【文章內容簡介】 方面。慣導測試設備是標定、測試和檢驗慣性導航 儀表或慣性導航系統(tǒng)的設備，它包括單軸伺服轉臺、雙軸伺服轉臺、三軸伺服轉臺、仿真臺、角振動臺、離心機、火箭橇等。每套設備必須配備計量被測件輸出量的儀器或設備，稱之為數據采集系統(tǒng)。采集的數據要用計算機進行分析和處理。 根據國內慣導測試技術的應用水平及發(fā)展動態(tài)，目前，其發(fā)展趨勢和研究方向可以簡單歸結如下。 1．慣導測試設備的研制技術 慣導系統(tǒng)的快速發(fā)展及新的任務需求，對慣導測試設備的研制及技術指標提出了更新更高的要求。 ① 在功能上，由于捷聯系統(tǒng)的發(fā)展，測試設備不僅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、寬帶精度的振動功能，即要求集動態(tài)、靜態(tài)為一體的慣導測試設備，要求有加速度控制和實時動態(tài)輸出。 ② 進一步提高技術指標。位置分辨率 ?，位置精度 (RMS)；速率分辨率 ?/s；速率范圍 ～10000?/s；速率平穩(wěn)性 106 等等。 ③ 對慣導系統(tǒng)要實現自動化測試，即轉臺控制、被測件的啟動、數據采集、數據處理一體化，這是提高測試精度的關鍵。 ④ 加強各種環(huán)境下的測試。隨著測試精度的要求越來越高，有些原來可以忽略的環(huán)境因素已經成為必須考慮并加以控制的內容，如溫度環(huán)境、力學 環(huán)境、電磁環(huán)境的影響等。 ⑤ 對測試設備的可激光陀螺捷聯 系統(tǒng)測試技術 7 靠性、指標的穩(wěn)定性、電磁兼容性提出了新的要求。可靠性、穩(wěn)定性是不容忽視的，轉臺的功能越來越復雜，精度越來越高，不穩(wěn)定不可靠 因素 就成為測試的大敵，而模塊化、標準化、工程化正是解決這個問題的突破口。另外電磁兼容性的進一步研究也勢在必行。 2．慣導測試理論的研究 隨著科學技術的發(fā)展，對慣性儀表的要求越來越高。然而，單靠改進儀表設計來提高慣性儀表器件精度的方法，在加工、制造、裝配及調試中，遇到的困難越來越多。因此，基于理論利用軟件補償來提高實際使用精度變得更有重要意義。根據測 試數據，建立誤差模型，對誤差參數進行分離、辨識，然后對系統(tǒng)采取 誤差 補償措施， 提高慣性儀表的使用精度 ，滿足慣導系統(tǒng)的使用要求。因此，慣導測試理論的研究己顯得十分重要。 在現有慣性儀表的研制水平下，進一步提高慣導系統(tǒng)的輸出精度，是慣導測試理論研究的主方向。其內容主要包括： ① 誤差機理分析 在慣 性系統(tǒng) 建模方面，需要對現有的慣性儀表誤差形成的機理進一步研究，搞清楚在使用全過程環(huán)境條件下誤差形成的物理機理。 ② 誤差模型的建立 在系統(tǒng)誤差機理已知的前提下，建立慣導系統(tǒng)綜合環(huán)境下系統(tǒng)數學誤差模型。目前，所 使用的誤差模型都 是比較簡單的，慣性儀表誤差模型主要考慮了與過載無關的零次項和與過載成比例的一次項，而高次項、動態(tài)項、非線性項、時變項、與氣候及電磁場環(huán)境條件有關的誤差項 ，由 于各種條件限制基本沒有考慮。因此， 建立準確的誤差模型很是必要。 ③ 標定方法研究 對于所用 的慣導系統(tǒng)，需要研究能夠把系統(tǒng)的各項誤差充分激勵出來的標定方法，為獲得更加準確的誤差補償參數奠定基礎。 ④ 誤差辨識理論研究 隨著國內在控制、辨識理論方面學術水平的不斷提高，研究采用先進的辨識理論對誤差參數進行準確分離的方法已成為可能，因此，需要 對 實用化的、工程化的誤差 分離方法 進行研究 。 ⑤ 誤差補償方法研究 對于不同類型的慣導系統(tǒng)，為了解決 使用中“天地 不 一致”的 問題 ，需要研究更加先進的補償方法。 就國內整個測試技術而言，在現階段， 由于存在精密加工、微電子技術等方面的薄弱，慣性 儀表 誤差 建模、標定和 補償技術的研究對提高我國慣導系統(tǒng)的精度 將具有更重要 的意義。 激光陀螺捷聯 系統(tǒng)測試技術 8 激光陀螺捷聯系統(tǒng) 測試技術 研究 至今，國內激光陀螺捷聯系統(tǒng)基本采用了“六表”構成，即慣性儀表選用了三塊單自由度的激光陀螺及三個石英加速度計。由于除了陀螺不同外，系統(tǒng)其余部分均與傳統(tǒng)的捷聯系統(tǒng)組成相同，因此，所采用 的測試設備有相當大的繼承性。激光捷聯系統(tǒng)的測試技術應該充分繼承撓性陀螺捷聯系統(tǒng)已有的技術成果，并且，要針對激光陀螺及系統(tǒng)的特點再加以改進和完善。然而，事實上，激光陀螺捷聯系統(tǒng)的測試設備基本上是全部照搬，從而造成了激光陀螺捷聯系統(tǒng)的研制水平快速發(fā)展，而相應的測試技術的研制水平卻很不匹配。為了滿足實際需要，充分表現出激光捷聯系統(tǒng)良好的性能、較高的輸出精度，迅速提高目前 激光陀螺捷聯 系統(tǒng)的測試技術水平已顯得十分重要。 激光陀螺是全固態(tài)慣性陀螺儀表 ， 沒有高速旋轉 的 轉子 ，在結構和工藝上與撓性陀螺有著根本上的區(qū)別，因而在 激光陀螺捷聯系統(tǒng)的測試技術有其自身的特點。當前，比較突出的兩個問題如下： 1． 激光陀螺捷聯系統(tǒng)的誤差模型與撓性陀螺捷聯系統(tǒng)的有很大的區(qū)別。從激光陀螺的工作原理可知，激光陀螺誤差模型中不含有與加速度有關的誤差項，從形式上比撓性陀螺的誤差模型要簡單，但激光陀螺受磁場、溫度等環(huán)境因素的影響卻相對比較大。由于誤差形成的機理不同，因此二者的誤差模型是不同的，相應用于分離誤差的標定方法也有很大不同。另外，在機抖式激光陀螺工作過程中，因為其測量機理的需要，人為加入了高頻抖動，測量信號中加雜了高頻干擾項，對誤差參數的辨識帶 來了一定的困難，因而進行誤差參數辨識所采用的方法也有所不同。 2． 兩套系統(tǒng)信號在采集、處理的方法不同。 為適應激光陀螺高速采樣、濾波要求，實現高精度的測試，現有的測試系統(tǒng)中數據采集設備無法完全滿足要求。需要對 激光陀螺捷聯 系統(tǒng)的測試系統(tǒng)在硬件上進行改進和完善。為了對激光陀螺捷聯系統(tǒng) 進行準確可靠的測試， 改進、完善現有的 激光陀螺捷聯 系統(tǒng) 綜合測試系統(tǒng) 已顯得很重要。 它 不 僅要完成 激光陀螺 捷聯系統(tǒng)的功 能測試，激光陀螺組件和加速度計組件 的精度 測試 ，而且還要完成對激光陀螺捷聯系統(tǒng)的誤差 標定 、誤差參數的分離。同時為 產品的 整個 測試 過程提供 計算機控制的自動化測試技術，使整個測試過程變得簡單、方便、易行，排除以前人工操作時人為誤差因素的影響，提高測試的精度和可靠性，縮短整個測試過程所需的時間。 激光陀螺捷聯系統(tǒng) 標定 技術 激光陀螺捷聯系統(tǒng) 標定方法是 激光陀螺捷聯系統(tǒng) 測試技術中重要的組成部分。 和其它慣性測量元件的標定方法相同，其標定方法也分為分立標定方法和系統(tǒng)標定激光陀螺捷聯 系統(tǒng)測試技術 9 方法。通常的標定分為實驗室標定和外場標定兩個階段完成的。兩個階段實現的功能是不一樣的，實驗室階段主要進行一些靜態(tài)誤差常數的標定，如陀螺儀的標度因數誤差及安裝誤差、加 速度計的刻度因子誤差和交叉耦合誤差系數等，而外場測試階段的工作主要是對實驗室標定結果的檢驗和修正。 1． 分立標定法 分立標定法 直接 利用陀螺儀和加速度計的輸出作為觀測量，對系統(tǒng)的參數進行標定 。 一般包括加速度計在重力場的多位置實驗以及激光陀螺儀的速率實驗。 在參數辨識方面，工程上常用的是求解方程法和最小二乘法。 在較高精度的導航系統(tǒng)標定場合，由于用線性回歸模型擬合系統(tǒng)誤差模型存在著較大的模型誤差，而且最小二乘法對有色噪聲的抑制能力較為有限，因此最小二乘標定方法不是最佳方案。 卡爾曼濾波方法是基于均方差最小準則下 的動態(tài)估計方法?？柭鼮V波器融合了預測信息和觀測信息，可以有效的抑制有色噪聲。對于非線性系統(tǒng)和時變系統(tǒng)，卡爾曼濾波器也有較好的處理效果。目前，運用卡爾曼濾波進行自標定己經成為研究的主流方向[6][7][8][9]，但在工程實踐上還有許多需要解決的問題。 2． 系統(tǒng)標定方法 系統(tǒng)標定方法是在系統(tǒng)進入導航狀態(tài)后，采集導航數據進行誤差參數辨識的標定方法。根據在應用中所需的外部信息，系統(tǒng)標定方法又可分為自標定方法和外標定方法。自標定方法是不依賴外部信息進行自主標定的方法，一般用于靜基座條件下的誤差標定。外標定方法是依 靠外部測量信息輔助進行標定的方法，常用于動基座條件下的誤差標定。 雖然系統(tǒng)級標定方法是從 80 年代發(fā)展起來的，各方面理論上的研究也比較多，但工程上的應用受到其缺點的限制，目前工程上廣泛采用的標定方法還是經典的分立標定方法。 綜合 測試 系統(tǒng) 激光陀螺捷聯系統(tǒng)測試 系統(tǒng)是由計算機控制的自動化測試系統(tǒng)，通過與被測激光陀螺慣性組合在電氣上直接連接，自動完成對慣性組合綜合電氣性能和靜態(tài)特性的測試，并記錄測試結果。 其主要功能包括以下幾個方面： 系統(tǒng)自檢 ； 狀態(tài)測試 ， 完成系統(tǒng)的功能 控制， 其中包括陀螺、加 速度計的關鍵運行參數的測試以及捷聯系統(tǒng)的接口檢測； 完成激光陀螺等慣性儀表的精度測試； 激光陀螺捷聯 系統(tǒng)測試技術 10 完成系統(tǒng)的標定試驗 ； 故障診斷與定位 。 作為激光陀螺捷聯慣性組合的專用測試系統(tǒng)，測試對象精密復雜，是一個多輸 入 多輸出裝置，其測控變量中既有模擬量 （ 電壓、電流 ） ，又有離散量 （ 數字數據、脈沖序列 ） ，因此，測控過程任務多、精度高、時間短、實時性強。根據測試系統(tǒng)的總體功能 /性能要求，并考慮到測試對象和使用特點，該測試系統(tǒng)主要具有以下優(yōu)點 ： 采用工業(yè) PC 產品，以工控計算機為核心，組成測試控制系統(tǒng)，擁有優(yōu)異的主機性能 、豐富的外圍設備和強大的 I/O 接口功能 ； 與被測對象連接的信號全部進行電氣隔離，地線設計合理，實現信號的非接觸式測量，減小了各信號 耦合 帶來的誤差，并保證了測試的安全性 ； 基于 Windows 環(huán)境下開發(fā)的應用軟件包，利用 支持文件 技術成功地解決了軟件包底層數據接口的問題，為今后進一步利用 Windows 環(huán)境下開發(fā)實時控制軟件提供了實際應用的技術基礎 ； 自動化測試系統(tǒng)，測試質量高、人機工效好、可維護性好 。 高速數字采集系統(tǒng) 數據采集技術是現代信號處理的基礎，廣泛應用于通信、遙測、遙感等領域 。在激光捷聯系統(tǒng)的測試工作中，對 LIMU 輸出信號的采集是進行各種處理和測試的第一步。隨著 LIMU 制造工藝飛速發(fā)展、精度的不斷提高，對數據采集系統(tǒng)的要求也愈來愈高，高速高精度的數據采集是 LIMU 測試技術發(fā)展的必然趨勢。目前應用于工業(yè)控制計算機的采集系統(tǒng)大多是基于 ISA 總線結構。這種結構的最大缺點是傳輸速率低，最高傳輸速率只有 8MB/s，由于帶寬的限制，已成為制約計算機性能的瓶頸。 與常用的 ISA、 EISA 和 MCA 等擴展總線相比， PCI 總線具有負載能力強、支持 32/64位數據傳輸、采用多總線和線性突發(fā)傳輸模式、 獨立于 CPU、自動配置、支持即插即用等眾多優(yōu)點。同時，隨著計算機技術的發(fā)展，出現了以微型計算機為平臺，配以專用測量和測試的插卡及專用軟件的 PC 儀器，也即虛擬儀器。將基于 PCI 總線的數據采集卡與專用的測試硬件、軟件相結合，即能實現高速數據采集和實時數據處理等功能。與傳統(tǒng)的基于 ISA 總線的數據采集卡相比，基于 PCI 總線的數據采集卡無論在速度還是綜合性能方面都要強得多。 可見，基于 PCI 總線的數據采集技術是高速數據采集的發(fā)展方向，在要求大容量、實時性的高速數據采集中，采用 PCI 總線作為數據傳輸總線是值得研究的。 作 為測量系統(tǒng)的核心設備， 本課題以此 數據采集卡作 為硬件研究的重點。 針 對激光陀螺捷聯系統(tǒng) 綜合 測試的需求 ，我們面臨的信號 采集 處理任務愈來愈繁激光陀螺捷聯 系統(tǒng)測試技術 11 重，對數據采集系統(tǒng)的要求也 必然 愈來愈高 ， 高速高精度數據采集 技術的應用勢在必行 。 目前，測試系統(tǒng)中所 用 工控計算機 的采集系統(tǒng)大多基于 ISA 總線結構，這種結構的最大缺點是傳輸速率低。 ISA 只有 8 位和 16 位兩檔，最高傳輸速率只有 8MB/s，由于帶寬的限制，已成為制約 工控計算機 性能的瓶頸，不能滿足高速數據采集與處理的要求，無法實現高速數據的實時傳輸。因而，在現有 ISA 數據采集卡的基礎上 ， 研制 基于 PCI總線結構的數據采集系統(tǒng)。 本課題中，利用 PLX 公司的 PCI 接口芯片 PCI9052 設計了基于 PCI 總線的高速數據采集卡，并為其在 Window 環(huán)境下應用編寫了 WDM 硬件驅動程序。并以此為硬件基礎，利用 VC++編寫了 Windows 環(huán)境下圖形界面的應用程序，對 激光陀螺捷聯慣性組合進行了功能和精度的測試，完成了某型號 激光陀螺捷聯 捷聯系統(tǒng)標定工作，經過實際的靜態(tài)導航解算與跑車實驗，證明其能夠實現所需的功能和精度要求。 論文研究內容及結構安排 本課題在 激光陀螺捷聯 系統(tǒng)測試技術大的框架內，對所涉及到 的激光捷聯式系統(tǒng)數字濾波方法、標定方法、計算機總線、接口技術、硬件設計以及驅動程序的開發(fā)做了比較系統(tǒng)的研究。 針對激光陀螺的特點，對 激光捷聯 捷聯系統(tǒng)進行了誤差模型分析，對各種影響因素所帶來的誤差項進行了定性定量的分析，建立了各誤差項與物理概念之間的聯系；對現有誤差模型進行了改進，使其更實用和工程化；對標定方法進行了深入的研究，利用解析法給出了分立式標定方法的理論依據；對系統(tǒng)自標定方法進行了理論探討，為進一步的實際應用打下基礎。對測試設備進行了改進和完善，使測試系統(tǒng)能夠更加方便、精確的對單個的激光陀螺、加速度 計以及捷聯系統(tǒng)進行功能和精度的測試；完成了基于 PCI總線結構的高速數據采集系統(tǒng)的開發(fā)，其中包括數據采集卡的硬件開發(fā)和測試程序的軟件編寫工作，首次實現了高速的 PCI 總線標準在激光陀螺的捷聯系統(tǒng)的測試工作中的應用。 以上內容將在后繼各章節(jié)做仔細的闡述： 第二