定出惯性测量组合中加速度计的标度因数和安装误差,具有较高的精度,对提高捷联惯导系统的精度有着重要的作用。     

光纤捷联系统标定技术研究

概括了光纤陀螺、石英加速度计的基本原理,并在其基础上分析了测试方法。利用Allan方差技术给出惯性器件的静态特性,利用自行改进的非线性度测试方法给出惯性器件的线性程度,为捷联惯导系统中的器件选择提供理论依据。分析了光纤陀螺的数学模型,以光纤陀螺指天正反转方案设计了陀螺标定实验。研究了石英挠性加速度计的数学模型,给出指天二十四位置和指北二十四位置两种标定编排结构。并结合实物对以上方案进行了验证。     

Raman型分布光纤温度传感器的信号处理系统

Ｒａｍａｎ型分布光纤温度传感器是利用光纤背向反斯托克斯喇曼散射温度效应和光纤光时域反射（ＯＴＤＲ）技术来测量空间温度场分析的，是一种高速瞬态微弱信号的采集，分析和处理系统，本文讨论了淹没在噪声中的光纤背向反斯托克斯喇曼散射温度信号特征，实现对１ｋｍ光纤上２００个采样点的快速信号采集，分析和处理，系统的实现测温准确度±２℃。     

带有转动机构的捷联惯导初始对准方法分析

在现有器件精度基础上依靠旋转调制技术实现更高精度导航成为当前惯性技术的研究热点。针对移动测量系统旋转光纤惯导系统对初始化可靠性和准确性提出的更高要求,设计一种不同惯性系下重力加速度建立转换矩阵的粗对准加两位置卡尔曼滤波精对准的初始化方法。分析粗对准过程转换矩阵求取机理,设计惯性坐标系重力及其微分构建初始捷联矩阵的方法;利用转动机构实现IMU处于2个最优方位完成光纤惯导系统的卡尔曼滤波精对准。转台实验结果表明,惯性系粗对准加两位置卡尔曼组合精对准可有效实现旋转惯导系统的高精度初始化。     

一种光纤陀螺漂移数据建模和滤波技术在捷联罗经法自对准中的应用

针对基于高精度光纤陀螺仪(FOG)的捷联惯导系统开展研究.采用时间序列分析法对光纤陀螺随机漂移进行分析,建立自回归滑动平均(ARMA)模型,并在捷联惯导系统罗经法自对准过程中对光纤陀螺漂移数据进行实时滤波估计.样机实验结果表明,所提出的方法可以有效地提高光纤陀螺捷联惯导系统罗经法自对准的精度.     

惯性传感器技术及发展

论述了惯性传感器的发展过程和其在惯性导航系统中的地位 ,对新型惯性传感器 :壳体谐振陀螺仪、微机械电子系统惯性传感器、光纤陀螺仪的原理、性能和研究现状作了分析 ,最后指出了惯性传感器的发展方向。     

一种基于MFC的转台自动测试系统

三轴转台在惯性测量组件和惯性导航系统的性能测试中起到了重要作用,而原先的转台标定实验需要测试人员通过上位机操纵转台运动到指定位置和速率状态,并手动操纵远程计算机采集惯性导航组件的实验数据.采用VC++中的MFC形成远程控制计算机界面,通过远程控制计算机直接控制三轴位置速率转台,并自动采集惯性导航组件的测试数据.经过远程控制计算机与转台形成闭环实验,测试系统可以完成预期目标.     

INS algorithm using quaternion model for low cost IMU

This paper presents a generic inertial navigation system (INS) error propagation model that does not rely on small misalignment angles assumption. The modelling uses quaternions in the computer frame approach. Based on this model, an INS algorithm is developed for low cost inertial measurement unit (IMU) to solve the initial attitudes uncertainty using in-motion alignment. The distribution approximation filter (DAF) is used to implement the non-linear data fusion algorithm.     

Real-Time Implementation of GPS Aided Low-Cost Strapdown Inertial Navigation System

This work details the study, development, and experimental implementation of GPS aided strapdown inertial navigation system (INS) using commercial off-the-shelf low-cost inertial measurement unit (IMU). The data provided by the inertial navigation mechanization is fused with GPS measurements using loosely-coupled linear Kalman filter implemented with the aid of MPC555 microcontroller. The accuracy of the estimation when utilizing a low-cost inertial navigation system (INS) is limited by the accuracy of the sensors used and the mathematical modeling of INS and the aiding sensors’ errors. Therefore, the IMU data is fused with the GPS data to increase the accuracy of the integrated GPS/IMU system. The equations required for the local geographic frame mechanization are derived. The direction cosine matrix approach is selected to compute orientation angles and the unified mathematical framework is chosen for position/velocity algorithm computations. This selection resulted in significant reduction in mechanization errors. It is shown that the constructed GPS/IMU system is successfully implemented with an accurate and reliable performance.     

多通道捷联惯组数据采集系统

作为惯性导航的重要组件,惯性器件通常由陀螺仪和加速度计组成．为完成对其性能的评价,需要研制专门的数据采集系统来实现对其的测试工作．传统的惯组数据采集由于体积庞大,技术更新困难,可靠性差等方面的原因,越来越难于满足当前的测试需要．随着FPGA技术的快速发展,使得惯组数据采集系统越来越小型化和简单化．通过选用XILINX公司的XC3S1000—4FT256I芯片,实现了将惯组输出的陀螺仪脉冲信号、加速度计脉冲信号和温度传感器信号直接输入给FPGA进行处理,完成了脉冲数据的采集．经过在两轴转台上的实际应用,通过对大量测试数据的比对与分析,发现用本系统测试的惯组数据,其稳定性指标与传统方法相比,提高了近1σ．     

Identification for temperature model of accelerometer based on proximal SVR and particle swarm optimization algorithms

The impact of temperature on accelerometer will directly influence the precision of the inertial navigation system(INS).To eliminate the measurement error of accelerometer,this paper proposes a proximal support vector regression(PSVR)algorithm for generating a linear or nonlinear regression which requires the solution to single system of linear equations.PSVR is used to identify the static temperature model of the accelerometer.In order to improve the identifying performance,the kernel parameters and penalty factors of PSVR are optimized by the canonical particle swarm optimization(CPSO).The experiments under different temperature conditions were conducted.The experimental results show that the proposed PSVR can correctly identify the static temperature model of quartz flexure accelerometer and is more efficient than those of the standard SVR and least square algorithm.     

气体压力式FBG温度传感器设计

针对基于电信号传输的温度传感器难以在石油、化工、变电站等高危环境中做检测的问题,设计了气体压力式光纤Bragg光栅(FBG)温度传感器.采用气体压力式结构,在等强度悬臂梁上下表面的中心轴线上各粘贴一只具有相同敏感系数的FBG,分析了该温度传感器的工作原理,建立了其理论数学模型,并组装了传感器.通过对设计的气体压力式FBG温度传感器进行升降温实验测试,得到传感器的静态性能特性:传感器的线性度为3.59％FS,升温过程中灵敏度为10.14 pm/℃,降温过程中灵敏度为9.99 pm/℃.     

FBG温度传感器在微波场的应用

微波作为一种新型热源已被广泛用于化学研究、食品加工、医疗仪器以及材料热处理等行业中,发展极为迅速。在这些应用中,温度显然是个重要的参数,但处于强电磁场的环境下,在微波场中温度的测量依然是一个技术难题。阐述了光纤光栅温度传感器的原理,以及分析了光纤光栅温度传感器在微波场中测温的前景及应用。     

基于IMU阵列的标定方法

微电子机械系统(MEMS)技术的发展使惯性传感器行业发生了革命性的变化,这使得生产惯性传感器阵列成为可能。然而,低成本的惯性测量系统会受到比例因子和轴失准误差的影响,从而造成位置和姿态估计的精度降低。在单个IMU校正的基础上,设计了一套基于IMU阵列的标定方法,该标定方法为了解决传统六面法在标定IMU阵列过程中方向激励不足的问题,设计了正20面的校正装置,该标定方法不仅能够估计出IMU阵列中单个IMU的比例因子、轴失准误差和偏置,还能估计出阵列中不同IMU之间的坐标轴对齐误差。通过把标定结果和官方所给的校正参数进行对比,可以得到经过本文所提的IMU阵列标定方法得到的标定结果能够达到工厂标定结果的百分之五十到百分之九十。     

铠装光纤Bragg光栅温度传感器的研究

裸光纤Bragg光栅(FBG)的温度灵敏度约为10pm/℃。在铠装FBG温度传感器中,光栅粘贴于热膨胀系数较大的金属片(如Cu和Al)表面的线槽内。金属片受热膨胀将衍生出光栅的轴向热应变,从而提高光纤光栅的温度响应灵敏度。在采用波分复用技术中的FBG的传感网络方案中,串联的3只光栅均置于温度控制器中。实验表明:当温度从20℃升至80℃时,Cu制和Al制铠装FBG温度传感器的表观温度灵敏度分别约提高34. 3, 42. 7pm/℃,测量重复性分别为2. 3, 2. 8pm。