机载光纤惯性导航解决方案

高精度导航系统是飞机导航控制及其武器系统精确攻击的核心装备。其主流方案包括平台方案和捷联方案。随着捷联惯性技术和光学陀螺的发展，捷联以其可靠性高、体积轻、体积小、功耗低、成本低等优点在机载领域得到广泛应用。^[1-4]目前，机载捷联导航系统是激光陀螺捷联导航系统和光纤陀螺捷联导航系统的组合。其中，诺斯罗普·格鲁曼公司的LN-100G、霍尼韦尔公司的H-764G激光陀螺捷联导航系统和诺斯罗普·格鲁曼公司的LN-251光纤光学陀螺捷联导航系统已广泛应用于美国战斗机机队^[1]诺斯罗普·格鲁曼公司开发了以高精度光纤陀螺为重要标志的直升机导航系统LN-251，随后开发了适应飞机导航的LN-260。LN-260被美国空军选用于F-16 多国战斗机机队的航电升级。在部署之前，LN-260 系统经过测试，定位精度达到 0.49 海里（CEP），北向速度误差为 1.86 英尺/秒（RMS），高动态环境下东行速度误差为2.43ft/s(RMS)。因此，光学捷联惯性导航系统在导航和制导能力方面完全可以满足飞机的运行要求^[1].

与激光陀螺捷联导航系统相比，光纤陀螺捷联导航系统具有以下优点：1）不需要机械抖动，简化了系统结构和减振设计的复杂性，降低了重量和功耗，提高了系统稳定性。导航系统的可靠性；2）光纤陀螺的精度谱覆盖战术级到战略级，与其对应的导航系统也可以形成相应的导航系统谱，涵盖从姿态系统到远程远距离导航系统的所有内容。耐力飞机；3）光纤陀螺仪的体积直接取决于光纤环的尺寸。随着细径光纤的成熟应用，同等精度的光纤陀螺仪体积越来越小，轻量化、小型化发展是必然趋势。

总体设计方案

机载光纤陀螺捷联导航系统充分考虑系统散热和光电分离，采用“三腔”方案^[6,7]，包括IMU腔、电子腔和二次电源腔。IMU腔体由IMU本体结构、光纤传感环和石英柔性加速度计（石英加仪表）组成；电子腔体由陀螺仪光电盒、仪表转换板、导航计算机及接口板、环卫导轨组成二次电源腔体包括封装好的二次电源模块、EMI滤波器、充放电电容。陀螺仪光电盒和IMU腔体内的光纤环共同构成陀螺仪组件，石英柔性加速度计和仪表转换板共同构成加速度计组件^[8].

整体方案强调光电器件的分离和各部件的模块化设计，光学系统和电路系统的分离设计，保证整体散热和交叉干扰的抑制。以提高光电器件的可调试性和装配技术。该产品采用连接器连接电子室中的电路板，分别对IMU室中的光纤环和加速度计进行调试。IMU形成后，进行整体组装。

 电子腔内电路板从上到下为陀螺仪光电盒，包括陀螺仪光源、探测器和前放电电路；表转换板主要完成加速度计电流信号到数字信号的转换；导航解决方案和接口电路包括接口板和导航方案板，接口板主要完成多路惯性设备数据的同步采集、电源交互和外部通信，导航方案板主要完成纯惯性导航和组合导航方案；引导板主要完成卫星导航，并将信息发送至导航方案板和接口板，完成组合导航。二次电源与接口电路通过连接器连接，电路板通过连接器连接。

关键技术

1、一体化设计方案

机载光纤陀螺导航系统通过多个传感器的集成，实现飞行器的六自由度运动检测。三轴陀螺仪和三轴加速度计可以考虑进行高集成度设计，降低功耗、体积和重量。对于光纤陀螺仪来说，对于陀螺仪组件，可以共享光源，进​​行三轴一体化设计；对于加速度计组件，一般采用石英柔性加速度计，转换电路只能采用三种方式设计。还有时间问题多传感器数据采集的同步。对于高动态姿态更新，时间一致性可以保证姿态更新的准确性。

2、光电分离设计

光纤陀螺是一种基于萨格纳克效应来测量角速率的光纤传感器。其中光纤环是光纤陀螺敏感角速度的关键部件。它由几百米到几千米的光纤缠绕而成。如果光纤环的温度场发生变化，则光纤环上各点的温度随时间变化，两束光波通过该点在不同的时间（光纤线圈的中点除外），它们经历不同的光路，从而产生相位差，这种不可逆的相移与旋转引起的萨涅克相移无法区分。为了提高温度光纤陀螺仪的性能，陀螺仪的核心部件光纤环需要远离热源。

对于光电集成陀螺仪来说，陀螺仪的光电器件和电路板都靠近光纤环。传感器工作时，器件本身的温度会出现一定程度的升高，并通过辐射和传导的方式影响光纤环。为了解决温度对光纤环的影响，系统采用了光电分离器光纤陀螺仪包括光路结构和电路结构，两种结构独立分离，光纤与波导线路之间连接。避免光源箱产生的热量影响光纤传热灵敏度。

3. 开机自检测设计

光纤陀螺捷联导航系统需要对惯性装置具有电气性能自检功能。由于导航系统采用纯捷联安装，无换位机构，因此惯性装置的自检分两部分通过静态测量完成，即、器件级自检和系统级自检，无需外部换位激励。

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